磁场测量的新看法
陈寰 2012.2.12
通过感应地球磁极，人们能在杳无人迹的的大洋上掌握航向，这便是磁场测量的最早应用。如今磁场测量得到了极大地发展，并出现了各式各样的磁传感器，用来检测磁场的存在、强度及方向，测量领域也涵盖了地磁、永磁体、磁化软磁铁、车辆扰动、脑电波、电流产生的磁场等各个方面。磁传感器可以不用直接接触就能测量这些特性，并在众多工业以及航向控制方面发挥着重要作用。这篇论文讲述了几种磁场测量的方法以及这些传感器是如何工作并集成哪些功能。最后，系统地展示了磁场测量的一些应用。
简介
磁传感器被良好应用已经有了超过2000年的历史了。早期应用在寻找方向或是导航方面。如今，磁传感器仍然是导航的主要方法并且其他方面的应用也得到了发展。为了获得更大的灵敏度，更小的尺寸，以及与电子系统的兼容性，使得磁场感应技术不断发展。本文概述了各种类型的磁传感器以及他们的应用。目的不是说如何构建磁传感器系统，更多讲述的是这种传感器本身以及它是如何勘测磁场的。这里着重介绍了一种新型的基于硅的磁传感器—各向异性磁阻（AMR ）摘要
和巨磁阻（GMR ），以及它们的应用。
使用磁传感器来测量磁场通常不是我们的初衷，其它的的参数如轮速、磁性油墨的存在、车辆检查以及航向检测也是所需要的。这些参数不能直接测得，但是却可以同过磁场的变化或是扰动得出。图1表明其他传感器，像是温度、压力、张力、或亮度等这些参数都可以使用合适的传感器直接测得。
图1. 常规传感器与磁感应传感器
另一方面，使用磁传感器测量方向、存在性、自转、角度以及电流时获得的都是间接数据。首先，定制的输入必须产生或者改变一个磁场。电线中的电流、永磁体或是感应地磁场都能产生这个场。一旦传感器检测到或是改变了这个场，通过将输出信号做相应的处理就可以转化为所需要的参数值。这不仅使得磁感应应用起来有点困难，而且也要对那些难以感应到的数据做到准确可靠的测量。
根据各种磁感应传感器测量磁场的范围不同，可将它们分类。那么我们可以将这些传感器分为以下三种—弱磁场、中磁场和强磁场。本文将能检测到低于1微高斯的传感器称为弱磁场传感器，高于1微高斯低于10高斯称为地磁场传感器，高于10高斯的则称为偏置磁场。
表
1列举了各种传感器技术并述了它们的测量范围。
表1. 各种传感器技以及测量范围
接下来的部分讲述了几种磁场传感器和它们工作所遵循的物理定律以及这些定律在传感器中的具体体现。磁场是矢量，它既有大小又有方向。磁传感器测量磁场大小方式多种，一些磁力仪可以测得磁场大小却不能测量磁场方向（标量传感器），其他则是测量磁极附近的磁场大小（全方位传感器），这些测量方式有的也包含了方向测量（双向传感器）。矢量磁传感器有2到3个双向传感器。一些磁传感器设立了阈值，只有当超过阈值时才有输出。下面要将到的磁传感器的类型既包括了旧技术如磁簧开关、可变磁阻传感器、磁通门磁力计、磁电感传感器、霍尔器件等也包括了新技术如各向异性磁阻AMR 和巨磁阻GMR 。
一、弱磁场传感器（低于1微高斯）
弱磁场传感器广泛用于医学和军事侦察方面。与其他磁场感应传感器比起来，他们相对笨重而且昂贵。必须要考虑到地磁场的影响，因为地磁场的日变化可能会超过弱磁场传感器的测量范围。
SQUID （超导量子干涉器）
最灵敏的弱磁场传感器非超导量子干涉器（SQUID ）莫属。1962年，Brian J. Josephson在测量临界点的极弱电流时发明了这种技术。SQUID 磁力计测量磁场的范围从几飞特斯拉（FT ）到9特斯拉（T ）。这个范围超过了15个数量级！这是能用于医疗领域的关键，因为人类脑磁场的强度只有十分之几FT, 这比地磁场弱了108倍。这项技术需要冷却到液氦的温度（4K ），同时高温技术正在发展中。SQUID 器件，像德国FIT 公司和日本Shimadzu 公司研发的HS07。很多研究所和大学都在使用SQUID 磁力计来研究磁性材料的特性。
Search-Coil （探查线圈）
另一种常见的弱磁场传感器时基于法拉第电磁感应定律的探查线圈—线圈中产生的感应电动势与磁场的变化率成正比。而这个感应电动势产生的感应电流便与磁场变化率成正比。而线圈灵敏度取决于磁芯的磁导率、线圈面积和线圈匝数。为了正常工作，线圈必须放在一个不断变化的磁场中或是在磁场中移动。这些就限制了探查线圈只能用于静态或是缓慢变化的磁场领域。而这些传感器通常用于道路交通控制信号，成本低廉而且易于制造。
其他弱磁场传感器
其它弱磁场传感器技术包括核旋进磁力计、光泵磁力计、光纤磁力计。这些精密仪器用于实验研究和医疗领域。例如，核旋进磁力计很长时间的稳定性可以低达50PT/year（皮特斯拉每年）
二、地磁场传感器（1微高斯到10高斯）
借用地球本身存在的磁场作为介质，这些地磁场传感器应用得很好。几个运用地磁场的例子分别是利用指南针来确定航向，车辆异常检测，以及通过测量磁场变化情况来确定偏航率。
磁通门
磁通门磁力计广泛用于北斗导航系统的传感器中。这种技术产生于1928年，之后军队改进后用于探测潜艇。磁通门传感器也用于地球物理勘探和空中磁场测绘。最常见的磁通门磁力计类型被称为2次谐波设备，这种设备包括2个线圈，初级线圈和次级线圈，共同缠绕在一个高磁导率的铁芯上。随着外部存在磁场的变换，磁芯的磁感应强度随之变化。给初级线圈加以一定频率（如10kHZ ）的驱动信号，使磁芯在饱和点之间振荡。次级线圈输出的信号通过磁芯与初级线圈相对应—见图2。
图2. 初级和次级线圈中的电压
一旦磁芯磁导率有任何变化，感应线圈输出信号都会变化并表现在幅度上。通过使用相位敏感探测器，解调感应信号并经低通滤波可以得到磁场的大小。另一方面，由于磁通改变引起饱和磁芯的松弛或是电阻发生变化，可以通过磁通门来感知这些变化，所不同的是这些变化是由外部磁场引起的。
通过精心设计，磁通门磁力计可以感应出数万微高斯的信号。磁通门可以测量静态磁场的大小和方向，受到驱动频率（10kHZ ）的限制，其上限频率被限制在1kHZ 左右。他们往往也是笨重，而且还不及那些小型、高集成度传感器坚固耐用。
磁感应
磁感应磁力计相对较新，专利最早在1989年发行。传感器结构简单，在一个磁导率可变的铁芯上绕上单线圈，并将其放置于地磁场中。感应线圈是构成一个LR 振荡器。振荡器的频率与被测磁场成正比。给线圈通一定的偏置电流，使其工作在线性区（如图3）。在磁场中将
图3. 磁感应（MI ）传感器电路
传感器旋转90°，输出信号频率的变化量可能高达100%，微处理器调制振荡频率用来测量磁场大小。这些磁力计设计简单，价格低廉，功耗也低。它们多用于精确导航中，工作温度在-20℃~70℃，精度在千分之四高斯。这些传感器尺寸较小，形状特别，一般不用于自动控制和轴线校准系统中。
各向异性磁阻
William Thompson以及之后的Lord Kelvin，1856年首先观测到强磁性金属中的磁阻效应。直到超过100年后，这个发现才在薄膜技术制造的传感器中得到应用。磁阻（MR ）传感器组成结构多种多样。MR 最新应用是用来高速读取高密度光盘或磁带中的信息。
其他常见的应
用包括：汽车车轮转速、曲轴感应、罗盘导航、车辆检测、电流检测等多个方面。
应用各向异性磁阻（AMR ）传感器可以很好地测量地磁场。AMR 可以感知直流静态磁场，并能测得其强度和方向。这种传感器是用镍铁（坡莫合金）电阻薄膜沉积在硅片上形成。存在磁场的话，AMR 的这种薄膜特性就会引起电阻发生2-3%的改变。通常，将四个电阻连接成惠斯登电桥，可以沿着一个轴测出磁场的大小和方向。对于一般的AMR 传感器，带宽在1-5MHZ 之间。磁阻效应的反应很快，并且不受线圈或振荡频率限制。AMR 的主要好处是能够在硅片上制造散装晶片，并能封装在商业集成电路中。这样传感器就可以与其他电路和系统组装起来。生产AMR 传感器的几家公司有Philips 、HL Planar和Honeywell 。
图3.AMR 传感器电路
AMR 传感器特性
在地磁场中，AMR 传感器能出色地测量角位置和位移，并能保证线性性。坡莫合金沉积在硅衬底上形成各种电阻桥，高度可预测的输出能很好的反应出外界的磁场。比起电气或机械设备，AMR 传感器成本低、灵敏度高、体积小、抗干扰能力强并且可靠性高。适应性强，易于组装，正是这些优点解决了实际应用中的各种问题。
绝大多数AMR 传感器都是通过坡莫合金（镍铁）薄膜沉积在硅片上形成惠斯登电桥。电桥的电阻一般是1K Ω
图4.AMR 输出传递曲线
当薄膜的磁畴呈一个方向排列时，AMR
的薄膜性能表现良好。这可
以保证很高的灵敏度和很好的重复性，并且滞后是最小的。在制造的过程中，将薄膜放置在一个强磁场中。这个磁场决定了坡莫合金中磁化矢量M 或者易磁化轴的方向（见图6）。在薄膜中，矢量M 与电阻纵向平行，并且可以被设置成任意方向，向左或是向右。试想此刻如果有电流以45°夹角流经薄膜，也就是说电流与磁化矢量M 之间有个夹角θ。坡莫合金薄膜的特性与磁化矢量M 和流经薄膜的电流密切相关。图6解释了这个特性，当电流方向平行于磁化矢量M 时，薄膜的电阻最大。
如果沿薄膜法向施加外部磁场，磁化矢量M 会发生偏转，夹角θ随之改变。这就会引起电阻（DR/R）和惠斯登电桥的输出电压发生变化。坡莫合金的这种变化被称为磁阻效应，与电流和磁化矢量的夹角直接相关。
图6. 磁阻效应
图7是电阻的变化率与磁轴夹角之间的关系曲线，可以发现这条曲线关于纵轴对称并且在45°附近是线性的。让电流与磁轴成45°穿过薄膜，这种方法称作baiber 偏置。借助低阻技术在薄膜上形成横向短路栅。电流沿着最短路径穿过薄膜，并以45°的夹角流向最近的栅。
图7. 磁阻效应与角度θ的关系
由于外界磁场的存在，坡莫合金的磁阻特性使得桥臂上的电阻发生变化，使得输出电压随之变化，正如图5所示。电桥的灵敏度往往表示成mV V Oe，中间的电压是电桥电压，Vb 。设置电桥为5V ，那么相应的灵敏度就是3mV V Oe，输出增益是15mV Oe。设计合适的电桥放大电路，可以将灵敏度达到1微伏级别。这是处于67微特或是1500分之一特斯拉的磁场中。如果将输出电压放大67倍，总的灵敏度可以达到1V/gauss（=67×15mV/gauss）。如果需要满刻度达到±2gauss，这就意味着如果输出峰峰值是4V
并且电桥中心电压为
2.5V 的话，相应输出便是0.5V~4.5V。这个信号电平适合绝大多数AD 转换器。使用AMR 传感器和放大器，可以精确测量磁场大小和方向。
图8通过一个由4个电阻组成的惠斯登电桥阐述了这个效应。
图8.AMR Barber极偏压
任何一个由铁磁性材料做的磁传感器都可以用来感知磁场的扰动。对于AMR 传感器，扰动的磁场会打破原本坡莫合金薄膜里的磁化排列方式，这一点对传感器来说是至关重要的。要使输出信号周期性、低噪声、低磁滞，向量M 的大小和方向是必不可少的。图9 是AMR 在受到磁场扰动时，薄膜中磁畴排列发生的变化。坡莫合金带中磁畴方向被打乱成随机状态，从而影响传感器正常工作如图6所示。
图9.AMR 薄膜中的磁畴排列
为了恢复原来的磁场状态，必须用强磁场沿着坡莫合金薄膜的纵向充磁。几十纳秒内，原本随机排列的磁畴就会像图9中一样排列整齐。矢量M 恢复后，预计的磁阻效应就会发生。只要外界不存在干扰磁场，矢量M 会保持这种状态达数年之久。
一个常用的方法可以重组这些磁畴，那就是使用惠斯登电桥电阻周围的线圈。让一个较大的电流脉冲通过线圈，将会产生一个强度为60~100高斯的大磁场，并使矢量M 恢复。这个过程被称为是磁畴脉冲翻转。当然，以相反的电流脉冲作用于外部的线圈也能达到翻转的目的。在这种情况下，复位脉冲和磁畴都将指向顺磁的反方向。Philip 公司的KMZ-10A AMR传感器需要包绕一个外部线圈来产生或是重置磁场。
图10. 产生和重置翻转电路
霍尼韦尔系列AMR 传感器拥有片上专利，取代了外部线圈，并能同样产生和重置磁场。
AMR 传感器中的偏移衰减
在把AMR 传感器移植到特定应用中去之前，最好先了解怎样使用AMR 传感器。具体来说，
三、偏置磁场传感器（高于10高斯）
绝大多数工业传感器都使用永久磁铁作为探测源磁场。这些永久磁可以磁化传感器附近的磁性物质或使其产生偏置。然后传感器检测出总的磁场的变化。偏置磁场传感器要能测得比地磁场大得多的磁场，并且必须永远不能被外界强磁场所影响或者发生短暂的变化。这类传感器包括磁簧开关，锑化铟磁阻，霍尔器件，GMR 传感器。尽管这些传感器中，如磁阻，能够测得高达几个特斯拉的强磁场。其他的如GMR 传感器测量范围只有1毫高斯到1微高斯。
磁簧开关
磁簧开关可能是为工业控制所用的最简单的磁传感器。它由一对灵活的铁磁性接触圈组成，并放在一个充满惰性气体的容器（通常是玻璃）中。沿着磁化的长轴方向，磁场的作用使这个触点它能吸引另一个闭合电路的触点。由于在闭合和松开之间有一个相当大的迟滞，当磁场有一个小的波动时，传感器也不会受到影响。
磁簧开关不用维护，而且不会受到灰尘的影响，镀了铑的触点可以保证较长的使用寿命。磁簧开关的开关电流为0.1到0.2A ，开关电压为100到200V 。触点寿命（10mA 时）经测量在106到107磁左右。磁簧开关通常有常开（NO ），常闭（NC ）和C 类（SPDT ）接触这几种，也有弹簧锁簧开关。液态汞开关可以切换高达1A 的电流并且触点不会反弹。
成本低，简单可靠，零功耗，磁簧开关应用广泛。磁簧开关连上一个小的永久磁铁，这个简易的装置常用与安全系统中，用来监视门窗的开关。将磁铁贴到可以移动的那一部分，当与另一部分靠得很近时，就会激活磁簧开关。这种感应特性，使得磁簧开关越来越多的使用在汽车工业中。
洛伦兹力设备
在很多传感器中，半导体上的电荷载体得都用到了洛伦兹力或是霍尔效应。洛伦兹力方程描述了一个电荷量q 的带电粒子以速度v 在磁感
应强度为B 的磁场中运动时受到的力FL 的作用。
FL =q （v ×B ）
由于FL ，V 和B 都是矢量，他们都具有大小和方向。由于洛伦兹力FL 与速度V 和磁感应强度B 的叉乘成正比，那么其方向应该与两者都垂直，一个正电荷，在磁场中运动时受到的力是符合左手定则的，即让磁感线方向垂直穿过手心，大拇指与其他四指垂直，四指指向电荷运动方向，则大拇指就是洛伦兹力的方向。由于洛伦兹力的方向始终垂直于速度方向，故加速度也是垂直于速度方向，因此在没有其他外力作用下，带电粒子在磁场中的运动路径应是一条曲线。
霍尔效应是洛伦兹力作用在半导体材料上的结果。当给半导体材料板的两端加上电压时，载流电荷开始流动。如果同时在半导体材料板的垂直方向加上一个磁场，那么载流电荷就会在洛伦兹力的作用下向一侧偏转。直到使带电粒子受到电场力作用能足以抵消洛伦兹力。垂直于板子施加的电压称为霍尔电压。图15是霍尔效应的几何原理。
图15. 磁场以及外加电压作用于半导体板材时，电子和空穴受到的力以及路径的方向
巨磁阻（GMR ）器件
多层铁磁性或者非磁性金属薄膜的电阻率在磁场中会发生很大变化。这种现象最早是在1988年法国观察到。在磁场中可以发现电阻变化量高达70%。相比电阻变化才百分之几的各向异性磁阻（AMR ），这个现象被称为巨磁阻（GMR ）。两个铁磁性薄膜层被非磁性导电层分开，随着铁磁层的平行或是不平行，薄膜层的电阻会发生变化。两个磁性层磁矩方向如果相同，散射减少，平均自由路径变长，电阻较小；如果相反，散射较多，平均自由路径变短，电阻较大。图20以图表的形式显示了这些差异。为了使自旋相关散射成为总电阻的一个重要因素，层的厚度必须小于电子平均自由路径。许多铁磁体的平均自由程是几十纳米，所以层通常小于10nm （100Å）
。这并不奇怪，因为
GMR 是最近随着薄膜沉积系统的发展而观察到的。
图20.GMR “三明治”，两个磁性层中间夹一个非磁性层。
磁场测量的新看法
陈寰 2012.2.12
通过感应地球磁极，人们能在杳无人迹的的大洋上掌握航向，这便是磁场测量的最早应用。如今磁场测量得到了极大地发展，并出现了各式各样的磁传感器，用来检测磁场的存在、强度及方向，测量领域也涵盖了地磁、永磁体、磁化软磁铁、车辆扰动、脑电波、电流产生的磁场等各个方面。磁传感器可以不用直接接触就能测量这些特性，并在众多工业以及航向控制方面发挥着重要作用。这篇论文讲述了几种磁场测量的方法以及这些传感器是如何工作并集成哪些功能。最后，系统地展示了磁场测量的一些应用。
简介
磁传感器被良好应用已经有了超过2000年的历史了。早期应用在寻找方向或是导航方面。如今，磁传感器仍然是导航的主要方法并且其他方面的应用也得到了发展。为了获得更大的灵敏度，更小的尺寸，以及与电子系统的兼容性，使得磁场感应技术不断发展。本文概述了各种类型的磁传感器以及他们的应用。目的不是说如何构建磁传感器系统，更多讲述的是这种传感器本身以及它是如何勘测磁场的。这里着重介绍了一种新型的基于硅的磁传感器—各向异性磁阻（AMR ）摘要
和巨磁阻（GMR ），以及它们的应用。
使用磁传感器来测量磁场通常不是我们的初衷，其它的的参数如轮速、磁性油墨的存在、车辆检查以及航向检测也是所需要的。这些参数不能直接测得，但是却可以同过磁场的变化或是扰动得出。图1表明其他传感器，像是温度、压力、张力、或亮度等这些参数都可以使用合适的传感器直接测得。
图1. 常规传感器与磁感应传感器
另一方面，使用磁传感器测量方向、存在性、自转、角度以及电流时获得的都是间接数据。首先，定制的输入必须产生或者改变一个磁场。电线中的电流、永磁体或是感应地磁场都能产生这个场。一旦传感器检测到或是改变了这个场，通过将输出信号做相应的处理就可以转化为所需要的参数值。这不仅使得磁感应应用起来有点困难，而且也要对那些难以感应到的数据做到准确可靠的测量。
根据各种磁感应传感器测量磁场的范围不同，可将它们分类。那么我们可以将这些传感器分为以下三种—弱磁场、中磁场和强磁场。本文将能检测到低于1微高斯的传感器称为弱磁场传感器，高于1微高斯低于10高斯称为地磁场传感器，高于10高斯的则称为偏置磁场。
表
1列举了各种传感器技术并述了它们的测量范围。
表1. 各种传感器技以及测量范围
接下来的部分讲述了几种磁场传感器和它们工作所遵循的物理定律以及这些定律在传感器中的具体体现。磁场是矢量，它既有大小又有方向。磁传感器测量磁场大小方式多种，一些磁力仪可以测得磁场大小却不能测量磁场方向（标量传感器），其他则是测量磁极附近的磁场大小（全方位传感器），这些测量方式有的也包含了方向测量（双向传感器）。矢量磁传感器有2到3个双向传感器。一些磁传感器设立了阈值，只有当超过阈值时才有输出。下面要将到的磁传感器的类型既包括了旧技术如磁簧开关、可变磁阻传感器、磁通门磁力计、磁电感传感器、霍尔器件等也包括了新技术如各向异性磁阻AMR 和巨磁阻GMR 。
一、弱磁场传感器（低于1微高斯）
弱磁场传感器广泛用于医学和军事侦察方面。与其他磁场感应传感器比起来，他们相对笨重而且昂贵。必须要考虑到地磁场的影响，因为地磁场的日变化可能会超过弱磁场传感器的测量范围。
SQUID （超导量子干涉器）
最灵敏的弱磁场传感器非超导量子干涉器（SQUID ）莫属。1962年，Brian J. Josephson在测量临界点的极弱电流时发明了这种技术。SQUID 磁力计测量磁场的范围从几飞特斯拉（FT ）到9特斯拉（T ）。这个范围超过了15个数量级！这是能用于医疗领域的关键，因为人类脑磁场的强度只有十分之几FT, 这比地磁场弱了108倍。这项技术需要冷却到液氦的温度（4K ），同时高温技术正在发展中。SQUID 器件，像德国FIT 公司和日本Shimadzu 公司研发的HS07。很多研究所和大学都在使用SQUID 磁力计来研究磁性材料的特性。
Search-Coil （探查线圈）
另一种常见的弱磁场传感器时基于法拉第电磁感应定律的探查线圈—线圈中产生的感应电动势与磁场的变化率成正比。而这个感应电动势产生的感应电流便与磁场变化率成正比。而线圈灵敏度取决于磁芯的磁导率、线圈面积和线圈匝数。为了正常工作，线圈必须放在一个不断变化的磁场中或是在磁场中移动。这些就限制了探查线圈只能用于静态或是缓慢变化的磁场领域。而这些传感器通常用于道路交通控制信号，成本低廉而且易于制造。
其他弱磁场传感器
其它弱磁场传感器技术包括核旋进磁力计、光泵磁力计、光纤磁力计。这些精密仪器用于实验研究和医疗领域。例如，核旋进磁力计很长时间的稳定性可以低达50PT/year（皮特斯拉每年）
二、地磁场传感器（1微高斯到10高斯）
借用地球本身存在的磁场作为介质，这些地磁场传感器应用得很好。几个运用地磁场的例子分别是利用指南针来确定航向，车辆异常检测，以及通过测量磁场变化情况来确定偏航率。
磁通门
磁通门磁力计广泛用于北斗导航系统的传感器中。这种技术产生于1928年，之后军队改进后用于探测潜艇。磁通门传感器也用于地球物理勘探和空中磁场测绘。最常见的磁通门磁力计类型被称为2次谐波设备，这种设备包括2个线圈，初级线圈和次级线圈，共同缠绕在一个高磁导率的铁芯上。随着外部存在磁场的变换，磁芯的磁感应强度随之变化。给初级线圈加以一定频率（如10kHZ ）的驱动信号，使磁芯在饱和点之间振荡。次级线圈输出的信号通过磁芯与初级线圈相对应—见图2。
图2. 初级和次级线圈中的电压
一旦磁芯磁导率有任何变化，感应线圈输出信号都会变化并表现在幅度上。通过使用相位敏感探测器，解调感应信号并经低通滤波可以得到磁场的大小。另一方面，由于磁通改变引起饱和磁芯的松弛或是电阻发生变化，可以通过磁通门来感知这些变化，所不同的是这些变化是由外部磁场引起的。
通过精心设计，磁通门磁力计可以感应出数万微高斯的信号。磁通门可以测量静态磁场的大小和方向，受到驱动频率（10kHZ ）的限制，其上限频率被限制在1kHZ 左右。他们往往也是笨重，而且还不及那些小型、高集成度传感器坚固耐用。
磁感应
磁感应磁力计相对较新，专利最早在1989年发行。传感器结构简单，在一个磁导率可变的铁芯上绕上单线圈，并将其放置于地磁场中。感应线圈是构成一个LR 振荡器。振荡器的频率与被测磁场成正比。给线圈通一定的偏置电流，使其工作在线性区（如图3）。在磁场中将
图3. 磁感应（MI ）传感器电路
传感器旋转90°，输出信号频率的变化量可能高达100%，微处理器调制振荡频率用来测量磁场大小。这些磁力计设计简单，价格低廉，功耗也低。它们多用于精确导航中，工作温度在-20℃~70℃，精度在千分之四高斯。这些传感器尺寸较小，形状特别，一般不用于自动控制和轴线校准系统中。
各向异性磁阻
William Thompson以及之后的Lord Kelvin，1856年首先观测到强磁性金属中的磁阻效应。直到超过100年后，这个发现才在薄膜技术制造的传感器中得到应用。磁阻（MR ）传感器组成结构多种多样。MR 最新应用是用来高速读取高密度光盘或磁带中的信息。
其他常见的应
用包括：汽车车轮转速、曲轴感应、罗盘导航、车辆检测、电流检测等多个方面。
应用各向异性磁阻（AMR ）传感器可以很好地测量地磁场。AMR 可以感知直流静态磁场，并能测得其强度和方向。这种传感器是用镍铁（坡莫合金）电阻薄膜沉积在硅片上形成。存在磁场的话，AMR 的这种薄膜特性就会引起电阻发生2-3%的改变。通常，将四个电阻连接成惠斯登电桥，可以沿着一个轴测出磁场的大小和方向。对于一般的AMR 传感器，带宽在1-5MHZ 之间。磁阻效应的反应很快，并且不受线圈或振荡频率限制。AMR 的主要好处是能够在硅片上制造散装晶片，并能封装在商业集成电路中。这样传感器就可以与其他电路和系统组装起来。生产AMR 传感器的几家公司有Philips 、HL Planar和Honeywell 。
图3.AMR 传感器电路
AMR 传感器特性
在地磁场中，AMR 传感器能出色地测量角位置和位移，并能保证线性性。坡莫合金沉积在硅衬底上形成各种电阻桥，高度可预测的输出能很好的反应出外界的磁场。比起电气或机械设备，AMR 传感器成本低、灵敏度高、体积小、抗干扰能力强并且可靠性高。适应性强，易于组装，正是这些优点解决了实际应用中的各种问题。
绝大多数AMR 传感器都是通过坡莫合金（镍铁）薄膜沉积在硅片上形成惠斯登电桥。电桥的电阻一般是1K Ω
图4.AMR 输出传递曲线
当薄膜的磁畴呈一个方向排列时，AMR
的薄膜性能表现良好。这可
以保证很高的灵敏度和很好的重复性，并且滞后是最小的。在制造的过程中，将薄膜放置在一个强磁场中。这个磁场决定了坡莫合金中磁化矢量M 或者易磁化轴的方向（见图6）。在薄膜中，矢量M 与电阻纵向平行，并且可以被设置成任意方向，向左或是向右。试想此刻如果有电流以45°夹角流经薄膜，也就是说电流与磁化矢量M 之间有个夹角θ。坡莫合金薄膜的特性与磁化矢量M 和流经薄膜的电流密切相关。图6解释了这个特性，当电流方向平行于磁化矢量M 时，薄膜的电阻最大。
如果沿薄膜法向施加外部磁场，磁化矢量M 会发生偏转，夹角θ随之改变。这就会引起电阻（DR/R）和惠斯登电桥的输出电压发生变化。坡莫合金的这种变化被称为磁阻效应，与电流和磁化矢量的夹角直接相关。
图6. 磁阻效应
图7是电阻的变化率与磁轴夹角之间的关系曲线，可以发现这条曲线关于纵轴对称并且在45°附近是线性的。让电流与磁轴成45°穿过薄膜，这种方法称作baiber 偏置。借助低阻技术在薄膜上形成横向短路栅。电流沿着最短路径穿过薄膜，并以45°的夹角流向最近的栅。
图7. 磁阻效应与角度θ的关系
由于外界磁场的存在，坡莫合金的磁阻特性使得桥臂上的电阻发生变化，使得输出电压随之变化，正如图5所示。电桥的灵敏度往往表示成mV V Oe，中间的电压是电桥电压，Vb 。设置电桥为5V ，那么相应的灵敏度就是3mV V Oe，输出增益是15mV Oe。设计合适的电桥放大电路，可以将灵敏度达到1微伏级别。这是处于67微特或是1500分之一特斯拉的磁场中。如果将输出电压放大67倍，总的灵敏度可以达到1V/gauss（=67×15mV/gauss）。如果需要满刻度达到±2gauss，这就意味着如果输出峰峰值是4V
并且电桥中心电压为
2.5V 的话，相应输出便是0.5V~4.5V。这个信号电平适合绝大多数AD 转换器。使用AMR 传感器和放大器，可以精确测量磁场大小和方向。
图8通过一个由4个电阻组成的惠斯登电桥阐述了这个效应。
图8.AMR Barber极偏压
任何一个由铁磁性材料做的磁传感器都可以用来感知磁场的扰动。对于AMR 传感器，扰动的磁场会打破原本坡莫合金薄膜里的磁化排列方式，这一点对传感器来说是至关重要的。要使输出信号周期性、低噪声、低磁滞，向量M 的大小和方向是必不可少的。图9 是AMR 在受到磁场扰动时，薄膜中磁畴排列发生的变化。坡莫合金带中磁畴方向被打乱成随机状态，从而影响传感器正常工作如图6所示。
图9.AMR 薄膜中的磁畴排列
为了恢复原来的磁场状态，必须用强磁场沿着坡莫合金薄膜的纵向充磁。几十纳秒内，原本随机排列的磁畴就会像图9中一样排列整齐。矢量M 恢复后，预计的磁阻效应就会发生。只要外界不存在干扰磁场，矢量M 会保持这种状态达数年之久。
一个常用的方法可以重组这些磁畴，那就是使用惠斯登电桥电阻周围的线圈。让一个较大的电流脉冲通过线圈，将会产生一个强度为60~100高斯的大磁场，并使矢量M 恢复。这个过程被称为是磁畴脉冲翻转。当然，以相反的电流脉冲作用于外部的线圈也能达到翻转的目的。在这种情况下，复位脉冲和磁畴都将指向顺磁的反方向。Philip 公司的KMZ-10A AMR传感器需要包绕一个外部线圈来产生或是重置磁场。
图10. 产生和重置翻转电路
霍尼韦尔系列AMR 传感器拥有片上专利，取代了外部线圈，并能同样产生和重置磁场。
AMR 传感器中的偏移衰减
在把AMR 传感器移植到特定应用中去之前，最好先了解怎样使用AMR 传感器。具体来说，
三、偏置磁场传感器（高于10高斯）
绝大多数工业传感器都使用永久磁铁作为探测源磁场。这些永久磁可以磁化传感器附近的磁性物质或使其产生偏置。然后传感器检测出总的磁场的变化。偏置磁场传感器要能测得比地磁场大得多的磁场，并且必须永远不能被外界强磁场所影响或者发生短暂的变化。这类传感器包括磁簧开关，锑化铟磁阻，霍尔器件，GMR 传感器。尽管这些传感器中，如磁阻，能够测得高达几个特斯拉的强磁场。其他的如GMR 传感器测量范围只有1毫高斯到1微高斯。
磁簧开关
磁簧开关可能是为工业控制所用的最简单的磁传感器。它由一对灵活的铁磁性接触圈组成，并放在一个充满惰性气体的容器（通常是玻璃）中。沿着磁化的长轴方向，磁场的作用使这个触点它能吸引另一个闭合电路的触点。由于在闭合和松开之间有一个相当大的迟滞，当磁场有一个小的波动时，传感器也不会受到影响。
磁簧开关不用维护，而且不会受到灰尘的影响，镀了铑的触点可以保证较长的使用寿命。磁簧开关的开关电流为0.1到0.2A ，开关电压为100到200V 。触点寿命（10mA 时）经测量在106到107磁左右。磁簧开关通常有常开（NO ），常闭（NC ）和C 类（SPDT ）接触这几种，也有弹簧锁簧开关。液态汞开关可以切换高达1A 的电流并且触点不会反弹。
成本低，简单可靠，零功耗，磁簧开关应用广泛。磁簧开关连上一个小的永久磁铁，这个简易的装置常用与安全系统中，用来监视门窗的开关。将磁铁贴到可以移动的那一部分，当与另一部分靠得很近时，就会激活磁簧开关。这种感应特性，使得磁簧开关越来越多的使用在汽车工业中。
洛伦兹力设备
在很多传感器中，半导体上的电荷载体得都用到了洛伦兹力或是霍尔效应。洛伦兹力方程描述了一个电荷量q 的带电粒子以速度v 在磁感
应强度为B 的磁场中运动时受到的力FL 的作用。
FL =q （v ×B ）
由于FL ，V 和B 都是矢量，他们都具有大小和方向。由于洛伦兹力FL 与速度V 和磁感应强度B 的叉乘成正比，那么其方向应该与两者都垂直，一个正电荷，在磁场中运动时受到的力是符合左手定则的，即让磁感线方向垂直穿过手心，大拇指与其他四指垂直，四指指向电荷运动方向，则大拇指就是洛伦兹力的方向。由于洛伦兹力的方向始终垂直于速度方向，故加速度也是垂直于速度方向，因此在没有其他外力作用下，带电粒子在磁场中的运动路径应是一条曲线。
霍尔效应是洛伦兹力作用在半导体材料上的结果。当给半导体材料板的两端加上电压时，载流电荷开始流动。如果同时在半导体材料板的垂直方向加上一个磁场，那么载流电荷就会在洛伦兹力的作用下向一侧偏转。直到使带电粒子受到电场力作用能足以抵消洛伦兹力。垂直于板子施加的电压称为霍尔电压。图15是霍尔效应的几何原理。
图15. 磁场以及外加电压作用于半导体板材时，电子和空穴受到的力以及路径的方向
巨磁阻（GMR ）器件
多层铁磁性或者非磁性金属薄膜的电阻率在磁场中会发生很大变化。这种现象最早是在1988年法国观察到。在磁场中可以发现电阻变化量高达70%。相比电阻变化才百分之几的各向异性磁阻（AMR ），这个现象被称为巨磁阻（GMR ）。两个铁磁性薄膜层被非磁性导电层分开，随着铁磁层的平行或是不平行，薄膜层的电阻会发生变化。两个磁性层磁矩方向如果相同，散射减少，平均自由路径变长，电阻较小；如果相反，散射较多，平均自由路径变短，电阻较大。图20以图表的形式显示了这些差异。为了使自旋相关散射成为总电阻的一个重要因素，层的厚度必须小于电子平均自由路径。许多铁磁体的平均自由程是几十纳米，所以层通常小于10nm （100Å）
。这并不奇怪，因为
GMR 是最近随着薄膜沉积系统的发展而观察到的。
图20.GMR “三明治”，两个磁性层中间夹一个非磁性层。