前段時間，有朋友留言，讓我講講磁柵編碼器的工作原理。其實，我之前也沒用過。
不過最近，我查詢了一些資料，發現確實有一些應用中用到磁編碼器。
比如，對於長行程（1米）的直線運動系統的位置檢測，再比如對於空間有限的旋轉直驅電機運動檢測。
當然，我也順便把磁編碼器的工作原理弄清楚了。
本來我打算這篇日記就來分享一下它的工作原理，但是我發現，要全部講清楚，恐怕又是一篇長文，可讀性下降。
所以今天，我先分享一下傳感器部分，後續再補充一篇，說明整體工作原理。
磁柵編碼器或者磁旋轉編碼器上，採用的傳感器，一般為霍爾傳感器或者磁阻傳感器。
磁阻傳感器用於旋轉運動檢測示意圖。
磁阻傳感器用於直線運動檢測示意圖。
磁阻傳感器用於電機角度反饋。
4解析度磁阻傳感器檢測位置應用，圖片來自murata。
磁阻傳感器檢測位置應用，圖片來自murata。
磁柵編碼器和磁旋轉編碼器示意圖，來自BOGEN。
幾種磁阻傳感器用於檢測三維運動，角度運動，直線運動。
磁阻傳感器用於電機軸，檢測旋轉運動。
磁阻傳感器用於讀取磁碟信息。
磁傳感器工作示意圖。
關於霍爾傳感器的原理，之前有一篇文章專門講過，這裡僅僅回顧一下。
霍爾傳感器的原理：在垂直於霍爾元件的外部磁場作用下，電子在會向霍爾元件一側移動，造成兩側電勢差，形成霍爾電壓。
霍爾傳感器的原理動畫展示。
那麼，什麼又是磁阻傳感器呢？它是怎麼工作的？
01
磁阻傳感器的分類
首先，這裡的磁阻，和之前講過的磁阻電機中的磁阻可不是一回事。
磁阻電機中的磁阻（Reluctance），是阻礙磁路中磁通量的產生。
而此處的磁阻（Magnetoresistance），是材料的電阻會隨著外部磁環境的變化而變化的現象。
當然並不是所有材料都有這個能力。
目前主要應用的有三種磁阻元件。
分別為AMR，GMR，TMR元件。
AMR＝Anisotropic Magnetoresistance Effect，即各向異性磁阻效應。
GMR＝Giant Magnetoresistance Effect，即巨磁阻效應。
TMR＝Tunnel Magnetoresistance Effect，即穿隧磁阻效應
AMR，GMR，TMR結構示意圖：AMR僅由自由層（Free Layer）薄膜構成，GMR和TMR由自由層薄膜和固定層（Pinned Layer）薄膜及其他相關薄膜構成。自由層可以被磁化，磁化方向和外磁場方向相關，固定層的磁化方向被固定，不隨外部磁場變化而變化，圖片來自hprobe。
磁化過程示意圖。
AMR，GMR，TMR原理示意圖：AMR當磁化方向和電流方向平行時，電阻最大，電流最小（圖中用棕色箭頭大小表示電流大小）；當磁化方向和電流垂直時，電阻最小，電流最大。GMR和TMR當磁化方向和固定層磁化方向相反時，電阻最大，電流最小；當磁化方向和固定層磁化方向相同時，電阻最小，電流最大。圖中可見，GMR和TMR最明顯的區別在於通電電流方向不同，GMR電流平行於薄膜，而TMR電流則垂直於薄膜。圖片來自AKM。
AMR電阻隨外磁場和電流夾角的變化情況。
AMR由一層可以被外部磁場磁化的鐵磁薄膜構成，外部磁場和通電電流形成一個夾角，當磁場角度變化，這個夾角改變，電阻也隨之改變，如果傳感器通入的電壓一定，將會產生變化的電流信號。
AMR傳感器工作原理。施加磁場後，磁阻元件R1、R4的電阻值將下降，且中點A和中點B之間的電位將產生差異。當電位差超過規定的設置值（閾值）時，將切換傳感器的ON/OFF輸出。圖片來自murata。
GMR主要由自由層和固定層薄膜及導體夾層構成，電流方向平行於薄膜方向。
關於GMR，值得一提的是，巨磁阻效應的發現者Albert Fert和 Peter Grunberg在2007 年，獲得諾貝爾物理學獎。
GMR巨磁阻效應發現者A. Fert和P. Grunberg於2007年獲諾貝爾物理學獎。
TMR和GMR結構類似，主要由自由層和固定層薄膜及中間隧道障礙夾層構成。
02
磁阻傳感器的原理
TMR磁性結構與GMR基本相同，都是多層薄膜元件，但GMR元件的電流平行於膜面流過，而TMR元件的電流垂直於膜面流過。
磁阻元件的發現進程和磁阻效應強弱分別為AMR，GMR及TMR，可以用下面這張圖表示。
AMR，GMR，TMR的發展歷史及磁阻效應強弱，由圖可見TMR磁阻效應最大，其次是GMR，磁阻效應最小的是AMR，大磁阻效應意味著可以檢測更廣泛更微弱的磁變化。
TMR電阻隨外磁場方向的變化情況，上圖可以看到電阻隨外磁場旋轉角度變化而變化的曲線。下左圖中，當自由層與固定層的磁化方向為反向平行時，電阻變大（對應上圖的180度），只流過微弱的電流。右下圖中：當自由層與固定層的磁化方向平行時，電阻變小（對應上圖的0度或者360度），流過大電流。此圖說明TMR磁阻元件可當作角度傳感器。
這張圖和上圖是一個意思，我保存一下，圖片來自TDK。
GMR／TMR電阻隨平移磁場變化示意圖，電阻達到閥值時，可以視為開關信號，來自alpsalpine。
GMR／TMR電阻隨旋轉磁場變化示意圖，電阻達到閥值時，可以視為開關信號，來自alpsalpine。
MR傳感器狀態變化示意圖，來自alpsalpine。
03
三種磁阻元件之間的區別
三種磁阻元件的不同之處，可以用2張圖來表示。
三種元件在相同磁場作用下，電阻的變化率對比。TMR變化最大，所以也最敏感（原因是結構不同）。
AMR，GMR，TMR對比：TMR電阻變化率最大，所以也最敏感，同時受溫度的影響最小，適用性最高，圖片來自TDK。
結構方面，AMR最簡單，由單層薄膜組成，GMR和TMR相似，都是多層薄膜組成。
電流方面，AMR和GMR電流方向平行於薄膜方向，唯有TMR垂直於薄膜方向。
當然，從結果來看，TMR對磁變化最為敏感，所以它可以用於檢測更小的磁變化，且可以多方向檢測，同時它受溫度的影響較小，測量誤差更小。
04
磁阻傳感器與霍爾傳感器的區別
以上，我們了解了3種基本的磁阻元件結構，及原理，以及它們之間的靈敏度區別。
那麼磁阻傳感器和霍爾傳感器有什麼區別呢？
首先，檢測磁場方向不同，霍爾傳感器檢測垂直於霍爾元件的磁場，而磁阻傳感器檢測平行於磁阻元件的磁場。
磁阻傳感器和霍爾傳感器檢測方向對比。
磁阻傳感器和霍爾傳感器檢測方向對比。
其次，磁阻傳感器更加敏感，所以可以檢測多個方向的運動。
磁阻傳感器用於檢測各個方向的運動。
磁阻傳感器檢測運動方向示意圖，圖片來自murata。
當然，磁阻傳感器可以做得更小，在有限的空間中放置兩個檢測頭。
雙磁阻檢測元件示意圖。
當然還有其他一些不同之處，比如熱穩定性，功耗等總結在下表中。
霍爾傳感器VS TMR傳感器。
以上特點決定了大部分的編碼器都用磁阻傳感器。
主要參考資料：
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.hprobe.com/sensor-test/
7. What's a Magnetic Sensor?（含有AMR，GMR，TMR）
https://www.akm.com/kr/ko/technology/technical-tutorial/basic-knowledge-magnetic-sensor/magnetic-sensor/
8. TMR Sensors
https://product.tdk.com/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.tdk.com/ja/tech-mag/front_line/004
10. Structure of a Magnetic Sensor Encoder
https://tech.alpsalpine.com/e/products/faq/sensor_magnetic/magnetic_encoder.html
11. Magnetic Sensors and Alps Alpine's Magnetic Switches
https://tech.alpsalpine.com/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.murata.com/en-global/products/sensor/amr/library/basic/difference-hall-ic
13. 各檢測示例
https://www.murata.com/zh-cn/products/sensor/amr/library/basic/example
14. AMR傳感器（磁力開關）的工作原理
https://www.murata.com/zh-cn/products/sensor/amr/library/basic/principle
15. Magneto transport. Family of Hall effects and AMR effects.
https://staff.aist.go.jp/v.zayets/spin3_61_MagnetotrasportFamily.html