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前段时间，有朋友留言，让我讲讲磁栅编码器的工作原理。 其实，我之前也没用过。 不过最近，我查询了一些资料，发现确实有一些应用中用到磁编码器。 比如，对于长行程（1米）的直线运动系统的位置检测，再比如对于空间有限的旋转直驱电机运动检测。 当然，我也顺便把磁编码器的工作原理弄清楚了。 本来我打算这篇日记就来分享一下它的工作原理，但是我发现，要全部讲清楚，恐怕又是一篇长文，可读性下降。 所以今天，我先分享一下传感器部分，后续再补充一篇，说明整体工作原理。 磁栅编码器或者磁旋转编码器上，采用的传感器，一般为霍尔传感器或者磁阻传感器。
磁阻传感器用于旋转运动检测示意图。
磁阻传感器用于直线运动检测示意图。
磁阻传感器用于电机角度反馈。
4分辨率磁阻传感器检测位置应用，图片来自murata。
磁阻传感器检测位置应用，图片来自murata。
磁栅编码器和磁旋转编码器示意图，来自BOGEN。
几种磁阻传感器用于检测三维运动，角度运动，直线运动。
磁阻传感器用于电机轴，检测旋转运动。
磁阻传感器用于读取磁盘信息。
磁传感器工作示意图。 关于霍尔传感器的原理，之前有一篇文章专门讲过，这里仅仅回顾一下。
霍尔传感器的原理：在垂直于霍尔元件的外部磁场作用下，电子在会向霍尔元件一侧移动，造成两侧电势差，形成霍尔电压。
霍尔传感器的原理动画展示。 那么，什么又是磁阻传感器呢？它是怎么工作的？ 01 磁阻传感器的分类 首先，这里的磁阻，和之前讲过的磁阻电机中的磁阻可不是一回事。 磁阻电机中的磁阻（Reluctance），是阻碍磁路中磁通量的产生。 而此处的磁阻（Magnetoresistance），是材料的电阻会随着外部磁环境的变化而变化的现象。 当然并不是所有材料都有这个能力。 目前主要应用的有三种磁阻元件。 分别为AMR，GMR，TMR元件。 AMR＝Anisotropic Magnetoresistance Effect，即各向异性磁阻效应。 GMR＝Giant Magnetoresistance Effect，即巨磁阻效应。 TMR＝Tunnel Magnetoresistance Effect，即穿隧磁阻效应
AMR，GMR，TMR结构示意图：AMR仅由自由层（Free Layer）薄膜构成，GMR和TMR由自由层薄膜和固定层（Pinned Layer）薄膜及其他相关薄膜构成。自由层可以被磁化，磁化方向和外磁场方向相关，固定层的磁化方向被固定，不随外部磁场变化而变化，图片来自hprobe。
磁化过程示意图。
AMR，GMR，TMR原理示意图：AMR当磁化方向和电流方向平行时，电阻最大，电流最小（图中用棕色箭头大小表示电流大小）；当磁化方向和电流垂直时，电阻最小，电流最大。GMR和TMR当磁化方向和固定层磁化方向相反时，电阻最大，电流最小；当磁化方向和固定层磁化方向相同时，电阻最小，电流最大。图中可见，GMR和TMR最明显的区别在于通电电流方向不同，GMR电流平行于薄膜，而TMR电流则垂直于薄膜。图片来自AKM。
AMR电阻随外磁场和电流夹角的变化情况。 AMR由一层可以被外部磁场磁化的铁磁薄膜构成，外部磁场和通电电流形成一个夹角，当磁场角度变化，这个夹角改变，电阻也随之改变，如果传感器通入的电压一定，将会产生变化的电流信号。
AMR传感器工作原理。施加磁场后，磁阻元件R1、R4的电阻值将下降，且中点A和中点B之间的电位将产生差异。当电位差超过规定的设置值（阈值）时，将切换传感器的ON/OFF输出。图片来自murata。 GMR主要由自由层和固定层薄膜及导体夹层构成，电流方向平行于薄膜方向。 关于GMR，值得一提的是，巨磁阻效应的发现者Albert Fert和 Peter Grunberg在2007 年，获得诺贝尔物理学奖。
GMR巨磁阻效应发现者A. Fert和P. Grunberg于2007年获诺贝尔物理学奖。 TMR和GMR结构类似，主要由自由层和固定层薄膜及中间隧道障碍夹层构成。 02 磁阻传感器的原理 TMR磁性结构与GMR基本相同，都是多层薄膜元件，但GMR元件的电流平行于膜面流过，而TMR元件的电流垂直于膜面流过。 磁阻元件的发现进程和磁阻效应强弱分别为AMR，GMR及TMR，可以用下面这张图表示。
AMR，GMR，TMR的发展历史及磁阻效应强弱，由图可见TMR磁阻效应最大，其次是GMR，磁阻效应最小的是AMR，大磁阻效应意味着可以检测更广泛更微弱的磁变化。
TMR电阻随外磁场方向的变化情况，上图可以看到电阻随外磁场旋转角度变化而变化的曲线。下左图中，当自由层与固定层的磁化方向为反向平行时，电阻变大（对应上图的180度），只流过微弱的电流。右下图中：当自由层与固定层的磁化方向平行时，电阻变小（对应上图的0度或者360度），流过大电流。此图说明TMR磁阻元件可当作角度传感器。
这张图和上图是一个意思，我保存一下，图片来自TDK。
GMR／TMR电阻随平移磁场变化示意图，电阻达到阀值时，可以视为开关信号，来自alpsalpine。
GMR／TMR电阻随旋转磁场变化示意图，电阻达到阀值时，可以视为开关信号，来自alpsalpine。
MR传感器状态变化示意图，来自alpsalpine。 03 三种磁阻元件之间的区别 三种磁阻元件的不同之处，可以用2张图来表示。
三种元件在相同磁场作用下，电阻的变化率对比。TMR变化最大，所以也最敏感（原因是结构不同）。
AMR，GMR，TMR对比：TMR电阻变化率最大，所以也最敏感，同时受温度的影响最小，适用性最高，图片来自TDK。 结构方面，AMR最简单，由单层薄膜组成，GMR和TMR相似，都是多层薄膜组成。 电流方面，AMR和GMR电流方向平行于薄膜方向，唯有TMR垂直于薄膜方向。 当然，从结果来看，TMR对磁变化最为敏感，所以它可以用于检测更小的磁变化，且可以多方向检测，同时它受温度的影响较小，测量误差更小。 04 磁阻传感器与霍尔传感器的区别 以上，我们了解了3种基本的磁阻元件结构，及原理，以及它们之间的灵敏度区别。 那么磁阻传感器和霍尔传感器有什么区别呢？ 首先，检测磁场方向不同，霍尔传感器检测垂直于霍尔元件的磁场，而磁阻传感器检测平行于磁阻元件的磁场。
磁阻传感器和霍尔传感器检测方向对比。
磁阻传感器和霍尔传感器检测方向对比。 其次，磁阻传感器更加敏感，所以可以检测多个方向的运动。
磁阻传感器用于检测各个方向的运动。
磁阻传感器检测运动方向示意图，图片来自murata。 当然，磁阻传感器可以做得更小，在有限的空间中放置两个检测头。
双磁阻检测元件示意图。 当然还有其他一些不同之处，比如热稳定性，功耗等总结在下表中。
霍尔传感器VS TMR传感器。 以上特点决定了大部分的编码器都用磁阻传感器。 好了，今天就分享到这里，如果本文对你有帮助，帮我点个在看。 啊啊，什么，要我动手指，不想动哦。 好吧，不点也行，你个懒虫。 哈哈。 —END— 主要参考资料： 1. Common magnetoresistance measurements: AMR, GMR, AHE/SHE, TMR，Prof. Dr. Coriolan TIUSAN 2. Superior TMR angle sensing for automotive systems，TDK 3. From Hall Effect to TMR ，Crocus Technology 4. Giant (GMR) and Tunnel (TMR) Magnetoresistance Sensors: From Phenomena to Applications，Càndid Reig and María-Dolores Cubells-Beltrán 5. THE EVOLUTION OF MAGNETIC SENSING TECHNOLOGY: FROM HALL EFFECT TO TUNNELING MAGNETORESISTANCE (TMR)，Coto Technology, Inc. 6. Hall Effect Sensors，AMR Sensors，GMR Sensors https://www./sensor-test/ 7. What's a Magnetic Sensor?（含有AMR，GMR，TMR） https://www./kr/ko/technology/technical-tutorial/basic-knowledge-magnetic-sensor/magnetic-sensor/ 8. TMR Sensors https://product./en/techlibrary/productoverview/tmr-angle-sensors.html 9. vol.4 スピントロニクス技術を応用展開したTMRセンサ https://www./ja/tech-mag/front_line/004 10. Structure of a Magnetic Sensor Encoder https://tech./e/products/faq/sensor_magnetic/magnetic_encoder.html 11. Magnetic Sensors and Alps Alpine's Magnetic Switches https://tech./e/products/faq/sensor_magnetic/magnetic_switching.html 12. AMR Sensors (Magnetic Sensors） Fundamentals of magnetic sensors: differences between AMR sensors (magnetic switches) and Hall effect sensors https://www./en-global/products/sensor/amr/library/basic/difference-hall-ic 13. 各检测示例 https://www./zh-cn/products/sensor/amr/library/basic/example 14. AMR传感器（磁力开关）的工作原理 https://www./zh-cn/products/sensor/amr/library/basic/principle 15. Magneto transport. Family of Hall effects and AMR effects. https://staff.aist./v.zayets/spin3_61_MagnetotrasportFamily.html |
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