CN105093135A - 磁头以及磁性介质的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁头以及磁性介质的评价方法。磁头包括磁性传感器芯片、第一励磁和第二励磁，所述磁性传感器芯片包括磁性传感元件；当所述磁性介质的运动方向与<i>x</i>轴平行时，所述第一励磁和所述第二励磁沿<i>x</i>轴方向位于所述磁性传感器芯片的两侧，所述磁性传感器芯片的敏感轴与<i>z</i>轴平行，其中<i>z</i>轴垂直于<i>x</i>轴；所述第一励磁和所述第二励磁的激励合磁场<i>B</i>具有分别沿<i>x</i>轴和沿<i>z</i>轴分量<i>B_x</i>和<i>B_z</i><i>，</i>所述<i>B_x</i>在磁性传感器芯片位置的场强不为0，所述<i>B_z</i>在磁性传感器芯片所在位置的场强为0。本发明可以按照需求设置为单路或多路输出，每路采用一枚磁性传感器芯片，可在一个磁头中同时实现磁矩取向的判定和矫顽力大小的测量。

Description

磁头以及磁性介质的评价方法

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，特别是一种磁头以及磁性介质的评价方法。

背景技术

在日常生活中，磁性保密技术应用非常广泛，如银行卡、支票、保密文件、钞票、超市商品和图书馆的金属条等，都含有磁性材料用于防伪保密，如钞票的一段磁性条，支票的磁性油墨字符这些比较简单的保密图形。现有的磁性保密技术为使用磁头对使用磁性保密技术的物体的部分保密区域做粗略的扫描，得到简单的磁信号波形再跟标准信号进行核对达到防伪保密的目的，其判定依据为保密区域材料的磁性有无，或者材料的磁性强弱。随着近年来造假者的技术的提升，伪造简单的磁性保密图形和磁性条已经成为一种常规技术，不难看出，现有的简单粗糙的判定磁性材料磁性有无或强弱的鉴伪方法面对越来越先进的制假技术已经不能够有效地实现保密效果。

磁性介质条可根据其介质材料矫顽力的大小分为软磁材料和硬磁材料，也可以是矫顽力大小不同的混合材料分布于介质条不同的区域，同时，磁性介质材料具有磁化易轴和磁化难轴，沿磁化易轴和难轴方向磁化后的磁性介质材料的磁滞回线是不同的，因此，磁性介质的判定可以依据磁性介质材料的软硬度或其磁矩取向。已公开的技术已经可以实现磁性介质软硬磁的检测，如已公开的中国专利：软硬磁磁头（中国公开号：CN104392537A）；或磁矩取向的检测，如已公开的中国专利：识别磁条上磁性图形的磁矩取向装置及其识别方法（中国公开号：CN103268658A）。从上述可以看出，要实现对磁性介质材料的矫顽力大小的判定，每路至少需要两个传感器芯片，要实现对磁性介质材料的磁矩取向和矫顽力大小这两个参数的判定，至少需要两个磁头。

小型化可集成是现代电子元器件的发展趋势，从上述不难看出，采用现有的技术如果要同时判定矫顽力大小和磁矩取向，则至少需要设置两个磁头，一个用来测量矫顽力大小，一个用来测量磁矩取向，虽然提高了测量精度，但是体积很大，不利于集成。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供了一种磁头，其可以解决上述技术问题中的至少一种。

本发明的技术方案为：

一种磁头，用以测量磁性介质，包括磁性传感器芯片、第一励磁和第二励磁：

所述磁性传感器芯片包括磁性传感元件；

当所述磁性介质的运动方向与x轴平行时，所述第一励磁和所述第二励磁沿x轴方向位于所述磁性传感器芯片的两侧，所述磁性传感器芯片的敏感轴与z轴平行，其中z轴垂直于x轴；

所述第一励磁和所述第二励磁的激励合磁场B具有分别沿x轴和沿z轴分量B _x 和B _z ，所述B _x 在磁性传感器芯片位置的场强不为0，所述B _z 在磁性传感器芯片所在位置的场强为0。

优选地，所述磁性传感芯片为由磁性传感元件构成的单电阻、半桥或全桥结构。

优选地，所述半桥结构为梯度半桥结构，或，所述全桥结构为梯度全桥结构。

优选地，所述第一励磁和第二励磁的充磁方向相同。

优选地，所述第一励磁和第二励磁的充磁方向与x轴平行或呈一锐角或钝角。

优选地，所述磁头包括多个磁性传感器芯片，多个磁性传感器芯片沿y轴方向排布设置，其中y轴、x轴以及z轴两两垂直。

优选地，所述第一励磁和第二励磁在朝向所述磁性介质的一侧设置有软磁片。

优选地，所述磁性传感元件包括电感线圈、霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件、磁性隧道结元件中的一种或几种。

本发明还公开了一种磁性介质的评价方法，它包括以下步骤：

驱使磁性介质沿x轴方向运动，使磁性介质受到两个方向相反的B _x 的磁化，并且在所述磁性介质运动过程中检测所述磁性介质产生的漏磁场沿z轴方向的分量，其中x轴与z轴垂直；

基于检测漏磁场沿z轴方向的分量获取磁性介质沿z轴方向的输出曲线；

基于磁性介质沿z轴方向的输出曲线对磁性介质进行评价。

优选地，它还包括，基于磁性介质沿z轴方向的输出曲线对磁性介质的材料进行评价。

本发明采用上述结构和方法，可以按照需求设置为单路或多路输出，每路采用一枚磁性传感器芯片，可在一个磁头中同时实现磁矩取向的判定和矫顽力大小的测量。

附图说明

图1为本发明的磁头的结构示意图。

图2为本发明的磁头的激励合磁场沿x轴方向的分布图。

图3为本发明的磁头的工作原理示意图。

图4为垂直取向的高矫顽力的磁性介质的信号图。

图5为垂直取向的低矫顽力的磁性介质的信号图。

图6为多路输出的磁头的俯视示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，本发明提出的磁头包括磁性传感器芯片11、第一励磁12和第二励磁13、印刷线路板14、信号连接线15以及支架16。其中，磁性传感器芯片11用以测量磁性介质的漏磁场，其敏感方向1与z轴（垂直于磁性介质21平面x-y的方向）平行。第一励磁12和第二励磁13用以提供激励合磁场B（32）以磁化磁性介质。信号连接线15用以将磁头和系统连接供电以及信号输出。支架16是一种异形结构件，其形状和尺寸与磁性传感器芯片11、第一励磁12、第二励磁13、印刷线路板14（如果有）、信号连接线15相匹配，支架外靠近磁性介质的部分包裹有盖板用以保护支架，通常盖板为耐磨材料。磁性传感器芯片11的信号可直接通过信号连接线15输出，也可设置于印刷线路板14上经由信号连接线15输出。第一励磁12和第二励磁13可以为电磁铁、永磁体或电磁铁和永磁体的结合。

磁性介质材料的磁矩是难以直接测量的，通常采用的方式是用励磁对磁性介质施加激励合磁场32以磁化磁性介质，再通过磁性传感器测量磁性介质表面的漏磁场分布，不同的磁性材料根据其磁性能和磁矩分布，其漏磁场分布具有特征曲线。本发明中，第一励磁12和第二励磁13的激励合磁场32的分布可根据需求进行设置。图2是一种典型的磁场分布，如图所示，横轴为x轴，为磁性介质21的运动方向，纵轴为场强大小，Ｂ _x 为激励合磁场32沿x轴方向的分量，B _z 为激励合磁场32沿z轴方向的分量。磁性介质条可近似看做一个二维平面，该平面为x轴和y轴构成，而z轴垂直于该平面。如图2所示，B _x 的分布为：A-B区域对应的是第一励磁12的下方区域，B _x 为一负场，B-C区域对应的是第一励磁12和第二励磁13之间的区域，B _x 为一正场，在x=0位置附近B _x 不为0，C-D区域对应的是第二励磁13的下方区域，B _x 为一负场。沿着磁性介质21的运动方向x轴方向，激励合磁场32的z轴分量B _z 的特征分布（图中未标示）为：A-B区域B _z 首先增加为负值峰值，然后反向递减再增至正值峰值；B-C区域B _z 近似线性变化，由正值峰值递减然后再增加至负值的峰值，在x=0位置附近B _z 为0。由于第一励磁12和第二励磁13的充磁方向31平行于x轴，因此在磁性传感器芯片11位于x=0的位置B _x 的值不为零，而B _z 的值为零。上述场强的方向皆可逆，场强方向的正和负都是相对的。

第一励磁12和第二励磁13的激励合磁场32的分布由两个励磁的位置、材料、充磁方向、尺寸和形状决定，尤其是励磁和磁性介质之间的距离，对激励合磁场32的分布影响非常大，通常可以在励磁和磁性介质之间设置软磁片，可以有效的缓解由于距离带来的巨大影响。同时，在本实施例中，为了满足在磁性传感器芯片11所在位置B _x 不为0，B _z 为0，第一励磁12和第二励磁13的充磁方向31相同，且和x轴平行或呈一锐角或钝角，但这不是唯一解，两个励磁可以是不同的材料，其大小和充磁方向也可以不同，可以通过调节上述参数和摆放方式实现条件。

以下对本发明提出的磁头的工作方式做详细阐述：

以易磁化轴为水平取向（即平行于x轴）的低矫顽力磁性介质为例，如图3所示，磁性介质21首先经过第一励磁12的下方区域（即A-B区域），激励合磁场32此时沿x轴反向施加磁场，磁性介质21的磁矩22发生翻转；然后磁性介质21经过第一励磁12和第二励磁13的区域（即B-C区域），激励合磁场32此时时沿x轴正向施加磁场，磁矩22再次发生翻转，而激励合磁场32沿z轴方向的分量B _z 呈近似线性的变化，其在x=0（即磁性传感器芯片11所在位置）的位置B _z =0，当磁矩22经过磁性传感器芯片11时，传感器测量其漏磁场33沿z轴方向的分量。由于磁性介质21的易磁化轴平行于x轴，且其矫顽力很低，具有很低的磁滞，且B _z 在磁性传感器芯片11的位置为0，则易磁化轴为垂直取向的低矫顽力磁性介质沿z轴方向的输出曲线为一正弦波，如图4所示。

若已知磁性介质21的易磁化轴平行于x轴，如果该磁性介质材料矫顽力较高，则在经过A-B区域的反向场磁化后，再经过B-C区域被正向场磁化，由于磁滞现象，则其沿z轴方向的输出曲线为一余弦波，如图5所示。

在实际测量中，由于磁性材料不可能不存在磁滞，因此低矫顽力材料和高矫顽力材料分别对应的正弦波信号和余弦波信号只是近似的，理想化的状态，在实际测量中，软磁和硬磁材料的信号存在相位差，近似π/2。若已知磁性介质21的易磁化轴垂直于x轴，则x轴为其磁化难轴，因此在B-C区域即便低矫顽力材料仍具有一定的磁滞，其输出曲线为一偏移的正弦波，而垂直取向的高矫顽力材料的输出曲线仍为一余弦波，因此在这种情况下，低矫顽力材料和高矫顽力材料的输出曲线依然有一定的相位差，且信号量也会有一定的差别，在实际使用中，后端可根据其输出曲线的具体特征（波形、峰值大小等）对材料的矫顽力大小进行判定。

上述的工作状态是已知磁矩取向判定矫顽力大小。若已知材料矫顽力大小，判定磁矩取向的方式为：若已知磁性介质材料的矫顽力较低，如果其取向为平行于x轴，则沿着易磁化轴x轴方向磁滞很低，其输出曲线可近似为正弦波；若已知磁性材料的矫顽力较低，如果其取向为平行于z轴，则x轴为磁化难轴，具有一定的磁滞，其输出曲线为一偏移的正弦波。相应的，若磁性介质材料的矫顽力较高，其输出曲线为一余弦波，但是不同取向的高矫顽力材料沿z轴方向的磁滞回线仍具有不同的磁滞，其输出曲线依然有一定的相位差，且信号量也会有一定的差别，后端可根据其输出曲线的具体特征（波形、峰值大小等）对材料的取向进行判定。

上述用平行于x轴或z轴来判定磁矩的取向是一个近似解，由于磁矩是一个矢量，因此不会完全平行于x轴或z轴，多多少少会存在一定的夹角，因此本发明提出的判断方法为一近似解。上述的激励合磁场32为一矢量，具有x、y、z轴的三个分量，图3中激励合磁场32的箭头方向为其场强最强的方向，其平行或反平行于x轴，实际上该磁场不仅仅只有x轴分量。

如图6所示，本发明提出的磁头可根据需求设置多个磁性传感芯片（11a、11b、11c……11n）实现多路信号输出，每个通道的信号经过隔直差分放大后作为单独的一路信号输出，磁头通道总数由单个通道宽度和磁头总的长度决定。上述的传感单元通常为单电阻、半桥或全桥结构，考虑到抗干扰，设置为梯度半桥和梯度全桥为最优选择，此处可中国公开号为CN102831708A的发明专利：用于销售终端的读出磁头以及中国公开号为CN102590768A的发明专利：一种磁电阻磁场梯度传感器。

上述的单电阻结构包含一个桥臂，半桥结构包含两个桥臂，全桥结构包含四个桥臂，每个桥臂由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成，磁性传感元件可以是电感线圈、霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。其中，巨磁电阻元件和磁性隧道结元件为优选。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种磁头，用以测量磁性介质，包括磁性传感器芯片、第一励磁和第二励磁，其特征在于：

所述磁性传感器芯片包括磁性传感元件；

当所述磁性介质的运动方向与x轴平行时，所述第一励磁和所述第二励磁沿x轴方向位于所述磁性传感器芯片的两侧，所述磁性传感器芯片的敏感轴与z轴平行，其中z轴垂直于x轴；

所述第一励磁和所述第二励磁的激励合磁场B具有分别沿x轴和沿z轴分量B _x 和B _z ，所述B _x 在磁性传感器芯片位置的场强不为0，所述B _z 在磁性传感器芯片所在位置的场强为0。

2.如权利要求1所述的磁头，其特征在于，所述磁性传感芯片为由磁性传感元件构成的单电阻、半桥或全桥结构。

3.如权利要求2所述的磁头，其特征在于，所述半桥结构为梯度半桥结构，或，所述全桥结构为梯度全桥结构。

4.如权利要求1所述的磁头，其特征在于，所述第一励磁和第二励磁的充磁方向相同。

5.如权利要求1所述的磁头，其特征在于，所述第一励磁和第二励磁的充磁方向与x轴平行或呈一锐角或钝角。

6.如权利要求1所述的磁头，其特征在于，所述磁头包括多个磁性传感器芯片，多个磁性传感器芯片沿y轴方向排布设置，其中y轴、x轴以及z轴两两垂直。

7.如权利要求1所述的磁头，其特征在于，所述第一励磁和第二励磁在朝向所述磁性介质的一侧设置有软磁片。

8.如权利要求1所述的磁头，其特征在于，所述磁性传感元件包括电感线圈、霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件、磁性隧道结元件中的一种或几种。

9.一种磁性介质的评价方法，其特征在于，它包括以下步骤：

驱使磁性介质沿x轴方向运动，使磁性介质受到两个方向相反的B _x 的磁化，并且在所述磁性介质运动过程中检测所述磁性介质产生的漏磁场沿z轴方向的分量，其中x轴与z轴垂直；

基于检测漏磁场沿z轴方向的分量获取磁性介质沿z轴方向的输出曲线；

基于磁性介质沿z轴方向的输出曲线对磁性介质进行评价。

10.根据权利要求9所述的磁性介质的评价方法，其特征在于，它还包括，基于磁性介质沿z轴方向的输出曲线对磁性介质的材料进行评价。