CN106772149B - 一种优化的极大磁场测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化的极大磁场测量方法及装置，涉及磁场测量技术领域。本发明技术要点：将四个正交配置的隧穿磁阻电阻放置到外加磁场中，获取各隧穿磁阻电阻的阻值；根据四个电阻的阻值计算各隧穿磁阻电阻自由层与参考层磁化方向的夹角；根据第一隧穿磁阻电阻、第三隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角计算外加磁场的磁场强度H₁及方向θ₁；根据第二隧穿磁阻电阻、第四隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角计算外加磁场的磁场强度H₂及方向θ₂；根据磁场强度H₁与磁场强度H₂确定外加磁场最终的磁场强度H₀，根据方向θ₂与方向θ₁确定外加磁场最终的方向θ；根据方向θ对磁场强度H₀进行优化。

Description

一种优化的极大磁场测量方法及装置

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，尤其是一种针对极大范围的磁场强度的测量方法。

背景技术

隧穿磁阻电阻在待测磁场较小时具有良好的线性度，测量精度较好，当外界磁场极大(160Oe～2500Oe，Oe为磁场强度单位——奥斯特)时，隧穿磁阻参考层磁畴发生显著旋转，隧穿磁阻电阻进入饱和区。现有的测量方法完全不能适应极大磁场的测量，需要提出一种新的，适用于极大磁场测量方法。

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，提供一种适用于极大磁场测量方法及装置。

本发明提供的一种优化的极大磁场测量方法，包括：

步骤1：将四个正交配置的隧穿磁阻电阻放置到外加磁场中，并获取各个隧穿磁阻电阻的阻值；第一隧穿磁阻电阻与第三隧穿磁阻电阻位于一条直线上，第二隧穿磁阻电阻与第四隧穿磁阻电阻位于另一条直线上，所述一条直线与所述另一条直线垂直；

步骤2：根据四个隧穿磁阻电阻的阻值计算各隧穿磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角；

步骤3：根据第一隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角以及第三隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角计算外加磁场的磁场强度H₁及方向θ₁；根据第二隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角以及第四隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角计算外加磁场的磁场强度H₂及方向θ₂；

步骤4：根据磁场强度H₁与磁场强度H₂确定外加磁场最终的磁场强度H₀，根据方向θ₂与方向θ₁确定外加磁场最终的方向θ；

步骤5：根据方向θ对磁场强度H₀进行优化。

进一步，步骤2中，根据隧穿磁阻电阻的阻值计算其自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角方程为：

式中，R_avg＝(R_max+R_min)/2，Δ_max＝(R_max-R_min)/R_avg，当自由层磁化方向和参考层磁化方向相同时，隧穿磁阻电阻的阻值最小，为R_min；当自由层磁化方向和参考层磁化方向相反时，隧穿磁阻电阻的阻值最大，为R_max；为隧穿磁阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角；R为隧穿磁阻电阻在所述外加磁场中的阻值。

进一步，步骤3中，磁场强度H₁及方向θ₁的计算公式为：

式中，H_BR为四个隧穿磁阻电阻的参考层内部偏置场的幅值；为第一隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；为第三隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；

磁场强度H₂及方向θ₂的计算公式为：

式中，H_BR为四个隧穿磁阻电阻的参考层内部偏置场的幅值；为第二隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；为第四隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角。

步骤4中确定外加磁场最终的磁场强度H₀及最终的方向θ的步骤进一步包括，

H₀＝H₁＝H₂；

步骤5进一步包括：优化后的外加磁场的磁场强度H＝kH₀+b，k、b为修正系数。

本发明还提供了一种优化的极大磁场测量装置，包括：

隧穿磁阻电阻阻值获取模块，用于获取外加磁场中正交配置的四个隧穿磁阻电阻的阻值；其中，第一隧穿磁阻电阻与第三隧穿磁阻电阻位于一条直线上，第二隧穿磁阻电阻与第四隧穿磁阻电阻位于另一条直线上，所述一条直线与所述另一条直线垂直；

隧穿磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向夹角计算模块，用于根据四个隧穿磁阻电阻的阻值计算各隧穿磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角；

外加磁场的磁场强度及方向预计算模块，用于根据第一隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角以及第三隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角计算外加磁场的磁场强度H₁及方向θ₁；根据第二隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角以及第四隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角计算外加磁场的磁场强度H₂及方向θ₂；

外加磁场的磁场强度及方向确定模块，用于根据磁场强度H₁与磁场强度H₂确定外加磁场最终的磁场强度H₀，根据方向θ₂与方向θ₁确定外加磁场最终的方向θ；

磁场强度优化模块，用于根据方向θ对磁场强度H₀进行优化。

隧穿磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向夹角计算模块进一步用于，根据隧穿磁阻电阻的阻值计算其自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角方程为：

式中，R_avg＝(R_max+R_min)/2，Δ_max＝(R_max-R_min)/R_avg，当自由层磁化方向和参考层磁化方向相同时，隧穿磁阻电阻的阻值最小，为R_min；当自由层磁化方向和参考层磁化方向相反时，隧穿磁阻电阻的阻值最大，为R_max；为隧穿磁阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角；R为隧穿磁阻电阻在所述外加磁场中的阻值。

进一步，外加磁场的磁场强度及方向预计算模块计算磁场强度H₁及方向θ₁的公式为：

式中，H_BR为四个隧穿磁阻电阻的参考层内部偏置场的幅值；为第一隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；为第三隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；

外加磁场的磁场强度及方向预计算模块计算磁场强度H₂及方向θ₂的公式为：

式中，H_BR为四个隧穿磁阻电阻的参考层内部偏置场的幅值；为第二隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；为第四隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角。

进一步，外加磁场的磁场强度及方向确定模块利用以下公式确定外加磁场最终的磁场强度H₀及最终的方向θ：

H₀＝H₁＝H₂；

磁场强度优化模块进一步用于，根据以下公式优化后的外加磁场的磁场强度H：

H＝kH₀+b，k、b为修正系数。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提供的极大磁场测量方法实现了对极大磁场的准确测量，扩大了隧穿磁阻电阻的磁场强度测量范围。同时本发明提供了一种优化极大磁场的磁场强度的方法，进一步提高的检测极大磁场的精确度。

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为外加磁场中隧穿磁阻电阻的分布图。

图2为极大磁场测量矢量图。

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。

首先，在外加磁场中放置四个正交配置的隧穿磁阻电阻(I以下简称为电阻)，布置如图1所示。其中电阻R1与电阻R3位于一条直线上，电阻R2与电阻R4位于另一条直线上，两条直线正交。

根据上述布置，四个隧穿磁阻电阻的极大磁场测量分布图如图2所示。以电阻参考层偏置场方向为参考方向，四个电阻依次旋转90°正交布置。图中H，θ为外加磁场幅值和方向；FL为四个电阻的自由层磁化方向的合成方向，可近似认为均和外加磁场方向相同；四个矢量H_BR表示四个磁阻电阻的参考层内部偏置场的幅值和方向，本实施例中四个磁阻电阻相同，因此认为它们的参考层内部偏置场幅值相同，相邻的两个磁阻电阻的参考层内部偏置场方向正交；RL_{1，2，3，4}分别表示为四个电阻的参考层磁化方向，其与外加磁场和各自的参考层内部偏置场的合成方向一致；为四个电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角。

由图2的矢量关系，可得四个芯片磁化方向和外加磁场的关系为：

外加磁场的幅值和方向可通过上述方程组的其中两个计算得到。然而仅有两个电阻无法计算整个二维平面的磁场，如当选择电阻R1和电阻R3计算外加磁场时，显然外加磁场为0°～180°和180°～360°时镜面对称，因此必须先借助另外两个电阻判断外加磁场方向范围，然后选择合适的两个电阻进行计算。

以电阻R1和电阻R3作为一组，可计算得到：

式中，H₁，θ₁分别为通过R₁和R₃计算得到的外加磁场幅值和方向。

以电阻R2和电阻R4作为另一组，可计算得到：

式中，H₂，θ₂分别为通过R2和R4计算得到的外加磁场幅值和方向。

通过比较比较上述两式的角度，可得外加磁场幅值和方向为：

H₀＝H₁＝H₂

上述公式中，各个隧穿磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角是用以下公式求得的。

隧穿磁阻电阻的阻值取决于其自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角。当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。R_min及R_max可由标定得到。

在外加磁场中隧穿磁阻电阻的电阻值R与自由层、参考层磁化方向的关系为：

式中，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。

经过实验，我们发现通过上述步骤计算得到的极大磁场的磁场强度与实际值具有一定的差别，且其和实际值基本保持线性关系，因此可对其进行修正。

由于前述步骤计算得到的磁场方向基本准确，因此只需对磁场幅值进行修正即可。修正方案为：H＝kH₀+b，H₀为前述步骤得到的外加磁场的磁场强度，k、b为修正系数，和被测磁场角度相关，H为优化后的磁场幅值。修正系数k和b与被测磁场方向的关系为：

其他角度范围满足周期特性。

需要说明的是，针对不同的磁阻电阻，修正系数k和b是不同的，需要针对特定的磁阻电阻进行试验测试标定。具体做法是将本发明中计算得到的H₀与真实磁场(精度更高的仪器测定的结果)比较，然后通过数值拟合的方法得到H₀与真实磁场之间的数值关系。

本发明还提供了一套与上述方法步骤一一对应的软系统。

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 (10)

1.一种优化的极大磁场测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：将四个正交配置的隧穿磁阻电阻放置到外加磁场中，并获取各个隧穿磁阻电阻的阻值；第一隧穿磁阻电阻与第三隧穿磁阻电阻位于一条直线上，第二隧穿磁阻电阻与第四隧穿磁阻电阻位于另一条直线上，所述一条直线与所述另一条直线垂直；

步骤2：根据四个隧穿磁阻电阻的阻值计算各隧穿磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角；

步骤3：根据第一隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角以及第三隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角计算外加磁场的磁场强度H₁及方向θ₁；根据第二隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角以及第四隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角计算外加磁场的磁场强度H₂及方向θ₂；

步骤4：根据磁场强度H₁与磁场强度H₂确定外加磁场最终的磁场强度H₀，根据方向θ₂与方向θ₁确定外加磁场最终的方向θ；

步骤5：根据方向θ对磁场强度H₀进行优化。

2.根据权利要求1所述的一种优化的极大磁场测量方法，其特征在于，步骤2中，根据隧穿磁阻电阻的阻值计算其自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角方程为：

式中，R_avg＝(R_max+R_min)/2，Δ_max＝(R_max-R_min)/R_avg，当自由层磁化方向和参考层磁化方向相同时，隧穿磁阻电阻的阻值最小，为R_min；当自由层磁化方向和参考层磁化方向相反时，隧穿磁阻电阻的阻值最大，为R_max；为隧穿磁阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角；R为隧穿磁阻电阻在所述外加磁场中的阻值。

3.根据权利要求1所述的一种优化的极大磁场测量方法，其特征在于，步骤3中，磁场强度H₁及方向θ₁的计算公式为：

式中，H_BR为四个隧穿磁阻电阻的参考层内部偏置场的幅值；为第一隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；为第三隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；

磁场强度H₂及方向θ₂的计算公式为：

式中，H_BR为四个隧穿磁阻电阻的参考层内部偏置场的幅值；为第二隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；为第四隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角。

4.根据权利要求1所述的一种优化的极大磁场测量方法，其特征在于，步骤4中确定外加磁场最终的磁场强度H₀及最终的方向θ的步骤进一步包括，

H₀＝H₁＝H₂；

5.根据权利要求1所述的一种优化的极大磁场测量方法，其特征在于，步骤5进一步包括：优化后的外加磁场的磁场强度H＝kH₀+b，k、b为修正系数。

6.一种优化的极大磁场测量装置，其特征在于，包括：

隧穿磁阻电阻阻值获取模块，用于获取外加磁场中正交配置的四个隧穿磁阻电阻的阻值；其中，第一隧穿磁阻电阻与第三隧穿磁阻电阻位于一条直线上，第二隧穿磁阻电阻与第四隧穿磁阻电阻位于另一条直线上，所述一条直线与所述另一条直线垂直；

隧穿磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向夹角计算模块，用于根据四个隧穿磁阻电阻的阻值计算各隧穿磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角；

外加磁场的磁场强度及方向预计算模块，用于根据第一隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角以及第三隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角计算外加磁场的磁场强度H₁及方向θ₁；根据第二隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角以及第四隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角计算外加磁场的磁场强度H₂及方向θ₂；

外加磁场的磁场强度及方向确定模块，用于根据磁场强度H₁与磁场强度H₂确定外加磁场最终的磁场强度H₀，根据方向θ₂与方向θ₁确定外加磁场最终的方向θ；

磁场强度优化模块，用于根据方向θ对磁场强度H₀进行优化。

7.根据权利要求6所述的一种优化的极大磁场测量装置，其特征在于，隧穿磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向夹角计算模块进一步用于，根据隧穿磁阻电阻的阻值计算其自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角方程为：

式中，R_avg＝(R_max+R_min)/2，Δ_max＝(R_max-R_min)/R_avg，当自由层磁化方向和参考层磁化方向相同时，隧穿磁阻电阻的阻值最小，为R_min；当自由层磁化方向和参考层磁化方向相反时，隧穿磁阻电阻的阻值最大，为R_max；为隧穿磁阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角；R为隧穿磁阻电阻在所述外加磁场中的阻值。

8.根据权利要求6所述的一种优化的极大磁场测量装置，其特征在于，外加磁场的磁场强度及方向预计算模块计算磁场强度H₁及方向θ₁的公式为：

式中，H_BR为四个隧穿磁阻电阻的参考层内部偏置场的幅值；为第一隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；为第三隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；

外加磁场的磁场强度及方向预计算模块计算磁场强度H₂及方向θ₂的公式为：

式中，H_BR为四个隧穿磁阻电阻的参考层内部偏置场的幅值；为第二隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；为第四隧穿磁阻电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角。

9.根据权利要求6所述的一种优化的极大磁场测量装置，其特征在于，外加磁场的磁场强度及方向确定模块利用以下公式确定外加磁场最终的磁场强度H₀及最终的方向θ：

H₀＝H₁＝H₂；

10.根据权利要求6所述的一种优化的极大磁场测量装置，其特征在于，磁场强度优化模块进一步用于，根据以下公式优化后的外加磁场的磁场强度H：

H＝kH₀+b，k、b为修正系数。