CN106556808B - 基于传感方向的磁阻静态特性优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及静态特征优化技术领域，公开了一种基于传感方向的磁阻静态特性优化方法。具体包括以下步骤：步骤1、将易轴偏置场、难轴偏置场设置为恒定值，设置传感方向的取值获取传感曲线；步骤2、选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，将传感曲线经过目标函数优化，获取灵敏度k、偏置b和绝对误差Err；步骤3、选取不同的磁场测量范围的最大值hFM，重复步骤2；步骤4、选取不同的传感方向的取值，重复步骤1‑3，获取在同一个二维坐标的N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线；步骤5、根据所述二维坐标获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场、难轴偏置场下使得绝对误差最小的传感方向相应值。通过调节传感方向，获取更大的线性区域。
Description
技术领域
本发明涉及静态优化特征技术领域，特别是一种基于传感方向的磁阻静态特性优化方法。
背景技术
隧穿磁阻芯片研制过程中，测量精度对芯片的影响非常重要。静态线性特性是隧穿磁阻芯片在线性测量中的重要特性之一，可以通过调解传感方向来降低非线性误差，以此提高测量精度。
在芯片制备的过程中，为了提高芯片的线性特性，通常在易轴方向施加有偏置。同时由于制备工艺的局限性，难轴也存在偏置。由单畴模型可知，隧穿磁阻在难轴附近方向磁畴旋转可逆且连续。因此，其最佳传感方向不一定沿难轴方向，传感方向沿难轴偏置场时，外界磁场传感方向θ＝90°。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于传感方向的磁阻静态特性优化方法。
本发明采用的技术方案如下：一种基于传感方向的磁阻静态特性优化方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将易轴偏置场和难轴偏置场设置为恒定值，设置传感方向的取值，根据传感器的输出函数在二维坐标上得到磁阻变化率与归一化磁场关系的传感曲线；
步骤2、选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，将传感曲线经过目标函数优化，其中，f(hF)为电桥芯片的输出函数，hF为外界磁场，hFM为磁场测量范围的最大值，k，b为芯片的灵敏度和偏置，获取灵敏度k、偏置b和绝对误差Err；
步骤3、选取不同的磁场测量范围的最大值hFM，重复步骤2，获取恒定易轴偏置场、难轴偏置场情况下，当前传感方向取值下的绝对误差Err、灵敏度k、偏置b与磁场测量范围的关系曲线；
步骤4、选取N-1个不同的传感方向的取值，所述N为大于2的自然数，重复步骤1-3，获取N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线，所述N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标A中，每条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线对应不同的传感方向的取值；
步骤5、根据所述二维坐标A获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场、难轴偏置场下使得绝对误差最小的传感方向相应值。
进一步的，所述步骤1中输出函数为：
其中VSP，VSN，VOP，VON分别为电桥芯片的正负电源和正负输出；R1和R2分别表示第一隧穿磁阻电阻和第二隧穿磁阻；Δmax为最大磁电阻变化率；为第一隧穿磁阻的自由层磁化方向，为第二隧穿磁组的自由层磁化方向。
进一步的，所述步骤2的具体过程为：
步骤21、选取特定的测量范围的磁场最大值hFM，截取磁场测量范围为-hFM～hFM间的传感曲线；
步骤22、利用两条平行直线包络住截取后的传感曲线，并使得两条平行直线之间的距离最小；
步骤23、所述两条平行直线中间的平行直线为优化后的目标直线，该目标直线的斜率以及与纵坐标的交点分别为灵敏度k和偏置b；
步骤24、获取包络直线与目标直线在纵坐标交点的距离即为绝对误差Err，或将所述灵敏度k和偏置b的值代入目标函数获取得到特定的测量范围的磁场最大值hFM下的绝对误差Err。
进一步的，根据非线性误差FS％＝Err/|kXFM|，获取N条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线，所述N条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标B中，每条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线对应不同的传感方向的取值；根据二维坐标B获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场、难轴偏置场下使得非线性误差最小的传感方向相应值。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：通过绝对误差对传感曲线进行优化，得到特定难轴偏置场和易轴偏置场下传感方向不同取值时绝对误差和磁场测量范围的关系，通过在二维坐标的关系曲线查看出最小绝对误差对应的传感方向的取值，可以通过传感方向有效扩展隧穿磁阻传感器的线性区域，获得更大的线性区域。
附图说明
图1是采用的电桥模型的结构示意图。
图2是自由层偏置场为(1,0.5)时，传感方向为90°时的传感曲线仿真图。
图3是自由层偏置场为(1,0.5)时，不同传感方向情况下绝对误差与磁场测量范围的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1-3所示，一种基于传感方向的磁阻静态特性优化方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将易轴偏置场和难轴偏置场设置为恒定值，设置传感方向的取值，根据传感器的输出函数在二维坐标上得到磁阻变化率与归一化磁场关系的传感曲线；
步骤2、选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，将传感曲线经过目标函数优化，其中，f(hF)为电桥芯片的输出函数，hF为外界磁场，hFM为磁场测量范围的最大值，k，b为芯片的灵敏度和偏置，获取灵敏度k、偏置b和绝对误差Err；
步骤3、选取不同的磁场测量范围的最大值hFM，重复步骤2，获取恒定易轴偏置场、难轴偏置场情况下，当前传感方向取值下的绝对误差Err、灵敏度k、偏置b与磁场测量范围的关系曲线；
步骤4、选取N-1个不同的传感方向的取值，所述N为大于2的自然数，重复步骤1-3，获取N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线，所述N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标A中，每条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线对应不同传感方向的取值；
步骤5、根据所述二维坐标A获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场、难轴偏置场下使得绝对误差最小的传感方向相应值。
如图1所示为采用的电桥模型，建立数学模型为:
其中hBF表示自由层的内部偏置场归一值，hF表示外界磁场在各层的归一值，为第一隧穿磁阻的自由层磁化方向，为第二隧穿磁组的自由层磁化方向；θBF为自由层的内部偏置磁场方向，θ为外界磁场的传感方向，隧穿磁阻电阻与自由层、参考层磁化方向的关系为 其中R1和R2分别表示第一隧穿磁阻电阻和第二隧穿磁阻，Δmax为最大磁电阻变化率，Ravg为平均电阻，建立输出函数为其中VSP，VSN，VOP，VON分别为电桥芯片的正负电源和正负输出。
传感方向θ＝90°的实施例：以易轴偏置场取1，难轴偏置场取0.5为例，根据输出函数，在二维坐标上测量得到磁阻变化率与归一化磁场关系的传感曲线，如图2中实线曲线。
进行步骤2的具体过程：选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，截取磁场测量范围为-hFM～hFM间的传感曲线，本实施列中hFM取2，传感曲线如图2中的实线；利用两条平行直线包络住截取后的传感曲线，并使得两条平行直线中间的距离最小，所述两条平行直线如图中两侧的两条虚线；所述两条平行直线之间的平行直线为优化后的目标直线，该目标直线的斜率以与纵坐标的交点分别为灵敏度k和偏置b；获取包络直线与目标直线在纵坐标交点的距离即为绝对误差Err，或将所述灵敏度k和偏置b的值代入目标函数获取得到特定的磁场测量范围的最大值hFM为2下的绝对误差Err。
选取不同的磁场测量范围的最大值hFM，此时易轴偏置为1，难轴偏置为0.5时，传感方向为90°，重复步骤2，获取恒定的易轴偏置场为1和难轴偏置为场0.5情况下，传感方向为90°时绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线；
选取不同的难轴偏置场的取值，包括70°,80°，100°，110°，重复步骤1-3，获取5条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线，所述5条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标；此时易轴偏置为1，难轴偏置为0.5，每条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线对应不同的传感方向的取值，包括70°,80°，90°，100°，110°。
根据所述二维坐标获取特定磁场测量范围和特定的难轴偏置场、易轴偏置场下使得绝对误差最小的传感方向相应值。从二维坐标可以查找任何一个磁场测量范围对应最小绝对误差时的传感方向取值。
根据非线性误差FS％＝Err/|kXFM|，获取5条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线，如图3所示，所述5条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标B中，具有5个不同的传感方向的取值，包括70°,80°，90°，100°，110°，分别对应图3中曲线1、曲线2、曲线3、曲线4和曲线5；根据二维坐标B获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场、难轴偏置场下使得非线性误差最小的传感方向相应值。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
Claims (3)
1.一种基于传感方向的磁阻静态特性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将易轴偏置场和难轴偏置场设置为恒定值，设置传感方向的取值，根据传感器的输出函数在二维坐标上得到磁阻变化率与归一化磁场关系的传感曲线；
步骤2、选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，将传感曲线经过目标函数优化，其中，f(hF)为电桥芯片的输出函数，hF为外界磁场，hFM为磁场测量范围的最大值，k，b为芯片的灵敏度和偏置，获取灵敏度k、偏置b和绝对误差Err；
优化的具体过程为：
步骤21、选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，截取磁场测量范围为-hFM～hFM间的传感曲线；
步骤22、利用两条平行直线包络住截取后的传感曲线，并使得两条平行直线之间的距离最小；
步骤23、所述两条平行直线中间的平行直线为优化后的目标直线，该目标直线的斜率以及与纵坐标的交点分别为灵敏度k和偏置b；
步骤24、获取包络直线与目标直线在纵坐标交点的距离即为绝对误差Err，或将所述灵敏度k和偏置b的值代入目标函数获取得到特定的磁场测量范围的最大值hFM下的绝对误差Err；
步骤3、选取不同的磁场测量范围的最大值hFM，重复步骤2，获取恒定易轴偏置场、难轴偏置场情况下，当前传感方向取值下的绝对误差Err、灵敏度k、偏置b与磁场测量范围的关系曲线；
步骤4、选取N-1个不同的传感方向的取值，所述N为大于2的自然数，重复步骤1-3，获取N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线，所述N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标A中，每条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线对应不同的传感方向的取值；
步骤5、根据所述二维坐标A获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场、难轴偏置场下使得绝对误差最小的传感方向相应值。
2.如权利要求1所述的基于传感方向的磁阻静态特性优化方法，其特征在于，所述步骤1中输出函数为：
其中VSP，VSN，VOP，VON分别为电桥芯片的正负电源和正负输出；R1和R2分别表示第一隧穿磁阻电阻和第二隧穿磁阻；Δmax为最大磁电阻变化率；为第一隧穿磁阻的自由层磁化方向，为第二隧穿磁组的自由层磁化方向。
3.如权利要求1所述的基于传感方向的磁阻静态特性优化方法，其特征在于，还包括以下过程：根据非线性误差FS％＝Err/|kXFM|，获取N条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线，所述N条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标B中，每条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线对应不同的传感方向的取值；根据二维坐标B获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场、难轴偏置场下使得非线性误差最小的传感方向相应值。
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