什么是AMR磁阻傳感器？AMR磁阻傳感器如何“施展拳腳”？

磁傳感器是什么？

看上去神秘的“磁”，其實(shí)離我們并不遙遠(yuǎn)，時(shí)刻環(huán)繞著我們。因?yàn)?，地球本身就可以看成一個(gè)天然的巨大磁體，叫做地磁場。如果把地磁場簡化為一個(gè)條形磁鐵的話，那么地磁南極實(shí)際是在地理北極附近，而地磁北極實(shí)際是在地理南極附近。這兩個(gè)磁極的假設(shè)磁軸并不是和地球的自轉(zhuǎn)軸是重合的，而是有大約成11.5度的傾斜角度。地磁場數(shù)值從0.4高斯到0.6高斯，其強(qiáng)度與方向也隨地點(diǎn)而變化。

所謂磁傳感器，就是把磁場、放射線、壓力、溫度、光等因素作用下引起敏感元件磁性能的變化轉(zhuǎn)換成電信號。現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中應(yīng)用中，磁傳感器最廣泛的是以感應(yīng)磁場強(qiáng)度來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的磁傳感器，最常見的是采用霍爾（Hall）元件、各向異性磁電阻（Anisotropic Magnetoresistance, AMR）、巨磁電阻（Giant Magnetoresistance, GMR）、隧道磁阻傳感器（Tunnel Magnetoresistance, TMR）為核心的傳感器。

什么是AMR磁阻傳感器？

某些金屬或半導(dǎo)體在遇到外加磁場時(shí)，其電阻值會(huì)隨著外加磁場的大小發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做磁阻效應(yīng)，電阻的變化量叫做磁阻。

1857年，Thomson發(fā)現(xiàn)坡莫合金的的各向異性磁阻效應(yīng)。對于有各向異性特性的強(qiáng)磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場和電流間夾角有關(guān)的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。當(dāng)外部磁場與磁體內(nèi)建磁場方向成零度角時(shí), 電阻是不會(huì)隨著外加磁場變化而發(fā)生改變的；但當(dāng)外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有一定角度的時(shí)候, 磁體內(nèi)部磁化矢量會(huì)偏移，薄膜電阻降低, 我們這種特性稱為各向異性磁電阻效應(yīng)（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱AMR）。磁場作用效果下圖。

坡莫合金的AMR效應(yīng)

磁阻變化值與角度變化的關(guān)系

薄膜合金的電阻R就會(huì)因角度變化而變化，電阻與磁場特性是非線性的，且每一個(gè)電阻并不與唯一的外加磁場值成對應(yīng)關(guān)系。從上圖中，我們可以看到，當(dāng)電流方向與磁化方向平行時(shí)，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時(shí)，一般磁阻工作于圖中線性區(qū)附近，這樣可以實(shí)現(xiàn)輸出的線性特性。

AMR磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)由四個(gè)磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經(jīng)電阻。當(dāng)施加一個(gè)偏置磁場H在電橋上時(shí)，兩個(gè)相對放置的電阻的磁化方向就會(huì)朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩個(gè)電阻的阻值會(huì)增加；而另外兩個(gè)相對放置的電阻的磁化方向會(huì)朝與電流相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，該兩個(gè)電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號，可以得到外界磁場值。

AMR磁阻傳感器等效電路

AMR磁阻傳感器如何“施展拳腳”？

各向異性磁阻傳感器的測量范圍正好是以地球磁場分布范圍為中心，最適合工作在地球磁場環(huán)境下的磁傳感器。其采用常見的坡莫合金，具有精度高，體積小，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且工藝上只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的制造設(shè)備，適合批量生產(chǎn)和更迎合消費(fèi)類電子市場的需求。

AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場范圍內(nèi)的磁場低于1高斯。傳感器可用來檢測一些鐵磁性物體如飛機(jī)、火車、汽車。其它應(yīng)用包括磁羅盤、旋轉(zhuǎn)位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實(shí)景中的頭部軌跡跟蹤。

導(dǎo)航功能

磁傳感器最初是利用其磁性來作為航海指南針。磁傳感器和加速度計(jì)可以組成電子羅盤，是測量方位角比較經(jīng)濟(jì)的一種電子儀器。如今電子羅盤廣泛應(yīng)用于汽車和手持電子羅盤，手表，手機(jī)，對講機(jī)，雷達(dá)探測器，望遠(yuǎn)鏡，探星儀，穆斯林麥加探測器（穆斯林鐘），手持 GPS 系統(tǒng)，尋路器，武器/導(dǎo)彈導(dǎo)航（航位推測），位置/方位系統(tǒng)，安全/定位設(shè)備，汽車、航海和航空的高性能導(dǎo)航設(shè)備，電子游戲機(jī)設(shè)備等需要方向或姿態(tài)顯示的設(shè)備。

- 車輛管制功能

由于地球是個(gè)巨大的磁場，當(dāng)車輛這類大磁體通過時(shí)，會(huì)引起地磁場局部的擾動(dòng)。磁傳感器可以探測到車輛的存在，行駛方向，行駛速度，車輛大小等。因此，地下車庫可以計(jì)算剩余車位數(shù)量，可以監(jiān)測道路車流量情況，為人們的出行提供道路和停車信息。在當(dāng)前大力發(fā)展的“智慧城市”中，將會(huì)有很重要的作用！

地磁探測

各向異性磁阻傳感器可以用來辨別埋藏物質(zhì)的。磁阻傳感器是利用薄膜合金遇到磁場會(huì)產(chǎn)生磁阻值變化的性質(zhì)，當(dāng)電橋遇到不同強(qiáng)度的磁場時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的電壓輸出，將磁性信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。面對密布于城市各個(gè)角落的地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)打漏管線情況，進(jìn)而造成漏水、漏氣、停電等事故，該應(yīng)用有現(xiàn)實(shí)意義。

ARM在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

協(xié)作機(jī)器人是指在共享空間中與人類互動(dòng)或近距離地與人一起安全工作以生產(chǎn)東西的機(jī)器人。1978年，日本廣島一家工廠的切割機(jī)器人在切鋼板時(shí)將一名值班工人當(dāng)作鋼板操作，導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生，自那時(shí)起工業(yè)機(jī)器人的安全性就成為了所有機(jī)器人研發(fā)人員一直在努力解決的問題。而從1996年世界上第一臺商業(yè)化人機(jī)協(xié)作機(jī)器人WAM機(jī)械臂于美國誕生以來，又一個(gè)核心問題始終困擾著研發(fā)者——如何在實(shí)現(xiàn)安全化的同時(shí)，提升生產(chǎn)效率并降低成本。

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作為機(jī)電系統(tǒng)的一種外在表現(xiàn)形式，工業(yè)協(xié)作機(jī)器人的機(jī)械臂通常通過變速箱連接到電機(jī)，而要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制和高效換向，高分辨率電流和旋轉(zhuǎn)位置信息至關(guān)重要。一般而言，在基于旋變器的系統(tǒng)中，分辨率和精度可能非常高，但終端解決方案可能價(jià)格昂貴且體積較大；無傳感器方案也可用于檢測反電動(dòng)勢電流，而且還能降低傳感器重量和成本，但是電機(jī)啟動(dòng)性能可能是個(gè)問題；利用三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器檢測電機(jī)磁體的位置則通常用于對成本敏感的應(yīng)用中，由于需要監(jiān)控三個(gè)信號，往往會(huì)產(chǎn)生空間和安裝難題。作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域半導(dǎo)體方案的專業(yè)廠商，ADI公司提供基于異性磁阻(AMR)技術(shù)的角度傳感器，借助ARM傳感器，不僅可實(shí)現(xiàn)高角度精度，而且可獲得非常小的傳感器子系統(tǒng)，并且能夠在電機(jī)總成內(nèi)定位傳感器。

?什么是AMR技術(shù)？

基于AMR理念的傳感器的材料電阻率取決于相對于電流方向的磁化方向。該傳感器通常沉積為薄膜透磁合金(磁性鐵鎳合金)。AMR傳感器在飽和狀態(tài)下工作，因此外部磁場對電阻變化起決定作用。外部磁場和電流方向平行時(shí)電阻最大，施加磁場與載流透磁合金的平面垂直時(shí)電阻最小。兩個(gè)獨(dú)立的惠斯登電橋配置以彼此呈45°的方式排列時(shí)，可實(shí)現(xiàn)角度傳感器，其正弦和余弦輸出取決于外部磁場方向。此配置可提供具有180°絕對測量范圍的傳感器。

AMR工作原理

在當(dāng)今的位置檢測技術(shù)中，各向異性磁阻(AMR)薄膜材料變得日益重要。相比傳統(tǒng)技術(shù)，磁阻(MR)位置測量具有多種優(yōu)勢?？煽啃浴⒕群驼w魯棒性是推動(dòng)磁阻檢測技術(shù)快速發(fā)展的主要因素。低成本、相對較小的尺寸、非接觸式操作、寬溫度范圍、對灰塵和光的不敏感性、寬磁場范圍，這些特性共同造就出一種魯棒的傳感器設(shè)計(jì)。

?決定機(jī)器人精度和可重復(fù)性規(guī)格的因素

當(dāng)機(jī)器人處于工作狀態(tài)時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度往往非?？欤啾戎?，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度要慢得多。位置傳感器通常安裝在電機(jī)本身上，送回機(jī)器人控制器的關(guān)節(jié)角度解讀結(jié)果會(huì)顯示關(guān)節(jié)的位置，然后從電機(jī)角度傳感器直接解釋，或在機(jī)械臂一側(cè)進(jìn)行解釋。在機(jī)械臂一側(cè)的情況下，電機(jī)角度傳感器將被用來控制電機(jī)速度。還有一個(gè)安全制動(dòng)器，當(dāng)斷電時(shí)它會(huì)將機(jī)械臂固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，以免整個(gè)機(jī)械臂倒塌。

工業(yè)機(jī)器人架構(gòu)

可重復(fù)性是機(jī)器人設(shè)計(jì)中最常使用的術(shù)語之一，一旦機(jī)械臂始終回到同一位置，用戶就可以在任務(wù)開始時(shí)對其進(jìn)行校準(zhǔn)，然后便知道它會(huì)保持一致。人們經(jīng)常使用精度一詞代替可重復(fù)性，它是重復(fù)性任務(wù)（例如機(jī)器人技術(shù)）中最重要的規(guī)格和關(guān)鍵參數(shù)之一。具有高重復(fù)性的系統(tǒng)經(jīng)校準(zhǔn)后可實(shí)現(xiàn)很高的絕對精度。

了解可重復(fù)性規(guī)格和機(jī)器人的作用范圍之后，我們就可以推斷旋轉(zhuǎn)編碼器的規(guī)格。伺服電機(jī)上和機(jī)器人關(guān)節(jié)上一般都有編碼器，變速箱通過提高扭矩，將電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成受控的低慣性臂運(yùn)動(dòng)。由于機(jī)器人中有多個(gè)關(guān)節(jié)，而且要考慮機(jī)械公差，因此組合多個(gè)關(guān)節(jié)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在傳感器下的總體作用范圍時(shí)，關(guān)節(jié)的性能應(yīng)比目標(biāo)角度重復(fù)性規(guī)格更高。

機(jī)器人架構(gòu)中的編碼器

具備高可靠性&精確位置信息的 AMR傳感器

ADI可提供ADA4571 AMR角度傳感器形式的位置傳感器以用于成熟的磁編碼器解決方案。借助高精度位置反饋信息，ADA4571可提高電機(jī)換向效能，改進(jìn)對扭矩和速率性能的控制，在低轉(zhuǎn)速應(yīng)用中尤其如此。該款傳感器還支持最高50,000 RPM的電機(jī)轉(zhuǎn)速，而角度直接測量原理則可降低振動(dòng)和噪聲效應(yīng)，從而消除對電機(jī)性能的影響。完善的扭矩控制能力則有利于提高電機(jī)效率，減少排放和散熱，并能延長電機(jī)壽命。除此以外，低相位延遲(2μs)則可實(shí)現(xiàn)快速閉環(huán)控制，提高工業(yè)伺服電機(jī)、機(jī)器人、電動(dòng)轉(zhuǎn)向等高動(dòng)態(tài)應(yīng)用中的響應(yīng)能力。

什么是AMR？

AMR是Anisotropic Magneto Resistance的縮寫，意為各向異性磁電阻。這是一種具有施加磁場后電阻減少功能的元件，其功能取決于磁力線相對于元件的方向（各向異性）。

AMR元件的材料采用強(qiáng)磁性金屬。

AMR元件的材料采用Ni、Fe等合金而成的強(qiáng)磁性金屬。

由于具有正側(cè)和負(fù)側(cè)對稱的特性，因此即使磁鐵的N和S反轉(zhuǎn)，也可執(zhí)行相同的動(dòng)作。利用此特性，可以非接觸方式獲取高精度、可靠的數(shù)據(jù)。此外，利用可進(jìn)行這種非接觸式檢測的特點(diǎn)，還可將其靈活運(yùn)用于打開、關(guān)閉檢測和旋轉(zhuǎn)檢測、位置檢測等各種應(yīng)用。

輸出類型:數(shù)字輸出

傳感器在與IC和AMR元件相同的基板上形成。通過IC對AMR元件的模擬信號進(jìn)行數(shù)字處理，實(shí)現(xiàn)了Hi、Lo級別的數(shù)字輸出，因此客戶無需進(jìn)行信號處理。

何為AMR（磁力）傳感器的靈敏度？

AMR傳感器的靈敏度是AMR傳感器打開（或關(guān)閉）時(shí)的磁力強(qiáng)度。在0（零）或弱磁場中處于關(guān)閉狀態(tài)的AMR傳感器打開時(shí)的磁力被稱為ON靈敏度（Hon），而在強(qiáng)磁場中處于打開狀態(tài)的AMR傳感器關(guān)閉時(shí)的磁力則被稱為OFF靈敏度（Hoff）。各AMR傳感器的靈敏度之間存在差異，數(shù)據(jù)表上的Hon、Hoff僅表示該產(chǎn)品所處范圍。

AMR傳感器的優(yōu)勢是什么？

靈敏度和尺寸種類豐富

AMR傳感器的靈敏度、響應(yīng)能力和消耗電流的種類繁多，因此您可按用途選擇最適合您的產(chǎn)品。

適用于靈活的配置和設(shè)計(jì)

即使AMR（磁力）傳感器的磁鐵N極和S極反轉(zhuǎn)，傳感器的動(dòng)作也不會(huì)改變。

與霍爾IC相比，這種小型、高精度AMR傳感器具有靈敏度范圍更廣的特性，因此磁鐵和傳感器的配置更加靈活，可以減少外殼和貼裝時(shí)的安裝誤差。

此外，由于AMR傳感器并非類似磁簧開關(guān)的結(jié)構(gòu)部件，因此可確保其小型、可靠的特性。

磁力傳感器的適用優(yōu)勢

磁力線是肉眼所看不見的。磁力線不會(huì)被塑料等非磁性材料吸收，而是穿透到另一面。磁力傳感器就是利用這些特征進(jìn)行檢測的。
例如，可輕松運(yùn)用于以下場景便是其一大優(yōu)勢。

小型且無法看到開關(guān)所在位置：筆記本電腦的打開、關(guān)閉檢測和安全設(shè)備的動(dòng)作設(shè)定

最適用于注重密封的構(gòu)造物

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氣體和水等的旋轉(zhuǎn)檢測

易于實(shí)現(xiàn)防水結(jié)構(gòu)

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可穿戴終端的電源開關(guān)

AMR傳感器的原理：磁阻元件

磁阻元件的電阻在與電流方向垂直的磁場中會(huì)發(fā)生變化。AMR傳感器通過如圖所示的模式配置后，即可組合電阻會(huì)發(fā)生變化的元件（R1、R4）與電阻無變化的元件（R2、R3）。

AMR傳感器的動(dòng)作

施加磁場后，磁阻元件R1、R4的電阻值將下降，且中點(diǎn)A和中點(diǎn)B之間的電位將產(chǎn)生差異。

當(dāng)電位差超過規(guī)定的設(shè)置值（閾值）時(shí)，將切換傳感器的ON/OFF輸出。

傳感器內(nèi)直方圖

3端子結(jié)構(gòu)

磁塊為單個(gè)IC封裝，用于將AMR元件及其輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
3端子結(jié)構(gòu)包括輸入端子（VCC）、GND端子（GND）、輸出端子（OUT），采用了搭載抑制消耗電流的采樣電路結(jié)構(gòu)。

防震動(dòng)

震動(dòng)是指切換繼電器或開關(guān)觸點(diǎn)時(shí)，由于細(xì)微且極快的機(jī)械震動(dòng)導(dǎo)致電力信號反復(fù)中斷的現(xiàn)象，是造成電子電路故障的原因之一。

為防止震動(dòng)的產(chǎn)生，已使工作磁場具有磁滯。

若磁鐵靠近傳感器且磁場超過MOP時(shí)，OUT即由H變?yōu)長。
若磁鐵遠(yuǎn)離傳感器且磁場低于MRP時(shí)，OUT即由L變?yōu)镠。

與霍爾IC的區(qū)別

磁鐵采用小巧輕薄的設(shè)計(jì)

AMR傳感器可使用的磁場范圍更廣，因此檢測范圍也更廣。

因其檢測范圍較廣，所以可減少外殼公差和貼裝時(shí)的誤差。與霍爾IC相比，具備磁鐵可采用小巧輕薄的設(shè)計(jì)等優(yōu)勢。

磁鐵方向的不同

磁鐵在傳感器正上方時(shí)，霍爾IC的磁鐵配置為垂直放置，而AMR則為水平放置。二者的磁場檢測方向有所不同。

由于磁鐵磁極附近的磁力較強(qiáng)，所以縱向放置磁鐵時(shí)，若附近有信用卡等磁力數(shù)據(jù)，則有可能影響卡中的數(shù)據(jù)，而對于智能手機(jī)和筆記本電腦等無法垂直放置磁鐵的電子設(shè)備，AMR則會(huì)顯示出優(yōu)勢。（水平放置并不意味著磁力數(shù)據(jù)不會(huì)消失。）

設(shè)計(jì)自由度

為檢測水平磁場，可以考慮多種AMR傳感器的放置方式，從而增加了設(shè)計(jì)自由度。

而霍爾IC通常定點(diǎn)檢測垂直方向的磁場，因此會(huì)建議您將磁鐵就近安裝在霍爾IC的正上方，這就會(huì)限制設(shè)計(jì)自由度。

AMR傳感器與霍爾IC的對比表

檢測原理

傳感器材料

檢測方向

檢測范圍

與磁簧開關(guān)的區(qū)別

靈敏度波動(dòng)更小，小型且抗沖擊

與磁簧開關(guān)相比，AMR傳感器由于靈敏度波動(dòng)較小，因此具有磁鐵和傳感器配置設(shè)計(jì)的自由度更高的優(yōu)勢。

此外，因磁力傳感器尺寸較小，且可縮小您所使用的電路板并進(jìn)行表面貼裝，因此有助于降低貼貼成本。同時(shí)，由于磁力傳感器比磁簧開關(guān)更抗震、抗沖擊，因此具有易操作的優(yōu)勢，而其無觸點(diǎn)的特征還會(huì)增加使用壽命。

磁場檢測方向相同

由于磁場檢測方向相同，因此在磁簧開關(guān)中使用的磁鐵有可能直接適用于AMR傳感器。

然而需注意的是，由于AMR傳感器的開關(guān)本身存在電路，需有電源才能運(yùn)作，所以布線數(shù)量會(huì)有所不同，或傳感器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生消耗電流。

AMR傳感器與磁簧開關(guān)的對比表

尺寸

易貼裝性

靈敏度波動(dòng)

抗震動(dòng)、抗沖擊

設(shè)計(jì)自由度

產(chǎn)品壽命

指向性

線制

反彈時(shí)間

最大驅(qū)動(dòng)頻率

審核編輯：劉清