本發(fā)明涉及磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種針對(duì)小磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

磁阻電阻在待測(cè)磁場(chǎng)較小時(shí)(磁場(chǎng)強(qiáng)度小于0.1H_AF，H_AF為磁阻電阻的自由層的各向異性場(chǎng)，不同的磁阻電阻其H_AF是不同的，一般說(shuō)來(lái)為幾十Oe。Oe為磁場(chǎng)強(qiáng)度單位——奧斯特)具有良好的線性度，測(cè)量精度較好。現(xiàn)有的小磁場(chǎng)測(cè)量方法認(rèn)為在磁阻電阻的難軸方向上靈敏度最高(即磁場(chǎng)方向與易軸方向夾角為90°)，根據(jù)磁阻電阻的阻值計(jì)算磁場(chǎng)大小及方向時(shí)以該方向作為最大靈敏度方向進(jìn)行計(jì)算。

然而我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)磁阻電阻的最大靈敏度方向與磁場(chǎng)的夾角并非90°，而是在60°～80°之間。因此，現(xiàn)有的計(jì)算模型將不能更加精準(zhǔn)的測(cè)量計(jì)算小磁場(chǎng)。需要基于我們的研究發(fā)現(xiàn)提供一種新的小磁場(chǎng)測(cè)量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種精準(zhǔn)度更高的小磁場(chǎng)測(cè)量方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：包括：

步驟1：采集位于待測(cè)磁場(chǎng)中至少兩個(gè)磁阻電阻的阻值R₁，R₂；兩個(gè)磁阻電阻呈一定夾角θ′放置；

步驟2：將其中一個(gè)磁阻電阻的阻值R₁及其固有參數(shù)帶入公式R＝k_mcosθ(-θ₀)H+R₀，將另一個(gè)磁阻電阻的阻值R₂及其固有參數(shù)帶入公式R＝k_mcos(θ-θ₀-θ′)H+R₀得到二元方程組：

其中，R為置于待測(cè)磁場(chǎng)中磁阻電阻的阻值，H為待測(cè)量磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，θ為待測(cè)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)方向，R₀為零磁場(chǎng)時(shí)磁阻電阻的阻值；

式中，分別為磁阻電阻置于零磁場(chǎng)時(shí)自由層的飽和磁化方向以及參考層的飽和磁化方向；

式中，H_AF、H_AR分別為磁阻電阻自由層的各項(xiàng)異性場(chǎng)幅值及參考層的各項(xiàng)異性場(chǎng)幅值；h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF、θ_BF分別為磁阻電阻自由層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)幅值及方向；h_BR＝H_BR/H_AR，H_BR、θ_BR分別為磁阻電阻參考層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)幅值及方向；

步驟3：求解步驟2中的二元方程組，得到待測(cè)量磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H及方向θ。

優(yōu)選的，所述θ′為90°。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出的小磁場(chǎng)測(cè)量方法是基于磁阻電阻的實(shí)際最大靈敏度方向，測(cè)量精度更高。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中：

圖1為兩個(gè)磁阻電阻的相對(duì)位置示意圖。

圖2為最簡(jiǎn)單隧穿磁阻單疇模型。

圖3為隧穿磁阻電阻自由層與參考層貢獻(xiàn)的靈敏度隨角度變化的仿真圖。

具體實(shí)施方式

本說(shuō)明書中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說(shuō)明書中公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。

如圖1，在待測(cè)小磁場(chǎng)中布設(shè)兩個(gè)磁阻電阻，優(yōu)選的是使這兩個(gè)磁阻電阻呈90°夾角布設(shè)，在其他實(shí)施例中還可以布設(shè)更多，如設(shè)置四個(gè)電阻，四個(gè)電阻呈“十”字型布設(shè)。

測(cè)量位于待測(cè)小磁場(chǎng)中兩個(gè)磁阻電阻的阻值R₁、R₂。

將其中一個(gè)磁阻電阻的阻值R₁及其固有參數(shù)帶入公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H+R₀，將另一個(gè)磁阻電阻的阻值R₂及其固有參數(shù)帶入公式R＝k_mcos(θ-θ₀-θ′)H+R₀得到兩個(gè)二元一次方程：

其中，R為置于待測(cè)磁場(chǎng)中磁阻電阻的阻值，H為待測(cè)量磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，θ為待測(cè)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)方向，R₀為零磁場(chǎng)時(shí)磁阻電阻的阻值；

式中，分別為磁阻電阻置于零磁場(chǎng)時(shí)自由層的飽和磁化方向以及參考層的飽和磁化方向；

式中，H_AF、H_AR分別為磁阻電阻自由層的各項(xiàng)異性場(chǎng)幅值及參考層的各項(xiàng)異性場(chǎng)幅值；h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF、θ_BF分別為磁阻電阻自由層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)幅值及方向；h_BR＝H_BR/H_AR，H_BR、θ_BR分別為磁阻電阻參考層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)幅值及方向。

即最后得到的兩個(gè)方程為：

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

其中，R₀₁為零磁場(chǎng)時(shí)第一磁阻電阻的阻值，可以測(cè)試得到。

式中，分別為第一磁阻電阻置于零磁場(chǎng)時(shí)自由層的飽和磁化方向以及參考層的飽和磁化方向，均可在零磁場(chǎng)時(shí)測(cè)得。

式中，H_AF1、H_AR1分別為第一磁阻電阻自由層的各項(xiàng)異性場(chǎng)幅值及參考層的各項(xiàng)異性場(chǎng)幅值；h_BF1＝H_BF1/H_AF1，H_BF1、θ_BF1分別為第一磁阻電阻自由層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)幅值及方向；h_BR1＝H_BR1/H_AR1，H_BR1、θ_BR1分別為第一磁阻電阻參考層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)幅值及方向，這些值為磁阻電阻固有的參數(shù)，可以測(cè)得也可以直接從磁阻電阻廠商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲取。

同樣的方式，將第二磁阻的相關(guān)參數(shù)帶入，得到k_m2及θ₀₂。

計(jì)算上述兩個(gè)方程組成的方程組的解，便得到待測(cè)小磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H及方向θ。

本發(fā)明方法適用各類磁阻電阻，包括隧穿磁阻電阻、巨磁阻電阻以及自旋閥結(jié)構(gòu)磁阻電阻等。下面以隧穿磁阻電阻為例，闡述上述方法的推導(dǎo)過(guò)程，以便本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明。

在小磁場(chǎng)范圍測(cè)量情況下，由于外加磁場(chǎng)遠(yuǎn)小于參考層和被釘扎層內(nèi)部偏置場(chǎng)，釘扎層和參考層幾乎不變，自由層和參考層間的耦合能可計(jì)入自由層計(jì)算。自由層和參考層均可簡(jiǎn)化為圖2中最簡(jiǎn)單的模型，且可分開(kāi)計(jì)算。令易軸角度α＝0，則自由層和參考層的磁化方向?yàn)椋?/p>

式中，h_F＝H/H_AF，h_R＝H/H_AR，分別為隧穿磁阻電阻自由層的飽和磁化強(qiáng)度、參考層的飽和磁化強(qiáng)度。

無(wú)外界磁場(chǎng)時(shí)，各層磁化方向滿足：

其中自由層磁化方向滿足：

當(dāng)外界磁場(chǎng)方向不變時(shí)，自由層磁化方向滿足：則在外界磁場(chǎng)為零時(shí)的導(dǎo)數(shù)滿足：

相應(yīng)地，參考層在外界磁場(chǎng)為零時(shí)的導(dǎo)數(shù)滿足：

可知，隧穿磁阻電阻靈敏度包括兩個(gè)分量：自由層分量和參考層分量。每個(gè)分量的最大靈敏度方向分別垂直于其初始的磁化方向。

因此，隧穿磁阻電阻在外界磁場(chǎng)為零時(shí)的導(dǎo)數(shù)滿足：

為歸一化后的隧穿磁阻電阻的靈敏度，R_avg＝(R_max+R_min)/2，為平均電阻；Δ_max＝(R_max-R_min)/R_avg，為最大磁電阻變化率。當(dāng)磁阻電阻的自由層和參考層磁化方向相同時(shí)，電阻值最小，為R_min，當(dāng)自由層和參考層磁化方向相反時(shí)，電阻值最大，為R_max。

對(duì)式(1)進(jìn)行仿真，得到圖3的結(jié)果。通常，參考層由被釘扎層強(qiáng)耦合在難軸方向，耦合場(chǎng)典型值高達(dá)數(shù)千高斯，遠(yuǎn)大于外加磁場(chǎng)，參考層磁化方向隨外界磁場(chǎng)變化很小。隧穿磁阻由自由層和參考層貢獻(xiàn)的靈敏度隨角度變化如圖3，圖中FL表示自由層靈敏度，RL表示參考層靈敏度，仿真設(shè)置h_BXF(＝H_BRcos(θ_BR))＝h_BXR(＝H_BRsin(θ_BR))＝1?？傡`敏度為自由層和參考層分量的疊加，疊加后，即FL+RL，仍為正弦形式變化。從圖3可以看出，隧穿磁阻電阻的最大靈敏度方向并非在磁場(chǎng)方向的90°，而是在90°之前，正弦曲線已出現(xiàn)最大值。

本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉，在小磁場(chǎng)中隧穿磁阻電阻的阻值R與磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，即

對(duì)式(1)進(jìn)行變形，令：

則等式右邊變?yōu)椋?/p>

靈敏度幅值為：

靈敏度方向?yàn)椋?/p>

最終等式為：

進(jìn)一步，得到公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H+R₀。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。