最近两年主要研究传感器相关的电路，对电压基准、低温漂电阻、低噪声晶体管的研究都没怎么推进，而是搞出了一大堆磁传感器模块。这里分享下我积累的相关理论和测试数据，以便同行推进相关设计与研究。

1. 基本背景

磁场是一种客观存在的物理现象，可以用磁感应强度来描述。在国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉（T），可以按1000倍的关系依次产生毫特斯拉（mT）、微特斯拉（uT）、纳特斯拉（nT）、皮特斯拉（pT）等辅助性的单位。在高斯单位制下，磁感应强度也能用高斯（Gs）来描述，按照1T=10000Gs来换算，并给出毫高斯（mGs）、微高斯（uGs）等辅助单位。出于行文方便的考虑，本文可能会混用两种单位制，请读者注意区分。

具体到磁测量技术上，这里主要讲述芯片类的磁传感器技术，所以光泵磁力仪、超导量子干涉仪（SQUID）等就不讨论了。磁传感器往往用量程、精度、线性度等指标来描述，这部分跟电压有些类似，但存在一些特殊点，具体包括这些：

1. 磁场溯源比较困难，就算制作出标准的磁场线圈，也会因为空间均匀性、线性度、磁滞效应、环境磁场扰动等因素影响复现精度，所以弱磁测量（大致上小于5Gs）应用中往往只给出相对磁场变化，一般不做绝对测量。

2. 与电压测量相比，磁传感器通常有明显的非线性响应和磁滞现象，磁场较小和较大时的变化量测量结果不同，磁场上升和下降时的变化量测量结果不同，测量交变磁场时出现倍频谐波成分，这些现象是很常见的，设计和测试时应当充分重视。相比之下，电压测量的非线性度或滞回效应（Hysteresis）往往不太重要，只有最高精度的八位半表需要考虑相关性能。

3. 磁传感器的精度有多种表达方式。在时域上，精度用磁测量噪声的均方差（RMS）表述，国内一般采集10s时长的数据来计算噪声水平；在频域上，精度应磁测量噪声的噪声功率谱密度（Power Spectrum Density）来描述，往往选取1Hz频点上的噪声密度来说明。这里的噪声既包括传感器自身的噪声，也要算上环境磁场的噪声，操作不当的话，可能测出远高于传感器标称值的噪声幅度。

4. 磁传感器的带宽普遍偏高，开环结构的TMR能达到1MHz以上，闭环的磁通门也能做到50kHz。遗憾的是，磁测量有关的应用往往只关注DC-1kHz的频率范围，所以带宽经常被说成不太重要的指标。

说明完这些整体性的技术特点后，接下来讲一下磁传感器的具体技术。

1.1 霍尔磁传感器

霍尔磁传感器利用了物理学的霍尔现象。当电流流过导体时，垂直于电流的磁场会偏转载流子，在同时垂直于电流和磁场方向上积累电荷产生电压，直到电压的电场能抵消磁场引发的载流子偏转。这个电压与磁场强度正相关，一般具有很好的线性关系，被称为霍尔电压。下图是Bosch BNO555九轴姿态传感器芯片的Z方向磁传感电路部分（图片来源：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX），包含4只十字形状的霍尔传感元件，可以测量Z方向上的磁场强度。

霍尔磁传感器适合10Gs~1T范围内的强磁场测量，对1Gs以下的弱磁测量其实不太适应。下表列举了本次测试使用的Hall磁传感器型号和指标。按照日本旭化成（AKM）公司的描述，Hall传感器一般用锑化铟（InSb）、砷化镓（GaAs）等材料制作，前者的代表是HW-322B（对应YS322B），后者的代表是HG-362A（对应YS362A）。AKM宣称Insb材料制作的Hall传感器具有更高的响应系数，GaAs材料具有更高的温度稳定性。另外，AKM公司还提到基于砷化铟（InAs）材料的霍尔元件能和量子阱技术结合，产生极高的响应系数。这方面的典型案例是EQ730-L，响应系数典型值能达到13mV/Gs，明显高于YS-322B和HG-362A，本文中对应这类技术的元件为YS1493-A/B/C/D和DH4901。

1.2 磁通门

磁通门技术需要用激发线圈向软磁芯上输入交变信号，再用磁芯上的探测线圈接收倍频成分的磁场信号，根据倍频信号的幅度来计算静磁场大小。这个过程利用了软磁芯的非线性磁场响应，当静磁场不同时，铁芯具有不同的磁场-电流响应系数，导致不同静磁场下的谐波幅度不同，可以通过检测谐波来计算静磁场大小。线圈和软磁芯都很难做到半导体结构上，所以磁通门很难做成芯片，目前仅有TI公司提供相关产品（DRV425和DRV421），国内虽然有类似产品（成都芯进CS6836），但只包含驱动和接收电路部分，最麻烦的片上线圈和磁芯被舍弃了。下图是我制作的DRV425磁传感器电路板，该芯片的直接磁场响应为1.22mA/Gs，TI推荐将该电流流过22Ω的外部电阻，并使用增益为4倍的片上差分放大器，得到107.36mV/Gs的磁场响应。

为了验证这个磁通门结构，我联系专业人士拆开了这个芯片，并拍摄了芯片的硅片结构，如下图所示。图中能比较清楚的看到磁通门的线圈结构，铁芯部分我没识别出来，可能是去壳过程中一起溶解了。

1.3 各向异性磁阻

各向异性磁阻（Anisotropic MagnetoResistance，AMR）是最早出现的磁阻技术，利用磁场导致电阻率变化的现象来测量磁场强度。从微观上看，AMR发生在铁磁性材料中，是通过电子的自旋-轨道耦合引发电子散射截面变化，从而影响电阻率。当铁磁性材料被磁化时，如果电流沿磁化方向流动，那么此时电阻率最大；如果垂直方向上出现外磁场，导致材料磁化方向改变，则电阻率会有所降低。在此基础上，人们将铁磁材料制作成薄膜结构的电阻，并组成电桥结构，从而产生随磁场变化的电压信号，这也是后面GMR和TMR的应用方式。既然用了电桥结构，那么输出电压就与电源电压有很大关系，响应系数的单位也从mV/Gs改成mV/(V·Gs)。下面是我使用的AMR磁传感器模块，包含霍尼梅尔（Honeywell）的HMC1001、HMC1002，以及国内多维科技的AMR2501。

从AMR开始，本文会列出所用磁传感器芯片的噪声谱密度指标，并将其定义为磁测量灵敏度。许多文献（特别是早期磁阻传感器相关的文献）将这里的响应系数称为灵敏度，本文不采用这个定义，请注意区分。与其他磁传感器相比，AMR传感器的响应系数是明显偏低的，但AMR传感器的灵敏度较高，具有很低的磁测量噪声，此外相关文献还提到AMR方案的结构比较简单，具有一定成本优势。AMR传感器的量程也偏小，但这是高灵敏度磁传感器的通病，还谈不上缺点。所以AMR传感器往往要搭配放大电路使用，下图是Honeywell公司提供的常规放大电路案例，以及用仪表放大器制作的放大电路。第一个方案在零磁场下的输出为2.5V（供电为5V），跟我的测试系统不太兼容，所以我选了使用仪表运放的第二种方案。

Honeywell的电路下半部分有几个MOS管，根据文献描述，这部分电路能产生电流脉冲，可以将AMR芯片上部分退磁的铁磁性材料重新磁化，避免AMR传感器长期使用后响应系数逐渐下降的问题。我还没能验证这个特性，但确实出现过使用2个月左右的AMR芯片响应系数大幅度降低的现象，等我有了满足要求的电流源就尝试下。在AMR芯片上，这个引脚被标记为S/R，此外还设计了抵消磁测量零点误差的Offset引脚，可以补偿电桥本身不平衡引发的测量误差。

1.4 巨磁阻

巨磁阻（Giant MagnetoResistance，GMR）效应是一种改进的磁阻现象，由多层薄膜结构组成，主要分成永磁材料制作的钉扎层（Pinning Layer）和多个铁磁性材料组成的磁性层，磁性层之间用非磁性材料隔开。钉扎层永磁材料对内侧的受控层（Pinned Layer）材料影响较强，对外侧的自由层（Free Layer）影响较弱，导致外磁场作用下两层材料的磁化方向出现差异（最好是磁化方向相反）。当电流依次流过自由层和受控层时，磁化方向相反的材料对任意自旋方向的电子均产生强烈散射，导致电阻率偏高；外磁场出现后，这种磁化方向相反的结构会被部分破坏，导致电阻率降低，产生随磁场变化的电阻率。

这类芯片的具体案例较少，我只找到的日本NVM公司的AA系列GMR磁传感器芯片（数字类磁传感器灵敏度普遍偏低，我不太研究这方面），这里选择了AA002-02和AAH002-02这两种型号进行测试。国内没找到类似的产品，我个人认为是被TMR技术挤走了市场导致的。GMR技术的响应系数更高，量程也明显更大，对电路要求不高，理论上比AMR更适合测量磁场。但是，GMR磁传感器的电压-磁场响应曲线非常奇怪，整体呈现V字形结构，一看就有强烈的非线性响应，测量交变磁场时肯定伴随强烈的高频谐波，对接近0的磁场也没法有效处理。这可能是NVM公司自己的恶趣味，也可能是GMR本身原理限制，我不清楚具体情况。

1.5 隧道磁阻

隧道磁阻（Tunnel MagnetoResistance，TMR）的结构与GMR类似，但在自由层和受控层（TMR技术将这两层称为自由层和参考层）之间制作了势垒层（Barrier Layer），属于量子力学的势垒效应，势垒高度与两层材料的磁化方向差异有关，势垒越高则电阻率越大。当外磁场出现时，参考层磁化方向不变，自由层则经历了平行磁化-垂直磁化-反平行磁化的变化过程，导致电阻率随磁场发生改变。

下图是我测试的TMR磁传感器，主要是国内多维科技公司的产品。令我费解的是，我基本没找到国外的同类模拟传感器芯片，仅日本的NVM公司有几个型号，而且性价比不高，让我很不喜欢。TMR传感器的响应系数比GMR更高，而且没有GMR那种让人不知所措的V字形响应曲线，算是比较理想的磁阻传感器了。另外不知何故，TMR工艺既能测量硅片水平面内的磁场，也能测量垂直于硅片平面方向的磁场（图中标红的型号是垂直TMR），只是响应系数和灵敏度有点低而已。相比之下，AMR和GMR都只能测量平面内的磁场，磁通门那边也只有测量平面磁场的设计，仅有霍尔传感器可以测量垂直磁场，而且灵敏度并不好。

我曾经尝试解剖过一只TMR2584传感器芯片，想搞清楚垂直TMR是如何实现的，但最终没能实现。下图是我得到的磁传感器芯片照片，有机会认识能分析芯片结构和原理的大佬的话，我会在后面补上相关分析。

1. 测试方法与结果

我将磁传感器的测试分成响应系数和灵敏度（也就是噪声功率谱密度）两部分。响应系数测试需要用到线圈和电流源，并对线圈进行校准；灵敏度测试需要记录和分析磁测量数据，我选择用数采卡进行记录。以下是我的测试过程与结果。

2.1 响应系数测试

电流源部分，我用Rigol DP832电源来给线圈供电，而线圈是我自制的。我在一个长度20cm、直径10cm的亚克力圆管两端缠绕了约100圈导线，并用同事的标准磁通门进行标定，得到线圈的磁场-电流系数为950.828uT/A。用于标定的磁通门是华舜高科的HSF123传感器，在1Gs量程内能实现10pT/Sqrt(Hz) @1Hz的灵敏度，线性度不低于50ppm，更重要的是经过厂家校准，测量数据是有效的。

另一个需要说明的问题是，我对所有磁传感器的输出电压都进行了一定放大，以避免电子学测量的噪声。在电路部分，这些磁传感器芯片大部分使用MAX6350电压基准芯片提供5V供电，磁传感器的电桥结构产生随磁场变化的差分电压后，经过AD620仪表放大器放大，得到输出电压。在标定阶段，我用Agilent 34401A万用表测量输出电压，并计算磁场响应系数。相关电路的增益和响应系数测量结果如下图所示。

由于开头提到的精度问题，这个测试的准确性并不高，响应系数偏差不太大的就认为没问题了。这里分析下标红的几个数据。SS49E霍尔传感器的响应系数偏高，这个可能是用了后续的改进型号导致的，国产的SS49E确实能做到3mV/Gs以上。HMC1001和HMC1002就是我前面提到的疑似灵敏度降低的案例，估计跟铁磁材料的退磁老化有关，之后有机会会用S/R引脚的重新磁环功能修复下试试看，这里就继续用测出的响应系数来算灵敏度了。TMR9082是最麻烦的，我测了好几次，都确定传感器的响应系数超过标称值100%左右，确定不是我的实验操作失误。咨询厂家得知，这个芯片偶尔会有这种情况，而且灵敏度高算是好事，意味着磁测量更准确，也没道理抱怨啥。

但在我看来，指标虚标这么多，怕不是要打印度。╮(￣⊿￣)╭

2.2 灵敏度测试

灵敏度测试使用数采卡VK702NH进行，这个数采卡具有24 bit采样分辨率，测试时设定在±5V量程下按1172Hz采样30s，对采集到的电压数据进行频谱分析，并除以响应系数测试中的响应系数实测值，得到磁测量噪声的功率谱密度数据。这里的磁传感器用两块23A电池提供±12V供电，实际供电电压约为±11V，可以驱动电路正常工作。

首先是霍尔磁传感器部分。霍尔磁传感器中，YS1493-A/B/C/D和DH4901的响应系数偏高，很可能采用了量子阱工艺。这类芯片的灵敏度数据比较奇怪，没有出现谱密度曲线随频率上升而逐渐下降的典型现象，说明低频噪声比较严重。下图是这几个芯片的测量数据，其灵敏度普遍在500nT/Sqrt(Hz)的量级。

相比之下，SS49E、YS322B、YS362A这几个霍尔传感器的灵敏度曲线就有明显的下降段，其中SS49E、YS322B还检测到了环境中的50Hz磁噪声。大致上说，SS49E的灵敏度约为100nT/Sqrt(Hz)，YS322B的灵敏度约为20nT/Sqrt(Hz)。YS362A的灵敏度很差，估计在1uT/Sqrt(Hz)左右，但这个芯片的磁场量程极大，算是正常现象。

关于磁通门芯片部分，DRV425的测试数据如下图所示，灵敏度典型值约为3nT/Sqrt(Hz)。仔细查看手册可以发现，TI是在1kHz频点上测试的灵敏度数据，而磁传感器普遍选择在1Hz进行标定，硬要考核的话，TI还占了一点便宜。我自己有电流测量的工作背景，一般关注10Hz~100Hz范围内的灵敏度指标，这里说的典型值都是指这个范围的灵敏度。

关于AMR芯片，HMC1001、HMC1002、AMR2501的测试数据如下图所示。HMC1001和AMR2501的灵敏度约为100pT/Sqrt(Hz)，HMC1002似乎受到退磁影响导致灵敏度降低，在两个方向上的灵敏度仅有200pT/Sqrt(Hz)。注意HMC1002能测量两个方向的磁场，所以给了两组测试数据。

关于GMR磁传感器，AA002-02、AAH002-02的测试数据如下图所示，AA002-02的灵敏度约为500pT/Sqrt(Hz)，AAH002-02的灵敏度则降低到1nT/Sqrt(Hz)左右。这种降低的原因还不清楚，可能是环境噪声变大导致的，也可能跟芯片工艺有关，有空的话我会再测一次试试看。

TMR磁传感器的数据如下图所示，包括TMR2102、TMR2103、TMR2104、TMR2905、TMR9082这几个型号。TMR2102的灵敏度估计在2nT/Sqrt(Hz)左右，TMR2103估计在4nT/Sqrt(Hz)左右，TMR2104估计在5nT/Sqrt(Hz)左右。TMR2905和TMR9082是高灵敏度磁传感器，其中TMR2905的灵敏度实测值约为1nT/Sqrt(Hz)，TMR9082的实测值约为100pT/Sqrt(Hz)。这几组测试数据中，1Hz位置的灵敏度数据与手册有较大偏差，这是因为我没做磁屏蔽导致的。环境磁噪声在10Hz~100Hz会稍微小一点（不记50Hz工频频点），即使不用屏蔽筒也能有较低噪声水平，这也是我选择这个频段进行分析的原因之一。

垂直TMR传感器单独放在这里，包括TMR2584和TMR2585两种型号。TMR2585的灵敏度约为60nT/Sqrt(Hz)，TMR2584约为400nT/Sqrt(Hz)，从指标上看与YS322B霍尔传感器比较接近。非要说的话，垂直TMR传感器的响应系数更高，对放大电路的要求要低一点，可以称为一种不太明显的优势。

对了，我前面提到的同事其实是我自己。⸜(๑'ᵕ'๑)⸝⋆*