檢測開關讓智慧應用更精巧且長壽

作者 : Edward Mork,C&K產品經理

檢測開關可用於設計需要透過移動觸點元件實現「微動」檢測的應用。

自2014年以來,物聯網(IoT)技術的實施使智慧連網裝置在廣闊的市場中吸引了眾多關注。許多智慧家庭技術正驅動著被動、未連網的裝置向主動式連網裝置過渡。無論是在家中還是在路上,智慧家庭裝置都可以為連網裝置提供先進控制,從而簡化人們的生活並提供更豐富的功能。這類裝置通常都由創新的機電控制或開關提供支援。隨著物聯網(IoT)裝置內部空間不斷壓縮,其中的元件也必須越來越小。

根據Markets and Markets的資料,2027年物聯網細分市場預計將達到14,632億美元的規模,這一市場在2019年時還僅僅是2,507億美元,預測期間的複合年成長率(CAGR)為24.9%。更具體地說,全球智慧家庭市場規模預計將從2020年的783億美元成長到2025年的1,353億美元,預測期間的CAGR達到11.6%。這一成長規模受到多種因素的驅動,例如網際網路用戶數量的增加、偏遠地區建置家庭監控、節能需求的增加、智慧家庭產品的擴展,以及普遍對於安全性和便利性的日益關注等。

市場趨勢與挑戰

物聯網應用的潛力無窮。它可以實現遠端監控,同時收集資料用於分析。這些資料可以被加以解釋並用於產生資產的360度環景圖,從而使OEM能夠開發更好的產品以滿足人們的需求。在新冠肺炎(COVID-19)疫情大流行期間,儘管對物聯網裝置的總體需求有所下降,但新的物聯網裝置也在崛起,特別是其中有許多裝置都與改善健康和生活品質相關。

物聯網裝置的小型化趨勢已不是什麼新鮮事。但在其空間有限的電路板(PCB)越來越需要採用更精巧的「檢測開關」(detect switch),以取代常用的「速動開關」(snap switch)。傳統的速動開關體積較大,無法放入手掌大小的物聯網裝置中。因此,在當今智慧家庭的物聯網應用中約有80%的裝置都將檢測開關作為不可或缺的核心元件。

此外,物聯網裝置製造商希望在不斷縮小的產品中盡可能地整合更多功能,並收集更多的資料。這通常要求在小型的封裝中擠進更多的電子元件,因而對於元件的小型化與設計靈活性又提出了更進一步的要求。

什麼是檢測開關?

檢測開關,也稱為「檢測器」(detector)開關,它是一種微機電開關,可檢測(或感測)物體在其致動器上造成的任何移動或啟動動作。檢測開關的下方都有一個接觸端子,如果開關已經打開,當有電訊號連接到該端子時,將會有幾毫安(mA)或幾微安(uA)的電訊號流過它。該訊號流可以連接到其他物聯網裝置,以觸發在其他裝置上執行特定任務的一系列指令。

圖1:檢測開關的主要元件結構圖。(圖片來源:C&K)

檢測開關為工程師提供了靈活的解決方案,可以用來設計要求透過移動觸點元件實現「微動」(minute)檢測的應用。這些開關非常堅固,在數千次反覆開關週期間不會有任何損壞。它們均採用小尺寸封裝,並提供各種位移距離檢測,同時還能滿足PCB上小佔位面積的設計要求。

圖2:安裝在PCB上的微動表面黏著檢測開關。(圖片來源:C&K)

檢測開關的概念源自傳統的速動開關,以較小的替代方案替換體積較大的速動開關來分配更大的電流(從幾mA到幾安培)範圍。速動開關最大的缺點是尺寸過大,特別是對於越來越小的物聯網裝置和其他手持裝置而言,這個缺點尤為突出。相較於同類的速動開關,微動檢測開關最多可節省50%的空間,因此是物聯網應用的理想選擇。

圖3:HDT0001檢測開關的主要建構模組原理圖。

檢測開關還為物聯網裝置和家用電子裝置提供訊號電平電流——直流(DC)電壓。低電流檢測開關消耗很少甚至不消耗電能,使其成為電池類應用的理想解決方案。而且,檢測開關也不需要通過UL/ENEC認證。

憑藉微型的尺寸以及靈活的安裝方式,檢測開關幾乎可以放置在PCB的任何位置,包括平面位置、垂直位置,甚至倒置。因此,在設計產品和解決方案時,採用隨插即用(plug-and-play)的檢測開關,讓設計人員不會有任何掣肘之處。

除了緊湊的尺寸之外,檢測開關還有很多優點。它允許生產線使用機器人在PCB上快速取放和焊接。超過90%的檢測開關採用表面黏著(SMD)接線端子,這意味著它們本來就是為貼片機設備而設計的。在其製造過程無需任何人為干預,因此可以確保開關的品質,避免因人手處理開關帶來污染和污物。

如何選擇檢測開關

根據應用需求來選擇適當的檢測開關。業界有多種檢測開關,可以滿足幾乎所有的應用需求。具體需考慮的選項包括:

  • 尺寸:分為標準型(約13mm)、小尺寸緊湊型(約6mm)和超微型(約2mm)設計。
  • 使用壽命:100,000至100萬次週期。
  • 環境條件:從常態的普通環境到嚴苛的各級IPxx環境均適用。
  • 操作力:35g至50g。
  • 致動方式:推鰭、水平推、垂直推和角度推桿。
  • 致動器長度:4mm至2.67mm之間。
  • 致動方向:包括垂直或水平、頂部或側面、右旋或左旋。
  • 行程:05mm至3.14mm。
  • 端接方式:包括SMT、通孔固定、面板內嵌/底盤螺釘固定等安裝方式,適用於不同的安裝與固定需求。
  • 工作溫度範圍:-40℃至85℃,可在嚴苛的環境中工作。

檢測開關都是單極的,而且通常為常開或常閉。此外,當檢測開關未密封時,焊接過程中將存在助焊劑滲透的風險。因此,在將檢測開關焊接到PCB的製造過程中,需要特別注意這一點。

關鍵應用

檢測開關常用於以下智慧家庭應用:

  • 掃地機器人:檢測集塵盒是否安裝以及機器人輪子方向的位置。
  • 智慧門窗鎖:從內部檢測位於強制開啟(forced-on)位置的鎖。該鎖不能從外部手動開啟。
  • 耳塞:當耳塞放入充電座時開始充電,並檢測充電座是處於開啟還是關閉位置。
  • 安全攝影機:檢測鏡頭旋轉的極限位置。
  • 安全門:檢測門是開啟還是關閉。
  • 煙霧探測器:為煙霧探測器和警示面板的防篡改功能提供檢測。

檢測開關還可用於其他各種智慧應用,從檢測數位攝影機的上蓋開啟/關閉、放大/縮小功能或者鏡頭的連接或拆卸,到檢測電力公司電錶上蓋是否被移除從而防止被篡改。

用於所有類型的電子設計

為了因應上面提到的挑戰並滿足產業要求,C&K等開關製造商提供了豐富的檢測開關產品。對於有空間限制的電子設計而言,小巧而可靠的檢測開關是理想的解決方案;此外,它還提供多樣的選擇而實現了設計靈活性與功能性,推動物聯網裝置不斷創新並發揮想像力。

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