CN106772148B - 一种小磁场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小磁场测量方法，涉及磁场测量技术领域。本发明采用的技术方案包括：步骤1：采集位于待测磁场中至少两个磁阻电阻的阻值R₁，R₂；两个磁阻电阻呈一定夹角θ′放置；步骤2：将其中一个磁阻电阻的阻值R₁及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ‑θ₀)H+R₀，将另一个磁阻电阻的阻值R₂及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ‑θ₀‑θ′)H+R₀得到二元方程组；步骤3：求解所述两个二元方程组，得到待测量磁场的磁场强度H及方向θ等。

Description

一种小磁场测量方法

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，尤其是一种针对小磁场强度的测量方法。

背景技术

磁阻电阻在待测磁场较小时(磁场强度小于0.1H_AF，H_AF为磁阻电阻的自由层的各向异性场，不同的磁阻电阻其H_AF是不同的，一般说来为几十Oe。Oe为磁场强度单位——奥斯特)具有良好的线性度，测量精度较好。现有的小磁场测量方法认为在磁阻电阻的难轴方向上灵敏度最高(即磁场方向与易轴方向夹角为90°)，根据磁阻电阻的阻值计算磁场大小及方向时以该方向作为最大灵敏度方向进行计算。

然而我们在研究中发现磁阻电阻的最大灵敏度方向与磁场的夹角并非90°，而是在60°～80°之间。因此，现有的计算模型将不能更加精准的测量计算小磁场。需要基于我们的研究发现提供一种新的小磁场测量方法。

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，提供一种精准度更高的小磁场测量方法。

本发明采用的技术方案如下：包括：

步骤1：采集位于待测磁场中至少两个磁阻电阻的阻值R₁，R₂；两个磁阻电阻呈一定夹角θ′放置；

步骤2：将其中一个磁阻电阻的阻值R₁及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H+R₀，将另一个磁阻电阻的阻值R₂及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀-θ′)H+R₀得到二元方程组：

其中，R为置于待测磁场中磁阻电阻的阻值，H为待测量磁场的磁场强度，θ为待测磁场的磁场方向，R₀为零磁场时磁阻电阻的阻值；

式中，分别为磁阻电阻置于零磁场时自由层的饱和磁化方向以及参考层的饱和磁化方向；

式中，H_AF、H_AR分别为磁阻电阻自由层的各项异性场幅值及参考层的各项异性场幅值；h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF、θ_BF分别为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场幅值及方向；h_BR＝H_BR/H_AR，H_BR、θ_BR分别为磁阻电阻参考层的内部偏置磁场幅值及方向；

步骤3：求解步骤2中的二元方程组，得到待测量磁场的磁场强度H及方向θ。

优选的，所述θ′为90°。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提出的小磁场测量方法是基于磁阻电阻的实际最大灵敏度方向，测量精度更高。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为两个磁阻电阻的相对位置示意图。

图2为最简单隧穿磁阻单畴模型。

图3为隧穿磁阻电阻自由层与参考层贡献的灵敏度随角度变化的仿真图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1，在待测小磁场中布设两个磁阻电阻，优选的是使这两个磁阻电阻呈90°夹角布设，在其他实施例中还可以布设更多，如设置四个电阻，四个电阻呈“十”字型布设。

测量位于待测小磁场中两个磁阻电阻的阻值R₁、R₂。

将其中一个磁阻电阻的阻值R₁及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H+R₀，将另一个磁阻电阻的阻值R₂及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀-θ′)H+R₀得到两个二元一次方程：

其中，R为置于待测磁场中磁阻电阻的阻值，H为待测量磁场的磁场强度，θ为待测磁场的磁场方向，R₀为零磁场时磁阻电阻的阻值；

式中，分别为磁阻电阻置于零磁场时自由层的饱和磁化方向以及参考层的饱和磁化方向；

式中，H_AF、H_AR分别为磁阻电阻自由层的各项异性场幅值及参考层的各项异性场幅值；h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF、θ_BF分别为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场幅值及方向；h_BR＝H_BR/H_AR，H_BR、θ_BR分别为磁阻电阻参考层的内部偏置磁场幅值及方向。

即最后得到的两个方程为：

R₁＝k_m1cos(θ-θ₀₁)H+R₀₁；R₂＝k_m2cos(θ-θ₀₂-θ′)H+R₀₂；

其中，R₀₁为零磁场时第一磁阻电阻的阻值，可以测试得到。

式中，分别为第一磁阻电阻置于零磁场时自由层的饱和磁化方向以及参考层的饱和磁化方向，均可在零磁场时测得。

式中，H_AF1、H_AR1分别为第一磁阻电阻自由层的各项异性场幅值及参考层的各项异性场幅值；h_BF1＝H_BF1/H_AF1，H_BF1、θ_BF1分别为第一磁阻电阻自由层的内部偏置磁场幅值及方向；h_BR1＝H_BR1/H_AR1，H_BR1、θ_BR1分别为第一磁阻电阻参考层的内部偏置磁场幅值及方向，这些值为磁阻电阻固有的参数，可以测得也可以直接从磁阻电阻厂商提供的数据手册中获取。

同样的方式，将第二磁阻的相关参数带入，得到k_m2及θ₀₂。

计算上述两个方程组成的方程组的解，便得到待测小磁场的磁场强度H及方向θ。

本发明方法适用各类磁阻电阻，包括隧穿磁阻电阻、巨磁阻电阻以及自旋阀结构磁阻电阻等。下面以隧穿磁阻电阻为例，阐述上述方法的推导过程，以便本领域技术人员更好的理解本发明。

在小磁场范围测量情况下，由于外加磁场远小于参考层和被钉扎层内部偏置场，钉扎层和参考层几乎不变，自由层和参考层间的耦合能可计入自由层计算。自由层和参考层均可简化为图2中最简单的模型，且可分开计算。令易轴角度α＝0，则自由层和参考层的磁化方向为：

式中，h_F＝H/H_AF，h_R＝H/H_AR，分别为隧穿磁阻电阻自由层的饱和磁化强度、参考层的饱和磁化强度。

无外界磁场时，各层磁化方向满足：

其中自由层磁化方向满足：

当外界磁场方向不变时，自由层磁化方向满足：则在外界磁场为零时的导数满足：

相应地，参考层在外界磁场为零时的导数满足：

可知，隧穿磁阻电阻灵敏度包括两个分量：自由层分量和参考层分量。每个分量的最大灵敏度方向分别垂直于其初始的磁化方向。

因此，隧穿磁阻电阻在外界磁场为零时的导数满足：

为归一化后的隧穿磁阻电阻的灵敏度，R_avg＝(R_max+R_min)/2，为平均电阻；Δ_max＝(R_max-R_min)/R_avg，为最大磁电阻变化率。当磁阻电阻的自由层和参考层磁化方向相同时，电阻值最小，为R_min，当自由层和参考层磁化方向相反时，电阻值最大，为R_max。

对式(1)进行仿真，得到图3的结果。通常，参考层由被钉扎层强耦合在难轴方向，耦合场典型值高达数千高斯，远大于外加磁场，参考层磁化方向随外界磁场变化很小。隧穿磁阻由自由层和参考层贡献的灵敏度随角度变化如图3，图中FL表示自由层灵敏度，RL表示参考层灵敏度，仿真设置h_BXF(＝H_BRcos(θ_BR))＝h_BXR(＝H_BRsin(θ_BR))＝1。总灵敏度为自由层和参考层分量的叠加，叠加后，即FL+RL，仍为正弦形式变化。从图3可以看出，隧穿磁阻电阻的最大灵敏度方向并非在磁场方向的90°，而是在90°之前，正弦曲线已出现最大值。

本领域技术人员知晓，在小磁场中隧穿磁阻电阻的阻值R与磁场强度呈线性关系，即

对式(1)进行变形，令：

则等式右边变为：

灵敏度幅值为：

灵敏度方向为：

最终等式为：

进一步，得到公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H+R₀。

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。

Claims (2)

1.一种小磁场测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：采集位于待测磁场中至少两个磁阻电阻的阻值R₁，R₂；两个磁阻电阻呈一定夹角θ′放置；

步骤2：将其中一个磁阻电阻的阻值R₁及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H+R₀，将另一个磁阻电阻的阻值R₂及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀-θ′)H+R₀得到二元方程组：

其中，R为置于待测磁场中磁阻电阻的阻值，H为待测量磁场的磁场强度，θ为待测磁场的磁场方向，R₀为零磁场时磁阻电阻的阻值；

式中，分别为磁阻电阻置于零磁场时自由层的饱和磁化方向以及参考层的饱和磁化方向；

式中，H_AF、H_AR分别为磁阻电阻自由层的各项异性场幅值及参考层的各项异性场幅值；h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF、θ_BF分别为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场幅值及方向；h_BR＝H_BR/H_AR，H_BR、θ_BR分别为磁阻电阻参考层的内部偏置磁场幅值及方向；

步骤3：求解步骤2中的二元方程组，得到待测量磁场的磁场强度H及方向θ。

2.根据权利要求1所述的一种小磁场测量方法，其特征在于，所述θ′为90°。