CN102944856A - 一种自旋阀磁阻零位控制结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自旋阀磁阻零位控制结构，属于弱磁矢量测量领域。所述控制结构的安装方式为：在印制电路板上安装永磁体和自旋阀磁阻元件，永磁体长度方向的轴线与自旋阀磁阻元件的磁易敏感方向垂直；将交变磁场线圈通过线圈架安装在印制电路板上；在交变磁场线圈的中心位置布置1个或2个自旋阀磁阻元件，第一线圈组和第二线圈组的轴线与自旋阀磁阻元件的磁易敏感方向平行或垂直。所述结构通过将偏置永磁体和高频弱磁场作用在自旋阀磁阻传感器的屏蔽层，使微分磁导率的离散性较小，从而减小了自旋阀磁阻元件的电压零位随机漂移量。
Description
技术领域
本发明涉及一种自旋阀磁阻零位控制结构，属于弱磁矢量测量领域。
背景技术
自旋阀（或隧道）磁阻器件的测磁范围较霍尔磁性元件的测量范围小许多，适用于更弱的磁场的测量，灵敏度也较高。从文献报道和实际情况看，自旋阀磁阻器件与磁通门传感器比较，性能指标在一个数量级上。相比较而言，磁通门传感器技术要求高，频率响应低，质量和体积比较大。而自旋阀磁阻器件体积小质量轻，具有较高的频率响应。但磁阻传感器由于自身的微磁电膜层的结构特点，存在输出电压零位随机漂移范围较大，不能使该种器件在军民品中的广泛应用。因此，若能解决自旋阀磁阻器件的电压零位随机漂移的不利影响，将在军事、工业、民用等领域有更广泛的使用空间。此外，不论是巨磁阻、自旋阀磁阻还是隧道式磁阻器件都存在纳米层级原子结构的不理想，产生了磁滞区域较大，以及微分磁导率的离散性较大（尤其是在低频磁场下工作时）。为了解决上述问题，国外有一些方法，如美国霍尼维尔公司采用了金属带包裹在磁阻元件上，然后在金属带内通过脉冲电流产生磁场，使磁阻元件充磁到饱和瞬态后可检测被测磁场的阻值，通过后续电路对磁场信号提取和处理，即可得到被测磁场值。这种器件在较低频率的磁场下使用能满足要求，但磁场频率较高时就不能用了，而且磁场灵敏度也不是很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种自旋阀磁阻零位控制结构，在自旋阀磁阻元件的特定方向上放置偏置永磁体，同时施加交变作用的高频弱磁场，使原子磁矩在永磁势能和交变磁势能作用下，部分克服金属化合物的磁粘滞、钉扎等影响，使微分磁导率的离散性减小，从而减小了自旋阀磁阻元件的电压零位随机漂移量，有利于提高元件的稳定性和灵敏度。所述控制结构也适用于隧道磁阻元件。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种自旋阀磁阻零位控制结构，所述控制结构包括印制电路板、偏置永磁体、交变磁场线圈、线圈架、自旋阀磁阻元件或隧道式磁阻元件；
所述偏置永磁体为长方体，由磁温度系数较低的铝镍钴材料制成；优选所述偏置永磁体长为5.0mm，截面为1.2×0.8mm；
永磁体的作用为，提高了自旋阀磁阻元件的零位复位的能量，使产生磁粘滞、钉扎作用的原子磁矩容易向能量低点转动；并且产生一个较高的恒磁场，提高和偏置自旋阀磁阻敏感件的测量零位点，避开在外磁场为零时，磁阻器件灵敏度较低的问题。
所述交变磁场线圈包括第一线圈组和第二线圈组，每组包括相互平行的两个线圈，第二线圈组位于第一线圈组之内，两线圈组之间垂直设置；所述线圈结构类似于亥姆霍斯线圈。在两组线圈的中心位置布置1个或2个自旋阀磁阻元件，两组线圈的轴线与自旋阀磁阻元件的测量方向（磁易敏感方向）平行或垂直。两组线圈的磁感应强度的振幅、频率相同，相位差为90°。考虑到自旋阀磁阻敏感件的响应能力和后续电路的处理技术等因素，初选产生近似于圆的扫描磁场，扫描磁场的磁感应强度幅值为80nT，频率为500kHz。该磁场的作用是将微观的原子核、电子的磁矩向能量最低外磁场方向转动；在宏观上表现为各磁场测量点的离散性更小，从而提高磁测量灵敏度和稳定性。
线圈架由塑料注塑成型，用于确定线圈的形状和位置。
所述自旋阀磁阻零位控制结构的安装方式如下：
在印制电路板上安装永磁体和自旋阀磁阻元件，永磁体长度方向的轴线与自旋阀磁阻元件的磁易敏感方向垂直；将交变磁场线圈通过线圈架安装在印制电路板上；在交变磁场线圈的中心位置布置1个或2个自旋阀磁阻元件，第一线圈组和第二线圈组的轴线与自旋阀磁阻元件的磁易敏感方向平行或垂直。
所述自旋阀磁阻零位控制结构中，偏置永磁体、交变磁场线圈、自旋阀磁阻元件都安装在印制电路板上，与信号处理电路、处理软件等可组成不同的功能模块。如水雷、鱼雷、炮弹、火箭弹等测姿模块、测姿近炸模块、目标识别模块等，也可成为工业测量、控制的重要元件。
有益效果
本发明通过将偏置永磁体和高频弱磁场作用在自旋阀磁阻传感器的屏蔽层，使原子层面的金属化合物部分不易改变方向原子磁矩，获得振动能量后围绕外磁场进动，减小了磁粘滞、钉扎等现象，使微分磁导率的离散性较小，从而减小了自旋阀磁阻元件（或隧道磁阻元件）的电压零位随机漂移量，经过信号处理，可测量恒弱至较高频率的弱磁场。
附图说明
图1是本发明的线圈扫描磁场电路原理图。
图2是本发明的自旋阀磁阻零位控制结构原理图，为自旋阀磁阻元件的SOP8、STO-23封装形式，其中左图为主视图，右图为右视图。
图3是本发明的自旋阀磁阻零位控制结构原理图，为TO-94封装形式，其中左图为主视图，右图为右视图。
图4是本发明的印制电路板图，为自旋阀磁阻的SOP8封装形式。
图5是本发明的印制电路板图，为自旋阀磁阻的TO-94封装形式。
其中，1-印制电路板、2-交变磁场线圈、3-偏置永磁体、4-自旋阀磁阻元件、5-线圈架；
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明进一步说明。
图1是本发明的线圈扫描磁场电路原理图，R1～R3、C1、C2表示线圈组和电路的电阻和电容值。通过频率发生器产生500KHz的信号，在第一线圈组中产生磁感应强度幅值为80nT的磁场，第二线圈组通过电容C1、C2，产生相位偏移90°，磁感应强度幅值为80nT的同频率磁场。
图2和图3是本发明的自旋阀磁阻零位控制器件结构原理图，其中图2为自旋阀磁阻的SOP8、STO-23封装形式，图3为TO-94封装形式。所述自旋阀磁阻零位控制器件由印制电路板1、交变磁场线圈2、偏置永磁体3、自旋阀磁阻元件4、线圈架5组装而成。印制电路板1一般为环氧板印制板，厚度为1.6mm或2.0mm。为了安装偏置永磁体3、交变磁场线圈2、线圈架5等，在SOP8、STO-23封装型自旋阀磁阻元件四周布置相应的安装结构。如安装偏置永磁体的槽；利用在印制电路板1上刻制的箔线组成线圈2的一部分，和线圈2的插孔等。
图4、5是本发明的印制电路板图，其中图4为自旋阀磁阻的SOP8封装形式，图5为TO-94封装形式。所述交变磁场线圈2包括第一线圈组和第二线圈组，每组包括两个线圈环；所述线圈环是由直径
纯铜裸线制成的半个环，表面进行镀银处理。该线圈环通过焊接固定在印制电路板上。图4中间为印制线路板的剖面图，左侧为印制电路板1上表面的两个并列排列的自旋阀磁阻元件4，右侧为印制电路板1下表面的线圈底部图。图5为TO-94封装形式印制电路板1下表面的线圈底部图，在第一线圈组的中心对称线上开有四个孔，将自旋阀磁阻元件4的四角插在孔中。
对于自旋阀磁阻元件的SOP8、STO-23封装形式，所述自旋阀磁阻零位控制结构的安装方式如下：在印制电路板1的下底面中心位置开槽，所述永磁体3充磁后安装在槽中；自旋阀磁阻元件4安装在印制电路板1的上表面；所述永磁体3位于自旋阀磁阻元件4的中部，永磁体3长度方向的轴线与自旋阀磁阻元件4的磁易敏感方向垂直。将交变磁场线圈2通过线圈架5安装在印制电路板1上表面；在交变磁场线圈2的中心位置布置1个或2个自旋阀磁阻元件4，两组线圈的轴线与自旋阀磁阻元件4的磁易敏感方向平行或垂直。
对于自旋阀磁阻元件的TO-94封装形式，所述自旋阀磁阻零位控制结构的安装方式如下：交变磁场线圈2通过线圈架5安装在印制电路板1上表面，在交变磁场线圈2的中心位置布置1个或2个自旋阀磁阻元件4，第一线圈组和第二线圈组的轴线与自旋阀磁阻元件4的磁易敏感方向平行或垂直。所述永磁体3充磁后安装在线圈架5的矩形槽中；所述永磁体3位于自旋阀磁阻敏感件4的中部，永磁体3长度方向的轴线与自旋阀磁阻元件4的磁易敏感方向垂直。
所述自旋阀磁阻零位控制结构的使用方法，是通过相位差为90°，频率为500kHz的二路正弦波，分别驱动第一线圈组和第二线圈组，使之在自旋阀磁阻元件的中心部位产生一个80nT左右的旋转磁场。该磁场的作用是将微观的原子核、电子的磁矩向能量最低外磁场方向转动；在宏观上表现为各磁场测量点的离散性更小，从而提高磁测量灵敏度和稳定性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种自旋阀磁阻零位控制结构，其特征在于：所述结构包括印制电路板（1）、偏置永磁体（3）、交变磁场线圈（2）、线圈架（5）、自旋阀磁阻元件（4）；
其中，所述偏置永磁体（3）为长方体；
所述交变磁场线圈（2）包括第一线圈组和第二线圈组，每组包括相互平行的两个线圈，第二线圈组位于第一线圈组之内；
所述自旋阀磁阻零位控制结构的安装方式如下：
在印制电路板（1）上安装永磁体（3）和自旋阀磁阻元件（4），永磁体（3）长度方向的轴线与自旋阀磁阻元件（4）的磁易敏感方向垂直；将交变磁场线圈（2）通过线圈架（5）安装在印制电路板（1）上；在交变磁场线圈（2）的中心位置布置1个或2个自旋阀磁阻元件（4），第一线圈组和第二线圈组的轴线与自旋阀磁阻元件（4）的磁易敏感方向平行或垂直。
2.根据权利要求1所述的一种自旋阀磁阻零位控制结构，其特征在于：第一线圈组和第二线圈组的磁感应强度的振幅、频率相同，相位差为90°。
3.根据权利要求1所述的一种自旋阀磁阻零位控制结构，其特征在于：偏置永磁体（3）长为5.0mm，截面为1.2×0.8mm。
4.根据权利要求1或3所述的一种自旋阀磁阻零位控制结构，其特征在于：偏置永磁体（3）由铝镍钴材料制成。
5.根据权利要求1~4任一项所述的一种自旋阀磁阻零位控制结构，其特征在于：所述控制结构采用自旋阀磁阻元件（4）的SOP8、STO-23或TO-94封装形式。
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