CN107167749B - 一种中大磁场测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中大磁场测量方法及系统，涉及磁场测量技术领域。本发明技术要点包括：对于任意外加磁场，测量得到两个不同易轴方向的隧穿磁阻电阻的阻值R₁，R₂，同时将无磁场时两个隧穿磁阻电阻的初始参考层磁化方向作为给定的参考层磁化方向根据两个隧穿磁阻电阻的阻值分别计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；分别根据两个隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向及两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角计算出两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向；根据两个隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向、两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向求解外加磁场的磁场幅值及方向等。

Description

一种中大磁场测量方法及系统

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，尤其是一种针对中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，但是其难以对中大范围(磁场强度约为4～6H_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)的磁场进行测量，这是因为：1)隧穿磁阻电阻的传感曲线在中大范围由线性趋向饱和，严重非线性，需要建立非线性模型进行计算；2)隧穿磁阻电阻的参考层将发生显著旋转，必须考虑参考层的影响；3)隧穿磁阻磁畴方向可能发生不可逆翻转，电阻值会跳变，形成两根分叉的不同传感曲线。

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，提供一种适用于中大磁场的隧穿磁阻的矢量测量方法。

本发明提供的中大磁场测量方法，包括：

步骤1：对于任意外加磁场，测量得到两个不同易轴方向的隧穿磁阻电阻的阻值R₁，R₂，同时将无磁场时两个隧穿磁阻电阻的初始参考层磁化方向作为给定的参考层磁化方向

步骤2：根据两个隧穿磁阻电阻的阻值分别计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；

步骤3：分别根据两个隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向 及两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角计算出两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向；

步骤4：根据两个隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向、两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向求解外加磁场的磁场幅值及方向；

步骤5：将本次计算得到的外加磁场的磁场幅值及方向与前一次计算结果相比，若两次结果的差值大于设定阈值，则根据本次计算得到的外加磁场的磁场幅值及方向更新两个隧穿磁阻电阻的参考层磁化方向并将其作为新的给定的参考层磁化方向并再次执行步骤2～步骤5，直到两次结果的差值小于设定值。

进一步，步骤2中，计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角的公式分别为：

其中为第一个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，R_1min为第一个隧穿磁阻电阻的最小值，R_1max为第一个隧穿磁阻电阻的最大值；

其中为第二个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，R_2min为第二个隧穿磁阻电阻的最小值，R_2max为第二个隧穿磁阻电阻的最大值。

进一步，步骤3中，根据公式计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向：

将 带入前式便得到第一隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向将 带入前式便得到第二隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向

进一步，步骤4中利用下列方程组求解外加磁场的磁场幅值h_F及方向θ：

式中α₁，α₂分别为两个隧穿磁阻电阻的易轴方向，h_JFR为任意一个磁阻电阻的自由层与参考层的耦合场，h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场大小，H_AF为自由层各向异性场大小；θ_BF为自由层的内部偏置磁场方向。

进一步，步骤5中，更新两个隧穿磁阻电阻的参考层磁化方向 的步骤进一步包括：

求解一元四次方程其中h_X1，h_Y1分别为外加磁场在第一磁阻电阻易轴和难轴方向上的磁场，二者根据步骤4的计算结果得到：h_X1＝h_F cosθ，h_Y1＝h_F sinθ；

上述一元四次方程具有4个解，当隧穿磁阻处于稳定平衡状态时，只有一个解，该解取决于3个条件：

1)x₁为实数且|x₁|≤1；

2)

3)该解与磁阻电阻的初始位置间所有角度能量必须小于初始位置的能量；

求解一元四次方程其中h_X2，h_Y2分别为外加磁场在第二磁阻电阻易轴和难轴方向上的磁场，二者根据步骤4的计算结果得到：h_X2＝h_F sinθ，h_Y2＝h_F cosθ；

上述一元四次方程具有4个解，当隧穿磁阻处于稳定平衡状态时，只有一个解，该解取决于3个条件：

1)x₂为实数且|x₂|≤1；

2)

3)该解与磁阻电阻的初始位置间所有角度能量必须小于初始位置的能量；

将求解得到的值分别作为新的给定的参考层磁化方向

本发明还提供了一种与上述方法对应的中大磁场测量软系统，包括：

初始化模块，用于获取任意外加磁场中两个不同易轴方向的隧穿磁阻电阻的阻值R₁，R₂，同时将无磁场时两个隧穿磁阻电阻的初始参考层磁化方向作为给定的参考层磁化方向

自由层及参考层夹角计算模块，用于根据两个隧穿磁阻电阻的阻值分别计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；

自由层磁化方向计算模块，用于分别根据两个隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向及两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角计算出两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向；

外加磁场计算模块，用于根据两个隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向、两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向求解外加磁场的磁场幅值及方向；

精度判断模块，用于将本次计算得到的外加磁场的磁场幅值及方向与前一次计算结果相比，若两次结果的差值大于设定阈值，则根据本次计算得到的外加磁场的磁场幅值及方向更新两个隧穿磁阻电阻的参考层磁化方向并将其作为新的给定的参考层磁化方向并再次执行自由层及参考层夹角计算模块、自由层磁化方向计算模块、外加磁场计算模块及精度判断模块，直到两次结果的差值小于设定值。

自由层及参考层夹角计算模块进一步用于，计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角的公式分别为：其中为第一个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，R_1min为第一个隧穿磁阻电阻的最小值，R_1max为第一个隧穿磁阻电阻的最大值；

其中为第二个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，R_2min为第二个隧穿磁阻电阻的最小值，R_2max为第二个隧穿磁阻电阻的最大值。

自由层磁化方向计算模块进一步用于，根据公式计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向：

将 带入前式便得到第一隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向将 带入前式便得到第二隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向

外加磁场计算模块进一步用于，利用下列方程组求解外加磁场的磁场幅值h_F及方向θ：

式中α₁，α₂分别为两个隧穿磁阻电阻的易轴方向，h_JFR为任意一个磁阻电阻的自由层与参考层的耦合场，h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场大小，H_AF为自由层各向异性场大小；θ_BF为自由层的内部偏置磁场方向。

精度判断模块进一步用于，求解一元四次方程其中h_X1，h_Y1分别为外加磁场在第一磁阻电阻易轴和难轴方向上的磁场，二者根据外加磁场计算模块的计算结果得到：h_X1＝h_F cosθ，h_Y1＝h_F sinθ；

上述一元四次方程具有4个解，当隧穿磁阻处于稳定平衡状态时，只有一个解，该解取决于3个条件：

1)x₁为实数且|x₁|≤1；

2)

3)该解与磁阻电阻的初始位置间所有角度能量必须小于初始位置的能量；

求解一元四次方程其中h_X2，h_Y2分别为外加磁场在第二磁阻电阻易轴和难轴方向上的磁场，二者根据步骤4的计算结果得到：h_X2＝h_F sinθ，h_Y2＝h_F cosθ；

上述一元四次方程具有4个解，当隧穿磁阻处于稳定平衡状态时，只有一个解，该解取决于3个条件：

1)x₂为实数且|x₂|≤1；

2)

3)该解与磁阻电阻的初始位置间所有角度能量必须小于初始位置的能量；

将求解得到的值分别作为新的给定的参考层磁化方向

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提供的中大磁场测量方法实现了对中大磁场的准确测量，扩大了隧穿磁阻电阻的磁场强度测量范围。

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为本发明方法流程图。

图2为隧穿磁阻电阻的单畴行为的归一化星形曲线示意图。

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，本发明方法的步骤包括：

(1)对于任一外加磁场，测量得到两个不同易轴方向的隧穿磁阻电阻R₁，R₂，同时将无磁场时的初始参考层磁化方向作为给定方向需要说明的是隧穿磁阻的核心典型结构包括反铁磁层(钉扎层)/铁磁层(被钉扎层)/非磁性金属/铁磁层(参考层)/势垒层/铁磁层(自由层)，电流垂直膜面。其中，参考层和被钉扎层通过一层非常薄的非磁性金属诱导形成人工合成反铁磁结构，使得参考层和被钉扎层的磁化方向更加稳定，不易受到外界强磁场破坏。而自由层的磁化方向随外界磁场变化而变化。

若隧穿磁阻电阻沿某一轴或方向最容易被磁化则称为易轴，反之则谓难轴。

隧穿磁阻电阻的阻值能够随外加磁场的变化而变化，因此测量其阻值便可测量外加磁场。将两个具有不同易轴方向的隧穿磁阻电阻放置于外加磁场中，通过全桥或其他电阻测量电路可得到两个电阻的阻值。

(2)根据两个电阻的阻值，可以计算得到各个电阻自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角对应如图1过程①，计算公式为：

其中为第一个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，R_1min为第一个隧穿磁阻电阻的最小值，R_1max为第一个隧穿磁阻电阻的最大值。

其中为第二个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，R_2min为第二个隧穿磁阻电阻的最小值，R_2max为第二个隧穿磁阻电阻的最大值。

R_1min、R_1max、R_2min及R_2max均可通过分别标定两个隧穿磁阻电阻得到。

(3)对于给定的参考层磁化方向，计算自由层磁化方向如图1过程②，计算公式为将 带入前式便得到第一隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向将 带入前式便得到第二隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向

式中，S₁，S₂分别表示自由层磁畴处于图2中的易轴正方向范围(-π/2～π/2)或者易轴负方向范围(π/2～3π/2)。对于特定的磁阻电阻其自由层磁畴的状态是唯一的。

对于隧穿磁阻电阻来说，当隧穿磁阻电阻自由层的内部易轴偏置磁场大于各向异性场时，按照本发明中四个磁阻电阻的布设方式，就能确保其中总至少有两个相互正交的磁阻电阻的自由层磁畴处于S1状态，选择状态已知的两个电阻计算中大磁场，则可以确定两者的自由层磁化方向而在制作内部易轴偏置磁场大于各向异性场的隧穿磁阻电阻工艺是现有的。

(4)根据计算得到的自由层磁化方向计算被测磁场幅值和方向h_F，θ，如图1过程③，计算公式为式：

式中，式中α₁，α₂分别为两个隧穿磁阻电阻的易轴方向，h_JFR为任意一个磁阻电阻的自由层与参考层的耦合场，h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场大小，H_AF为自由层各向异性场大小；θ_BF为自由层的内部偏置磁场方向。本实施例中的四个磁阻电阻相同，因此认为它们的固有参数也是相同的。在计算时，选取任意一个磁阻电阻的固有参数即可。

(5)针对计算得到的磁场参数与前一次结果比较，是否达到精度要求(本实施例中，当两次计算结果中磁场强度的差值1E-4，方向的差值小于0.01°时认为达到精度要求)，达到要求则输出结果；否则根据磁场计算更新参考层磁化方向角度如图示过程④，并返回步骤(2)继续迭代。

其中更新参考层磁化方向角度的步骤为：

求解一元四次方程其中h_X1，h_Y1分别为外加磁场在第一磁阻电阻易轴和难轴方向上的磁场，二者根据步骤4的计算结果得到，h_X1＝h_F cosθ，h_Y1＝h_F sinθ；

上述一元四次方程具有4个解，当隧穿磁阻处于稳定平衡状态时，只有一个解。该解取决于3个条件：

1)x₁为实数且|x₁|≤1；

2)

3)该解与隧穿磁阻的初始位置间所有角度能量必须小于初始位置的能量。

求解一元四次方程其中h_X2，h_Y2分别为外加磁场在第二磁阻电阻易轴和难轴方向上的磁场，二者根据步骤4的计算结果得到，由于第一磁阻电阻与第二磁阻电阻正交，因此h_X2＝h_F sinθ，h_Y2＝h_F cosθ；

与的筛选过程同理，确定

在其他实施例中，可以借助计算机数值方法进行求解以下公式得到磁阻电阻的参考层磁化方向角度，即将技术人员认为可能的角度带入下列公式计算，判断其结果是否接近0，如是则认为带入的角度为的解：h_X，h_Y分别为外加磁场在磁阻电阻易轴和难轴方向上的磁场。上式为隧穿磁阻单畴模型计算在参考层的磁化方向角度的一般表达式，令上式可演化为：亦即前一实施例计算参考层磁化方向的公式。但是使用计算机数值方法求解会存在精度、时间和全局收敛性问题，因此推荐使用前一实施例计算磁阻电阻参考层磁化方向。

通过上述迭代，参考层磁化方向将逐渐收敛到真实方向，同时计算得到的外加磁场也收敛到真实的外加磁场。迭代算法的收敛性取决于在计算参考层磁化方向时是否收敛。

若重复迭代设定次数后，计算结果与前次计算结果的差值仍然不小设定值，则认为计算过程不能收敛，当前的外加磁场为极大磁场。设定次数根据不同的磁阻电阻及计算精度要求设定，本实施例设定的次数是20次。

本发明还提供了一种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)

1.一种中大磁场测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：对于任意外加磁场，测量得到两个不同易轴方向的隧穿磁阻电阻的阻值R₁，R₂，同时将无磁场时两个隧穿磁阻电阻的初始参考层磁化方向作为给定的参考层磁化方向

步骤2：根据两个隧穿磁阻电阻的阻值分别计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；

步骤3：分别根据两个隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向及两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角计算出两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向；

步骤4：根据两个隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向、两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向求解外加磁场的磁场幅值及方向；

步骤5：将本次计算得到的外加磁场的磁场幅值及方向与前一次计算结果相比，若两次结果的差值大于设定阈值，则根据本次计算得到的外加磁场的磁场幅值及方向更新两个隧穿磁阻电阻的参考层磁化方向并将其作为新的给定的参考层磁化方向并再次执行步骤2～步骤5，直到两次结果的差值小于设定阈值。

2.根据权利要求1所述的一种中大磁场测量方法，其特征在于，步骤2中，计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角的公式分别为：

其中为第一个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，R_1min为第一个隧穿磁阻电阻的最小值，R_1max为第一个隧穿磁阻电阻的最大值；

其中为第二个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，R_2min为第二个隧穿磁阻电阻的最小值，R_2max为第二个隧穿磁阻电阻的最大值。

3.根据权利要求1所述的一种中大磁场测量方法，其特征在于，步骤3中，根据公式计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向：

将 带入前式便得到第一隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向将 带入前式便得到第二隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向其中，为隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，为隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向。

4.根据权利要求1所述的一种中大磁场测量方法，其特征在于，步骤4中利用下列方程组求解外加磁场的磁场幅值h_F及方向θ：

式中α₁，α₂分别为两个隧穿磁阻电阻的易轴方向，h_JFR为任意一个磁阻电阻的自由层与参考层的耦合场，h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场大小，H_AF为自由层各向异性场大小；θ_BF为自由层的内部偏置磁场方向。

5.根据权利要求1所述的一种中大磁场测量方法，其特征在于，步骤5中，更新两个隧穿磁阻电阻的参考层磁化方向的步骤进一步包括：

求解一元四次方程其中h_X1，h_Y1分别为外加磁场在第一磁阻电阻易轴和难轴方向上的磁场，二者根据步骤4的计算结果得到：h_X1＝h_Fcosθ，h_Y1＝h_F sinθ；其中，h_F和θ分别为外加磁场的磁场幅值和方向；

上述一元四次方程具有4个解，当隧穿磁阻处于稳定平衡状态时，只有一个解，该解取决于3个条件：

1)x₁为实数且|x₁|≤1；

2)

3)该解与磁阻电阻的初始位置间所有角度能量必须小于初始位置的能量；求解一元四次方程其中h_X2，h_Y2分别为外加磁场在第二磁阻电阻易轴和难轴方向上的磁场，二者根据步骤4的计算结果得到：h_X2＝h_F sinθ，h_Y2＝h_Fcosθ；

上述一元四次方程具有4个解，当隧穿磁阻处于稳定平衡状态时，只有一个解，该解取决于3个条件：

1)x₂为实数且|x₂|≤1；

2)

3)该解与磁阻电阻的初始位置间所有角度能量必须小于初始位置的能量；将求解得到的值分别作为新的给定的参考层磁化方向

6.一种中大磁场测量系统，其特征在于，包括：

初始化模块，用于获取任意外加磁场中两个不同易轴方向的隧穿磁阻电阻的阻值R₁，R₂，同时将无磁场时两个隧穿磁阻电阻的初始参考层磁化方向作为给定的参考层磁化方向

自由层及参考层夹角计算模块，用于根据两个隧穿磁阻电阻的阻值分别计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角；

自由层磁化方向计算模块，用于分别根据两个隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向及两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角计算出两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向；

外加磁场计算模块，用于根据两个隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向、两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向求解外加磁场的磁场幅值及方向；

精度判断模块，用于将本次计算得到的外加磁场的磁场幅值及方向与前一次计算结果相比，若两次结果的差值大于设定阈值，则根据本次计算得到的外加磁场的磁场幅值及方向更新两个隧穿磁阻电阻的参考层磁化方向并将其作为新的给定的参考层磁化方向并再次执行自由层及参考层夹角计算模块、自由层磁化方向计算模块、外加磁场计算模块及精度判断模块，直到两次结果的差值小于设定阈值。

7.根据权利要求6所述的一种中大磁场测量系统，其特征在于，自由层及参考层夹角计算模块进一步用于，计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向和参考层磁化方向的夹角的公式分别为：其中为第一个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，R_1min为第一个隧穿磁阻电阻的最小值，R_1max为第一个隧穿磁阻电阻的最大值；

其中为第二个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，R_2min为第二个隧穿磁阻电阻的最小值，R_2max为第二个隧穿磁阻电阻的最大值。

8.根据权利要求6所述的一种中大磁场测量系统，其特征在于，自由层磁化方向计算模块进一步用于，根据公式计算两个隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向：

将 带入前式便得到第一隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向将 带入前式便得到第二隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向其中，为隧穿磁阻电阻的自由层磁化方向，为隧穿磁阻电阻的给定参考层磁化方向。

9.根据权利要求6所述的一种中大磁场测量系统，其特征在于，外加磁场计算模块进一步用于，利用下列方程组求解外加磁场的磁场幅值h_F及方向θ：式中α₁，α₂分别为两个隧穿磁阻电阻的易轴方向，h_JFR为任意一个磁阻电阻的自由层与参考层的耦合场，h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场大小，H_AF为自由层各向异性场大小；θ_BF为自由层的内部偏置磁场方向。

10.根据权利要求6所述的一种中大磁场测量系统，其特征在于，精度判断模块进一步用于，求解一元四次方程其中h_X1，h_Y1分别为外加磁场在第一磁阻电阻易轴和难轴方向上的磁场，二者根据步骤4的计算结果得到：h_X1＝h_F cosθ，h_Y1＝h_F sinθ；其中，h_F和θ分别为外加磁场的磁场幅值和方向；

上述一元四次方程具有4个解，当隧穿磁阻处于稳定平衡状态时，只有一个解，该解取决于3个条件：

1)x₁为实数且|x₁|≤1；

2)

3)该解与磁阻电阻的初始位置间所有角度能量必须小于初始位置的能量；

求解一元四次方程其中h_X2，h_Y2分别为外加磁场在第二磁阻电阻易轴和难轴方向上的磁场，二者根据外加磁场计算模块的计算结果得到：h_X2＝h_F sinθ，h_Y2＝h_F cosθ；

上述一元四次方程具有4个解，当隧穿磁阻处于稳定平衡状态时，只有一个解，该解取决于3个条件：

1)x₂为实数且|x₂|≤1；

2)

3)该解与磁阻电阻的初始位置间所有角度能量必须小于初始位置的能量；

将求解得到的值分别作为新的给定的参考层磁化方向