量子力学可能会解决摇杆漂移的问题在其提高了硬盘性能后，隧道磁阻技术可能会终结摇杆漂移问题

Mon, 07 Apr 2025 02:07:59 GMT

在其提高了硬盘性能后，隧道磁阻技术可能会终结摇杆漂移问题。

任天堂 Switch 被人们记住不仅是因为它重新流行了便携式游戏，还因为它有一个影响了数百万玩家的硬件问题：摇杆漂移。

摇杆漂移是在没有人碰到手柄时，摇杆检测到错误输入并导致游戏中出现不必要移动的一种问题，这个问题也影响了索尼、微软以及第三方配件厂商的控制器。

作为该问题的潜在解决方案，霍尔效应传感器在几年前诞生，但还有更好的选择，更容易应用到现有控制器设计中。这个解决方案是隧道磁阻（TMR），一种通过量子力学和磁铁在二十年前革新硬盘的技术。

像霍尔效应传感器一样，TMR 传感器也避免了传统摇杆的根本问题：它们的传感器因为设计原因会磨损。过去几代的 Xbox 主机、PS4 和 PS5 以及 Switch 自带的控制器都是基于这种传感器——电位器，这是一种可以用来改变或测量电阻的组件。

摇杆工作原理

正如 iFixit 在 2021 年解释的那样，每个摇杆中用来检测上下和左右移动的两个电位器内部，有一条半圆形的碳膜带，两端各有一个端子通电流。当摇杆移动时，一个叫做滑片的组件沿着这条带子来回滑动，测量它接触点的电压。由于电压随着这条带子的长度变化是可预测的，因此滑片的电压测量可以准确地测量摇杆的移动。

但物体之间的摩擦并不是长久之计。摇杆电位器中的碳膜条会随着时间的推移磨损，影响电流流动和电压测量的准确性。膜上的污垢，可能是因为移动部件的磨损或灰尘和食物碎屑进入控制器所导致的，也会导致不准确的测量和漂移。

这就是为什么控制器制造商现在开始转向不依赖于组件相互摩擦的传感器：霍尔效应和 TMR，它们都依赖于磁性。正如 iFixit 所解释的，霍尔效应操纵杆用磁铁和传感器替代了电阻条和刮片，它们从来不会接触，这是利用了 Edwin Hall 在 1879 年首次发现的现象。

关于霍尔效应传感器

在霍尔效应传感器内部，有一种叫做“霍尔元件”的导电材料，其中流过电流。正常情况下，电子会直接通过这个导体，但是磁场的存在可以干扰电子流动，把它们偏转到两侧，就像一个无形障碍物把水流在小溪中偏转一样。当操纵杆上的磁铁靠近或远离时，霍尔效应传感器会测量导体中随之产生的电压变化。这些测量结果被翻译成游戏中的移动，比电位器更准确可靠，而且没有磨损。

霍尔效应传感器已经使用了超过 50 年，甚至被 Sega 在 90 年代中期推出的土星 3D 和 Dreamcast 控制器中使用。GuliKit 在 2021 年的 E3 展会上推出了一款采用霍尔效应传感器的控制器后，让这种传感器在游戏硬件中再次流行起来。但它们在游戏硬件中仍不被广泛使用，因为基于电位计的操纵杆更便宜易于制造。它们还需要更高的功耗，这是手柄制造商需要考虑的问题。

TMR 传感器

解决这个问题的方案可能是 TMR 传感器，这是最近的发现之一。1988 年，物理学家阿尔贝·费尔特和彼得·格林伯格各自独立发现了一种现象，叫做巨磁电阻效应（GMR），这一发现让他们在 2007 年共同获得诺贝尔物理学奖。他们发现，当把一种导体（比如铜或铝，只有几纳米厚）夹在两层磁性材料之间时，施加一个磁场会影响电子自旋的方向及其从薄膜一侧流向另一侧的能力。

“如果你把两个磁铁放得很近很近，用一块隔离材料隔开，如果这边的磁铁自旋是 A，而另一块磁铁也是相同的自旋，电子很容易移动到下一个磁铁。但如果另一块的自旋不对齐……电子想要移动，但没有简单的方法让其他电子一起移动，这就会导致电阻变化。”Seagate 的高级工程师 Riyan Mendonsa 向 The Verge 解释道。

TMR 的工作方式与 GMR 非常相似。磁场的存在会使电子的自旋方向对齐，使得电子更容易从一边流到另一边。不同的是，GMR 使用的是夹在两个磁层之间的导电材料，而 TMR 则反其道而行之，使用一种绝缘材料，作为一个有意设置的屏障。

电子从薄膜的一侧流向另一侧，依赖于一种量子力学现象，称为量子隧道效应，通过中间的绝缘体。颗粒穿过它们不应该能够穿过的障碍这个想法不容易理解，但当某些材料——如铝或氧化镁——只有几颗原子厚时，这种情况就会发生。多亏了像厄尔文·薛定谔这样的物理学家，这一现象并不是一个完全的谜团。我们有可以精确预测它何时会发生的公式。

解决硬盘性能问题

在电子产品中，使 TMR 效应有用的不仅仅是隧道本身，而是在施加和移除磁场时会产生可测量的电阻变化。多年间，根据 Mendonsa 的说法，硬盘依赖于与用于扬声器和麦克风的线圈设计相似的读取头。2005 年，希捷公司在读取头中采用了 TMR 技术，这不仅使得读取头可以做得更小，而且在检测磁场存在方面更加灵敏。

这使得硬盘上的磁性位也可以做得更小，使 2.5 英寸硬盘的密度和存储容量显著提升到 120GB。各种形式的 TMR 技术预计将在未来几年继续用于硬盘制造。

TMR 传感器优势

尽管其底层科学原理不同，但霍尔效应和 TMR 传感器都可以通过使用非接触式磁铁来检测操纵杆的移动，不过 TMR 传感器具有一些关键优势。

“与霍尔效应传感器相比，TMR 传感器通常具有更高的灵敏度和更线性的响应，”GuliKit 的业务总监 Jack He 说道。这可以允许使用更小的磁铁，使 TMR 操纵杆更容易制造。但要利用更高的灵敏度来提高操纵杆的准确性则取决于制造商及其使用的硬件。He 还表示：“分辨率主要取决于后台 MCU 的采样精度，与操纵杆本身的关系不大。”

相比霍尔效应传感器，TMR 传感器通常耗电更低，但优势并不体现在延长电池寿命上。他说：“索尼、微软和任天堂游戏控制器的原始设计使用传统的电阻膜摇杆技术，采用恒定电源设计，功率容量仅限于大约 1 毫安。” 霍尔传感器的耗电量可以从 0.5 毫安到 2 毫安不等，而 TMR 传感器只耗电 0.1 毫安到 0.3 毫安之间。这允许安装 TMR 传感器的摇杆能够作为完美的 1:1 替代品装在现有控制器硬件上，而无需其他电路修改。这可以通过简化制造来帮助加速采用并降低技术成本。

TMR 传感器在更广的温度范围内提供更稳定的性能——这一点特别有利于手握时间较长且手温较高的产品。

采用TMR 技术的手柄

尽管像任天堂、微软和索尼这样的公司还没有采用 TMR 技术，但已经有几家第三方制造商在销售带有 TMR 摇杆的游戏手柄，包括 PB Tails 的 Crush 控制器、GameSir 的 Tarantula Pro 和 8BitDo，它在其新款 Ultimate 2 控制器中使用了这种技术。2024 年，GuliKit 是第一家发布升级套件，将 TMR 技术应用到 PS5、PS4、Xbox 和 Switch 手柄上的公司。

但 TMR 技术要在游戏硬件中成为主流，可能还需要几年时间。他指出：“TMR 传感器通常比传统的霍尔效应传感器更贵，尤其是在较小的批量中。然而，随着 TMR 技术的成熟，成本差距预计会缩小。”

🗒 标签: #量子力学 #摇杆漂移 #TMR #手柄
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