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1、齿轮转速速传感器感器巨磁阻传感器应用齿轮转速传感器01巨磁阻效应04巨磁阻传感器工作原理03巨磁阻传感器结构02巨磁阻传感器材料目录/ contents齿轮传感器实际应用0605齿轮传感器电路原框图齿轮转速传感器巨磁阻效应齿轮转速传感器巨磁阻效应巨磁阻效应磁阻效磁阻效应的一种，可以在磁性材料和非的一种，可以在磁性材料和非磁性材料相磁性材料相间的薄膜的薄膜层（几个（几个纳米厚）米厚）结构中构中观察到。察到。这种种结构物构物质的的电阻阻值与与铁磁性材料薄磁性材料薄膜膜层的磁化方向有关，两的磁化方向有关，两层磁性材料磁磁性材料磁化方向相反情况下的化方向相反情况下的电阻阻值，明，明显大于大于磁化方向相
2、同磁化方向相同时的的电阻阻值，电阻在很弱阻在很弱的外加磁的外加磁场下具有很大的下具有很大的变化量。化量。齿轮转速传感器巨磁阻传感器的材料齿轮转速传感器巨磁阻多层膜巨磁阻多层膜巨磁阻效巨磁阻效应多多层膜膜结构是由构是由铁磁磁层、非、非磁性磁性层和和铁磁磁层组成的三明治成的三明治结构，构，铁磁金属中的磁金属中的传导电流由自旋向上和自旋流由自旋向上和自旋向下的向下的电子分子分别传输。当当传导电子的自旋方向与区域磁矩取向子的自旋方向与区域磁矩取向平行平行时，受到的散射小，因而，受到的散射小，因而电阻率低；阻率低；而当而当传导电子的自旋方向与区域磁矩取子的自旋方向与区域磁矩取向反平行向反平行时，受到的散
3、射大，因而，受到的散射大，因而电阻阻率高。率高。因此，在多因此，在多层膜膜结构中，构中，传导电子在不子在不同外磁同外磁场作用下的运作用下的运动情况是不同的。情况是不同的。 齿轮转速传感器巨磁阻自旋阀巨磁阻自旋阀当当铁磁被磁被钉扎扎层和和铁磁自由磁自由层的磁矩平的磁矩平行行时，自旋，自旋阀电阻阻值小；当施加外部反小；当施加外部反向磁向磁场时，铁磁自由磁自由层的磁矩的磁矩发生反生反转，两磁性两磁性层的磁矩反平行排列，自旋的磁矩反平行排列，自旋阀电阻大。阻大。自旋自旋阀阻阻值大小取决于自由大小取决于自由层磁矩是否磁矩是否反反转，故称，故称这类巨磁阻巨磁阻为自旋自旋阀。 铁磁和反磁和反铁磁材料（如磁材
4、料（如MnFeMnFe或或NiONiO）之之间由于存在交由于存在交换耦合作用可以形成一耦合作用可以形成一个偏个偏转场，该偏偏转场会将被会将被钉扎扎层的磁的磁化方向固定住，使得磁性化方向固定住，使得磁性钉扎扎层的磁化的磁化方向在一定的磁方向在一定的磁场范范围内不随外磁内不随外磁场发生生转动。因而，外磁。因而，外磁场可以可以较方便地改方便地改变自由自由层磁化方向。磁化方向。齿轮转速传感器巨磁阻传感器的结构齿轮转速传感器巨磁阻传感器的结构巨磁阻传感器的结构巨磁阻巨磁阻传感器是利用感器是利用现代集成器件工代集成器件工艺将四个材料相同阻将四个材料相同阻值相等的多相等的多层膜或自膜或自旋旋阀巨磁阻巨磁阻电
5、阻，以惠斯通阻，以惠斯通电桥的形式的形式连接起来构成的。接起来构成的。其中其中 R2 和和 R4 被被 NiFe 磁屏蔽磁屏蔽层屏蔽，屏蔽，R1 和和 R3 没有被屏蔽。没有被屏蔽。齿轮转速传感器巨磁阻传感器的工作原理齿轮转速传感器巨磁阻传感器的工作原理巨磁阻传感器的工作原理当有外磁当有外磁场作用作用时，R2 和和 R4 的的电阻阻不会不会发生生变化，只有化，只有 R1 和和 R3 的的电阻阻发生生变化，从而使化，从而使电桥的的输出出发生生变化。化。这样，整个，整个电桥的的输出即反映外磁出即反映外磁场的的大小。大小。这种种桥式式结构构还可以提供可以提供较好的温度好的温度补偿，使得芯片的温度漂移
6、，使得芯片的温度漂移较小。小。齿轮转速传感器巨磁阻传感器的工作原理巨磁阻传感器的工作原理NiFe 磁屏蔽磁屏蔽层的作用不的作用不仅是可以使得是可以使得 R2 和和 R4 的的电阻在外磁阻在外磁场的影响下不的影响下不发生生变化化NiFe 磁屏蔽磁屏蔽层的另外一个重的另外一个重要的作用就是，它能要的作用就是，它能够把任意方向的外把任意方向的外磁磁场都偏置到垂直于都偏置到垂直于 R1 和和 R3 电阻的阻的方向分布在垂直于方向分布在垂直于电阻阻 R1 和和 R3 方向方向上的磁上的磁场的的变化。化。NiFe 磁屏蔽磁屏蔽层的的这种能种能够偏置外磁偏置外磁场方方向的作用使得巨磁阻芯片只向的作用使得巨磁
7、阻芯片只对某一方向某一方向的外磁的外磁场最敏感，最敏感，这时桥式式结构的构的输出出电压信号最大。信号最大。这个巨磁阻芯片最敏感个巨磁阻芯片最敏感的磁的磁场方向就是芯片的磁敏感方向就是芯片的磁敏感轴方向。方向。齿轮转速传感器巨磁阻传感器的工作原理巨磁阻传感器的工作原理当所加外磁当所加外磁场的方向与巨磁阻芯片的磁的方向与巨磁阻芯片的磁敏感敏感轴方向不平行方向不平行时，芯片，芯片对磁磁场的敏的敏感度会降低。感度会降低。假假设 S0是外磁是外磁场方向与磁敏感方向与磁敏感轴平行平行时巨磁阻芯片的灵敏度，巨磁阻芯片的灵敏度，S 是外磁是外磁场方方向偏离巨磁阻芯片的磁敏感向偏离巨磁阻芯片的磁敏感轴夹角角为
8、时芯片的灵敏度，芯片的灵敏度，则有有 S = S0 * cos齿轮转速传感器齿轮传感器原理框图齿轮转速传感器齿轮传感器原理框图齿轮传感器原理框图所研制的巨磁阻所研制的巨磁阻齿轮转速速传感器主要由巨磁阻芯片、永磁体和信号感器主要由巨磁阻芯片、永磁体和信号处理理电路路三部分三部分组成成齿轮是由是由导磁材料做成的，易被永磁体磁化。磁材料做成的，易被永磁体磁化。巨磁阻芯片的磁敏感巨磁阻芯片的磁敏感轴方向沿方向沿齿轮运运动方向。被磁化的方向。被磁化的齿轮在在转动过程中会程中会使分布在巨磁阻芯片周使分布在巨磁阻芯片周围的磁的磁场信号信号发生周期性生周期性变化。巨磁阻芯片可以灵敏化。巨磁阻芯片可以灵敏地感地
9、感应这个微弱个微弱变化的磁化的磁场信号，并把它信号，并把它转换输出出为相相应的的电压信号。信号。把把这个个电压信号再信号再经过一定的信号放大和比一定的信号放大和比较电路路处理后，可以得到理后，可以得到标准的准的方波信号方波信号输出。利用出。利用输出信号方波的出信号方波的频率与被率与被测齿轮齿数之数之间存在的关系，存在的关系，即可以得到即可以得到齿轮的相的相应转速。速。 齿轮转速传感器齿轮传感器的实际应用齿轮转速传感器巨磁阻传感器的实际应用巨磁阻传感器的实际应用在理想情况下，当在理想情况下，当选用多用多层膜巨磁阻芯膜巨磁阻芯片做片做转速速传感器探感器探头时，齿轮每每转过一一个个齿周期，周期，该探
10、探头的的输出曲出曲线如右如右图所所示。信号示。信号经后后续调理理电路路处理后可理后可输出出两个方波信号，呈两个方波信号，呈现双极特性。双极特性。永磁体与巨磁阻芯片相永磁体与巨磁阻芯片相对位置的有偏差位置的有偏差时，多，多层膜巨磁阻芯片的工作磁膜巨磁阻芯片的工作磁场区区间偏置到了其偏置到了其单边线性区性区间，齿轮每每转过一个一个齿周期，信号周期，信号经后后续调理理电路路处理理后只后只输出一个方波信号。出一个方波信号。自旋自旋阀巨磁阻芯片巨磁阻芯片输出信号是有正出信号是有正负区区别的。即使永磁体与巨磁阻芯片的相的。即使永磁体与巨磁阻芯片的相对位置有偏差，位置有偏差，齿轮每每转过一个一个齿周期，周期，信号再信号再经后后续调理理电路路处理后只理后只输出一出一个方波信号。个方波信号。齿轮转速传感器巨磁阻传感器的实际应用巨磁阻传感器的实际应用如果巨磁阻如果巨磁阻齿轮转速速传感器的感器的输出脉冲出脉冲信号信号频率用率用 f 表示，表示，齿轮的的转速用速用n(r/min)表示，表示，齿轮的的齿数用数用 Z 表示，表示，则有有 f = nZ / 60 即可根据所得即可根据所得频率求出率求出转速速齿轮转速传感器巨磁阻传感器的实际应用巨磁阻传感器的实际应用齿轮转速传感器齿轮转速传感器
