磁傳感器是把磁場、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起敏感元件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件。磁傳感器分為三類：指南針、磁場感應器、位置傳感器。指南針：地球會產生磁場，如果你能測地球表面磁場就可以做指南針。電流傳感器：電流傳感器也是磁場傳感器。電流傳感器可以用在家用電器、智能電網、電動車、風力發電等等。位置傳感器： 如果一個磁體和磁傳感器相互之間有位置變化，這個位置變化是線性的就是線性傳感器，如果轉動的就是轉動傳感器。
據報導，1995年僅工業過程控制傳感器的全球市場已達到260億美元;2001年計算機HDD用SV-GMR磁頭的市場超過了4000億日元（約合34億美元）。若採用新型微型磁傳感器，既使操作更簡便，又提高了可靠性，增長了器件壽命，降低了成本。
使用新型磁傳感器可以顯著提高測量和控制精度，如使用GMI（巨磁阻抗）磁場傳感器，檢測解析度和常用磁通門磁強計一樣，而響應速度卻快了一倍，消耗功率僅為後者的1%;若用霍爾器件，其解析度僅4A/m，而所需外場比前者高300餘倍;在應力檢測中，SI 傳感器的靈敏度是常用電阻絲的2000倍高，是半導體應變規的20～40倍。工業工具機的油壓或氣壓汽缸活塞位置檢測，廣泛採用套在活塞杆上的永磁環和AMR元件組成的磁傳感器，檢測精度達0.1mm，檢測速度可在0～500mm/s內以高低速度變換;改用GMI或SV-GMR傳感器後，測量精度至少可以提高1個數量級。在工具機數控化時代，數字磁尺幫助設計師們實現了閉環控制。使用絕對信號輸出的磁尺，則不受噪聲、電源電壓波動等幹擾，也不必原點復位。使用工作狀態磁敏開關，還可以完成手動與數控之間的轉換。
旋轉磁編碼器在旋轉量的檢測控制中起關鍵作用，它在數控工具機、機器人、工廠自動化設備的位置檢測、傳輸速度控制，磁碟、印表機之類的自動化設備通訊設備的旋轉量檢測中都是不可缺少的重要部件。其檢測對象是光磁圖形，不受油霧粉塵的影響，因此比目前最先進的光編碼器的可靠性高壽命長，尤其適合於自動焊接、油漆機器人和與鋼鐵有關的位置檢測以及各種金屬、木材、塑料等加工行業的應用。而仍大量使用光編碼器，由於這種器件易受粉塵、油汙和煙霧的影響，用在自動焊接、油漆機器人、紡織和鋼鐵、木料、塑料等的加工中，可靠性極差。應用AMR、GMR 、GMI敏感元件構成的旋轉磁編碼器，就不存在上述缺點，因此，它們的市場需求年增長率在30%以上。在家用電器和節能產品中也也有其廣泛的應用潛力，在節能環保產品中也大有用武之地。若使用微型磁編碼器和控制微機一體化，更有利於簡化控制系統結構，減少元件數和佔空體積，這在精密製造和加工業中意義十分重大。
環境保護的前提是對各個環境參數（溫度、氣壓、大氣成份、噪聲。..。..。）的監測，這裡需要使用多種大量的傳感器。採用強磁致伸縮非晶磁彈微型磁傳感器，可以同時測量真空或密閉空間的溫度和氣壓，而且不用接插件，可以遙測和遠距離訪問。在食品包裝、環境科學實驗等方面，應用前景廣闊。
交通事故和交通阻塞是城市中和城市間交通存在的一個大問題。國內外都在加強高速公路行車支持道路系統（AHS）、智能運輸系統（ITS）和道路交通信息系統（VICS）等的開發與建設。在這些新系統中，高靈敏度、高速響應微型磁傳感器大有用武之地。例如，用解析度可達1nT的GMI和SI傳感器，可構成ITS傳感器（作高速路上的道路標誌，測車輪角度，貨車近接距離），汽車通過記錄儀（測通行方向、速度、車身長度、車種識別），停車場成批車輛傳感器，加速度傳感器（測車輛通過時路橋的振動等）。
幾個世紀以來，人們在導航中一直使用磁羅盤。有資料顯示早在二千多年前中國人就開始使用天然磁石-一種磁鐵礦來指示水平方向。電子羅盤（數字羅盤，電子指南針，數字指南針）是測量方位角（航向角）比較經濟的一種電子儀器。如今電子指南針廣泛應用於汽車和手持電子羅盤，手錶，手機，對講機，雷達探測器，望遠鏡，探星儀，穆斯林麥加探測器（穆斯林鐘），手持 GPS 系統，尋路器，武器/飛彈導航（ 航位推測 ），位置/方位系統，安全/定位設備，汽車、航海和航空的高性能導航設備，電子遊戲機設備等需要方向或姿態顯示的設備。
地球本身是一個大磁鐵，地球表面的磁場大約為0.5Oe，地磁場平行地球表面並始終指向北方。利用GMR薄膜可做成用來探測地磁場的傳感器。圖5顯示這種傳感器的具體工作原理。我們可以制出能夠探測磁場X和Y方向分量的集成GMR傳感器。此傳感器可作為羅盤並應用在各種交通工具上作為導航裝置。美國的NVE公司已經把GMR傳感器用在車輛的交通控制系統上。例如，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計算和區別通過傳感器的車輛。如果同時分開放置兩個GMR傳感器，還可以探測出通過車輛的速度和車輛的長度，當然GMR也可用在公路的收費亭，從而實現收費的自動控制。另外高靈敏度和低磁場的傳感器可以用在航空、航天及衛星通信技術上。大家知道，在軍事工業中隨著吸波技術的發展，軍事物件可以通過覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無論如何都會產生磁場，因此通過GMR磁場傳感器可以把隱蔽的物體找出來。當然，GMR磁場傳感器可以應用在衛星上，用來探測地球表面上的物體和底下的礦藏分布。
在智能家居門禁系統中門磁開關的作用是負責門磁通電否，通電帶磁（閉門），斷電消磁（開門），門磁安裝於門與門套上，開關安裝於屋內，配合自動閉門器使用，一般可承受150公斤的拉力。
有線門磁為嵌入式安裝更加隱蔽，感應門窗的開合，適用於木質或鋁合金門窗發出有線常閉/常開開關信號。門磁是用來探測門、窗、抽屜等是否被非法打開或移動。它由無線發射器和磁塊兩部分組成。門磁系統其實和床磁等原理相同。
電子羅盤是一種重要的導航工具，能實時提供移動物體的航向和姿態。隨著半導體工藝的進步和手機作業系統的發展，集成了越來越多傳感器的智慧型手機變得功能強大，很多手機上都實現了電子羅盤的功能。而基於電子羅盤的應用（如Android的Skymap）在各個軟體平臺上也流行起來。
要實現電子羅盤功能，需要一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個三軸加速度傳感器。隨著微機械工藝的成熟，意法半導體推出將三軸磁力計和三軸加速計集成在一個封裝裡的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時間內設計出成本低、性能高的電子羅盤。本文以LSM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術參數和電子羅盤的實現方法。
1. 地磁場和航向角的背景知識
如圖1所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點處磁場和當地的水平面垂直，在赤道磁場和當地的水平面平行，所以在北半球磁場方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應強度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極並不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。
磁力計的基本工作原理
圖1 地磁場分布圖
地磁場是一個矢量，對於一個固定的地點來說，這個矢量可以被分解為兩個與當地水平面平行的分量和一個與當地水平面垂直的分量。如果保持電子羅盤和當地的水平面平行，那麼羅盤中磁力計的三個軸就和這三個分量對應起來，如圖2所示。
磁力計的基本工作原理
圖2 地磁場矢量分解示意圖
實際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當前方向和磁北的夾角。由於羅盤保持水平，只需要用磁力計水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測數據就可以用式1計算出航向角。當羅盤水平旋轉的時候，航向角在0？- 360？之間變化。
2．ST集成磁力計和加速計的傳感器模塊LSM303DLH
2.1 磁力計工作原理
在LSM303DLH中磁力計採用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測空間中磁感應強度的大小。這種具有晶體結構的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強弱變化會導致AMR自身電阻值發生變化。
在製造過程中，將一個強磁場加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導線呈45º角傾斜排列，電流從這些導線上流過，如圖4所示。由初始的強磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45º的夾角。
磁力計的基本工作原理
圖3 AMR材料示意圖
磁力計的基本工作原理
圖4 45º角排列的導線
當有外界磁場Ha時，AMR上主磁域方向就會發生變化而不再是初始的方向了，那麼磁場方向和電流的夾角θ也會發生變化，如圖5所示。對於AMR材料來說，θ角的變化會引起AMR自身阻值的變化，並且呈線性關係，如圖6所示。
ST利用惠斯通電橋檢測AMR阻值的變化，如圖7所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當檢測到外界磁場的時候，R1/R2阻值增加∆R而R3/R4減少∆R。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場時電橋的輸出為一個微小的電壓∆V。
磁力計的基本工作原理
圖7 惠斯通電橋
當R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場的作用下電阻變化為∆R時，電橋輸出？V正比於？R。這就是磁力計的工作原理。
2.2 置位/復位（Set/Reset）電路
由於受到外界環境的影響，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不會永久保持不變。LSM303DLH內置有置位/復位電路，通過內部的金屬線圈周期性的產生電流脈衝，恢復初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈衝和復位脈衝產生的效果是一樣的，只是方向不同而已。
磁力計的基本工作原理
圖8 LSM303DLH置位/復位電路
置位/復位電路給LSM303DLH帶來很多優點：
1） 即使遇到外界強磁場的幹擾，在幹擾消失後LSM303DLH也能恢復正常工作而不需要用戶再次進行校正。
2） 即使長時間工作也能保持初始磁化方向實現精確測量，不會因為晶片溫度變化或內部噪音增大而影響測量精度。
3） 消除由於溫漂引起的電橋偏差。
2.3 LSM303DLH的性能參數
LSM303DLH集成三軸磁力計和三軸加速計，採用數字接口。磁力計的測量範圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。並且在20 Gauss以內的磁場環境下都能夠保持一致的測量效果和相同的敏感度。它的解析度可以達到8 mGauss並且內部採用12位ADC，以保證對磁場強度的精確測量。和採用霍爾效應原理的磁力計相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，並且不需要溫度補償。
LSM303DLH具有自動檢測功能。當控制寄存器A被置位時，晶片內部的自測電路會產生一個約為地磁場大小的激勵信號並輸出。用戶可以通過輸出數據來判斷晶片是否正常工作。
作為高集成度的傳感器模組，除了磁力計以外LSM303DLH還集成一顆高性能的加速計。加速計同樣採用12位ADC，可以達到1mg的測量精度。加速計可運行於低功耗模式，並有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時，加速計還集成了6軸方向檢測，兩路可編程中斷接口。
3. ST電子羅盤方案介紹
一個傳統的電子羅盤系統至少需要一個三軸的磁力計以測量磁場數據，一個三軸加速計以測量羅盤傾角，通過信號條理和數據採集部分將三維空間中的重力分布和磁場數據傳送給處理器。處理器通過磁場數據計算出方位角，通過重力數據進行傾斜補償。這樣處理後輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態的影響，如圖9所示。
磁力計的基本工作原理
圖9 電子羅盤結構示意圖
LSM303DLH將上述的加速計、磁力計、A/D轉化器及信號條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆晶片就實現了6軸的數據檢測和輸出，降低了客戶的設計難度，減小了PCB板的佔用面積，降低了器件成本。
LSM303DLH的典型應用如圖10所示。它需要的周邊器件很少，連接也很簡單，磁力計和加速計各自有一條I2C總線和處理器通信。如果客戶的I/O接口電平為1.8V，Vdd_dig_M、Vdd_IO_A和Vdd_I2C_Bus均可接1.8V供電，Vdd使用2.5V以上供電即可；如果客戶接口電平為2.6V，除了Vdd_dig_M要求1.8V以外，其他皆可以用2.6V。在上文中提到，LSM303DLH需要置位/復位電路以維持AMR的主磁域。C1和C2為置位/復位電路的外部匹配電容，由於對置位脈衝和復位脈衝有一定的要求，建議用戶不要隨意修改C1和C2的大小。
磁力計的基本工作原理
圖10 LSM303DLH典型應用電路圖
對於可攜式設備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機的時間。LSM303DLH可以分別對磁力計和加速計的供電模式進行控制，使其進入睡眠或低功耗模式。並且用戶可自行調整磁力計和加速計的數據更新頻率，以調整功耗水平。在磁力計數據更新頻率為7.5Hz、加速計數據更新頻率為50Hz時，消耗電流典型值為0.83mA。在待機模式時，消耗電流小於3uA。
4. 鐵磁場幹擾及校準
電子指南針主要是通過感知地球磁場的存在來計算磁北極的方向。然而由於地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯，而一個普通的手機喇叭當相距2釐米時仍會有大約4高斯的磁場，一個手機馬達在相距2釐米時會有大約6高斯的磁場，這一特點使得針對電子設備表面地球磁場的測量很容易受到電子設備本身的幹擾。
磁場幹擾是指由於具有磁性物質或者可以影響局部磁場強度的物質存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場發生了偏差。如圖11所示，在磁傳感器的XYZ 坐標系中，綠色的圓表示地球磁場矢量繞z軸圓周轉動過程中在XY平面內的投影軌跡，再沒有外界任何磁場幹擾的情況下，此軌跡將會是一個標準的以O（0，0）為中心的圓。當存在外界磁場幹擾的情況時，測量得到的磁場強度矢量α將為該點地球磁場β與幹擾磁場γ的矢量和。記作：
磁力計的基本工作原理
磁力計的基本工作原理
圖11 磁傳感器XY坐標以及磁力線投影軌跡
一般可以認為，幹擾磁場γ在該點可以視為一個恆定的矢量。有很多因素可以造成磁場的幹擾，如擺放在電路板上的馬達和喇叭，還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩，螺絲，電阻， LCD背板以及外殼等等。同樣根據安培定律有電流通過的導線也會產生磁場，如圖12。
磁力計的基本工作原理
圖12 電流對磁場產生的影響
為了校準這些來自電路板的磁場幹擾，主要的工作就是通過計算將γ求出。
4.1 平面校準方法
針對XY軸的校準，將配備有磁傳感器的設備在XY平面內自轉，如圖11，等價於將地球磁場矢量繞著過點O（γx，γy）垂直於XY平面的法線旋轉，而紅色的圓為磁場矢量在旋轉過程中在XY平面內投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為（（Xmax + Xmin）/2， （Ymax + Ymin）/2）。 同樣將設備在XZ平面內旋轉可以得到地球磁場在XZ平面上的軌跡圓，這可以求出三維空間中的磁場幹擾矢量γ（γx， γy， γz）。
4.2 立體8字校準方法
一般情況下，當帶有傳感器的設備在空中各個方向旋轉時，測量值組成的空間幾何結構實際上是一個圓球，所有的採樣點都落在這個球的表面上，如圖13所示，這一點同兩維平面內投影得到的圓類似。
磁力計的基本工作原理
圖13 地球磁場空間旋轉後在傳感器空間坐標內得到球體
這種情況下，可以通過足夠的樣本點求出圓心O（γx， γy， γz）， 即固定磁場幹擾矢量的大小及方向。公式如下：
磁力計的基本工作原理
8字校準法要求用戶使用需要校準的設備在空中做8字晃動，原則上儘量多的讓設備法線方向指向空間的所有8個象限，如圖14所示。
磁力計的基本工作原理
圖14 設備的空中8字校準示意圖
4.2 十面校準方法
同樣，通過以下10面校準方法，也可以達到校準的目的。
磁力計的基本工作原理
如圖16所示，經過10面校準方法之後，同樣可以採樣到以上所述球體表面的部分軌跡，從而推導出球心的位置，即固定磁場幹擾矢量的大小及方向。
磁力計的基本工作原理
5．傾斜補償及航偏角計算
經過校準後電子指南針在水平面上已經可以正常使用了。但是更多的時候手機並不是保持水平的，通常它和水平面都有一個夾角。這個夾角會影響航向角的精度，需要通過加速度傳感器進行傾斜補償。
對於一個物體在空中的姿態，導航系統裡早已有定義，如圖17所示，Android中也採用了這個定義。Pitch（Φ）定義為x軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向；Roll（θ）定義為y軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向。由Pitch角引起的航向角的誤差如圖18所示。可以看出，在x軸方向10度的傾斜角就可以引起航向角最大7-8度的誤差。
磁力計的基本工作原理磁力計的基本工作原理
圖17 Pitch角和Roll角定義 圖18 Pitch角引起的航向角誤差
手機在空中的傾斜姿態如圖19所示，通過3軸加速度傳感器檢測出三個軸上重力加速度的分量，再通過式2可以計算出Pitch和Roll。
磁力計的基本工作原理
圖19 手機在空中的傾斜姿態
磁力計的基本工作原理
式3可以將磁力計測得的三軸數據（XM，YM ，ZM）通過Pitch和Roll轉化為式1中計算航向角需要的Hy和Hx。之後再利用式1計算出航向角。