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)小范圍磁場(chǎng)、中大范圍及極大范圍的磁場(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0.1haf，haf為磁阻電阻的自由層的各向異性場(chǎng)，不同的磁阻電阻其haf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°，而是會(huì)偏移一定角度。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。

另外，現(xiàn)有的磁阻電阻測(cè)量模型難以對(duì)中大范圍(磁場(chǎng)強(qiáng)度約為4～6haf)的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，這是因?yàn)椋?)磁阻電阻的傳感曲線在中大范圍由線性趨向飽和，嚴(yán)重非線性，需要建立非線性模型進(jìn)行計(jì)算；2)磁阻電阻的參考層將發(fā)生顯著旋轉(zhuǎn)，必須考慮參考層的影響；3)磁阻磁疇方向可能發(fā)生不可逆翻轉(zhuǎn)，電阻值會(huì)跳變，形成兩根分叉的不同傳感曲線。

當(dāng)外界磁場(chǎng)極大時(shí)，磁阻參考層磁疇發(fā)生顯著旋轉(zhuǎn)，磁阻電阻進(jìn)入飽和區(qū)。

可見(jiàn)現(xiàn)有的測(cè)量方法完全不能適應(yīng)大磁場(chǎng)范圍(磁場(chǎng)范圍約為1moe～2.5koe)的測(cè)量，需要提出一種新的，適用于大磁場(chǎng)測(cè)量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的一種大磁場(chǎng)測(cè)量方法，包括：中大磁場(chǎng)測(cè)量步驟及極大磁場(chǎng)測(cè)量步驟；另外還包括：

步驟1：將四個(gè)正交配置的磁阻電阻放置到外加磁場(chǎng)中，并獲取各個(gè)磁阻電阻的阻值；第一磁阻電阻與第三磁阻電阻位于一條直線上，第二磁阻電阻與第四磁阻電阻位于另一條直線上，所述一條直線與所述另一條直線垂直；

步驟2：若檢測(cè)到四個(gè)磁阻電阻的阻值相對(duì)于磁場(chǎng)為0時(shí)的阻值變化量小于設(shè)定值時(shí)，則采用小磁場(chǎng)測(cè)量步驟對(duì)外加磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；若檢測(cè)到四個(gè)磁阻電阻的阻值都變小，則采用極大磁場(chǎng)測(cè)量步驟對(duì)外加磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；

若四個(gè)磁阻電阻的阻值均不滿足上述兩個(gè)判斷條件，則將其中兩個(gè)相互正交的磁阻電阻的阻值帶入中大磁場(chǎng)測(cè)量步驟計(jì)算，若計(jì)算過(guò)程收斂則判斷外加磁場(chǎng)為中大磁場(chǎng)且計(jì)算結(jié)果為中大磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向；若計(jì)算過(guò)程不收斂則將四個(gè)磁阻電阻的阻值帶入極大磁場(chǎng)測(cè)量步驟計(jì)算，且判斷外加磁場(chǎng)為極大磁場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果為極大磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向；

其中，中大磁場(chǎng)測(cè)量步驟進(jìn)一步包括：

步驟m1：獲取外加磁場(chǎng)中兩個(gè)相互正交的磁阻電阻的阻值，同時(shí)將無(wú)磁場(chǎng)時(shí)這兩個(gè)磁阻電阻的初始參考層磁化方向作為給定的參考層磁化方向

步驟m2：根據(jù)兩個(gè)磁阻電阻的阻值分別計(jì)算兩個(gè)磁阻電阻的自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角；

步驟m3：分別根據(jù)兩個(gè)磁阻電阻的給定參考層磁化方向及兩個(gè)磁阻電阻的自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角計(jì)算出兩個(gè)磁阻電阻的自由層磁化方向；

步驟m4：根據(jù)兩個(gè)磁阻電阻的給定參考層磁化方向、兩個(gè)磁阻電阻的自由層磁化方向求解外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)幅值及方向；

步驟m5：將本次計(jì)算得到的外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)幅值及方向與前一次計(jì)算結(jié)果相比，若兩次結(jié)果的差值大于設(shè)定閾值，則根據(jù)本次計(jì)算得到的外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)幅值及方向更新兩個(gè)磁阻電阻的參考層磁化方向并將其作為新的給定的參考層磁化方向并再次執(zhí)行步驟m2～步驟m5，直到兩次結(jié)果的差值小于設(shè)定值；

極大磁場(chǎng)測(cè)量步驟進(jìn)一步包括：

步驟n1：根據(jù)四個(gè)磁阻電阻的阻值計(jì)算各磁阻電阻自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角；

步驟n2：根據(jù)第一磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角以及第三磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角計(jì)算外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度h1及方向θ1；根據(jù)第二磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角以及第四磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角計(jì)算外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度h2及方向θ2；

步驟n3：根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度h1與磁場(chǎng)強(qiáng)度h2確定外加磁場(chǎng)最終的磁場(chǎng)強(qiáng)度h0，根據(jù)方向θ2與方向θ1確定外加磁場(chǎng)最終的方向θ。

小磁場(chǎng)測(cè)量步驟進(jìn)一步包括：

步驟s1：采集位于待測(cè)磁場(chǎng)中兩個(gè)相互正交的磁阻電阻的阻值r1，r2；

步驟s2：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＝kmcos(θ-θ0)h0+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＝kmcos(θ-θ0-θ′)h0+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，h0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，haf、har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；hbf＝hbf/haf，hbf、θbf分別為磁阻電阻自由層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)幅值及方向；hbr＝hbr/har，hbr、θbr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s3：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h0及方向θ。

進(jìn)一步，若重復(fù)執(zhí)行步驟m2～步驟m5設(shè)定次數(shù)后，本次計(jì)算結(jié)果與前次計(jì)算結(jié)果的差值仍然不小于設(shè)定值，則認(rèn)為中大磁場(chǎng)測(cè)量步驟的計(jì)算過(guò)程不收斂。

進(jìn)一步，極大磁場(chǎng)測(cè)量步驟還包括步驟n4：根據(jù)方向θ對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度h0進(jìn)行優(yōu)化。

本發(fā)明提供的一種大磁場(chǎng)測(cè)量裝置，包括：小磁場(chǎng)測(cè)量模塊、中大磁場(chǎng)測(cè)量模塊及極大磁場(chǎng)測(cè)量模塊；另外還包括：

磁阻電阻阻值獲取模塊，用于獲取外加磁場(chǎng)中四個(gè)正交配置的磁阻電阻的阻值；第一磁阻電阻與第三磁阻電阻位于一條直線上，第二磁阻電阻與第四磁阻電阻位于另一條直線上，所述一條直線與所述另一條直線垂直；

磁場(chǎng)計(jì)算模塊，用于判斷：若檢測(cè)到四個(gè)磁阻電阻的阻值相對(duì)于磁場(chǎng)為0時(shí)的阻值變化量小于設(shè)定值時(shí)，則調(diào)用小磁場(chǎng)測(cè)量模塊對(duì)外加磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；若檢測(cè)到四個(gè)磁阻電阻的阻值都變小，則調(diào)用極大磁場(chǎng)測(cè)量模塊對(duì)外加磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；

若四個(gè)磁阻電阻的阻值均不滿足上述兩個(gè)判斷條件，則將其中兩個(gè)相互正交的磁阻電阻的阻值帶入中大磁場(chǎng)測(cè)量模塊計(jì)算，若計(jì)算過(guò)程收斂則判斷外加磁場(chǎng)為中大磁場(chǎng)且計(jì)算結(jié)果為中大磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向；若計(jì)算過(guò)程不收斂則將四個(gè)磁阻電阻的阻值帶入極大磁場(chǎng)測(cè)量模塊計(jì)算，且判斷外加磁場(chǎng)為極大磁場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果為極大磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向；

其中，中大磁場(chǎng)測(cè)量模塊進(jìn)一步包括：

初始化子模塊，用于獲取外加磁場(chǎng)中兩個(gè)相互正交的磁阻電阻的阻值，同時(shí)將無(wú)磁場(chǎng)時(shí)這兩個(gè)磁阻電阻的初始參考層磁化方向作為給定的參考層磁化方向

自由層及參考層夾角計(jì)算子模塊，用于根據(jù)兩個(gè)磁阻電阻的阻值分別計(jì)算兩個(gè)磁阻電阻的自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角；

自由層磁化方向計(jì)算子模塊，用于分別根據(jù)兩個(gè)磁阻電阻的給定參考層磁化方向及兩個(gè)磁阻電阻的自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角計(jì)算出兩個(gè)磁阻電阻的自由層磁化方向；

外加磁場(chǎng)計(jì)算子模塊，根據(jù)兩個(gè)磁阻電阻的給定參考層磁化方向、兩個(gè)磁阻電阻的自由層磁化方向求解外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)幅值及方向；

精度判斷子模塊，用于將本次計(jì)算得到的外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)幅值及方向與前一次計(jì)算結(jié)果相比，若兩次結(jié)果的差值大于設(shè)定閾值，則根據(jù)本次計(jì)算得到的外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)幅值及方向更新兩個(gè)磁阻電阻的參考層磁化方向并將其作為新的給定的參考層磁化方向并再次執(zhí)行自由層及參考層夾角計(jì)算子模塊、自由層磁化方向計(jì)算子模塊、外加磁場(chǎng)計(jì)算子模塊及精度判斷子模塊，直到兩次結(jié)果的差值小于設(shè)定值；

極大磁場(chǎng)測(cè)量模塊進(jìn)一步包括：

磁阻電阻自由層磁化方向與參考層磁化方向夾角計(jì)算子模塊，用于根據(jù)四個(gè)磁阻電阻的阻值計(jì)算各磁阻電阻自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角；

外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向預(yù)計(jì)算子模塊，用于根據(jù)第一磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角以及第三磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角計(jì)算外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度h1及方向θ1；根據(jù)第二磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角以及第四磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角計(jì)算外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度h2及方向θ2；

外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向確定子模塊，用于根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度h1與磁場(chǎng)強(qiáng)度h2確定外加磁場(chǎng)最終的磁場(chǎng)強(qiáng)度h0，根據(jù)方向θ2與方向θ1確定外加磁場(chǎng)最終的方向θ。

所述小磁場(chǎng)測(cè)量模塊進(jìn)一步包括：

磁阻電阻阻值獲取子模塊，用于獲取位于待測(cè)磁場(chǎng)中兩個(gè)相互正交的磁阻電阻的阻值r1，r2；

小磁場(chǎng)方程組建立子模塊，用于將其中一個(gè)磁阻電阻的阻值r1及其固有參數(shù)帶入公式r＝kmcos(θ-θ0)h0+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＝kmcos(θ-θ0-θ′)h0+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，h0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，haf、har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；hbf＝hbf/haf，hbf、θbf分別為磁阻電阻自由層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)幅值及方向；hbr＝hbr/har，hbr、θbr分別為磁阻電阻參考層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)幅值及方向；

小磁場(chǎng)測(cè)量方程組求解子模塊，用于求解所述二元方程組，得到待測(cè)量磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度h0及方向θ；

進(jìn)一步，若重復(fù)執(zhí)行自由層及參考層夾角計(jì)算子模塊、自由層磁化方向計(jì)算子模塊、外加磁場(chǎng)計(jì)算子模塊及精度判斷子模塊設(shè)定次數(shù)后，本次計(jì)算結(jié)果與前次計(jì)算結(jié)果的差值仍然不小于設(shè)定值，則認(rèn)為中大磁場(chǎng)測(cè)量模塊的計(jì)算過(guò)程不收斂。

進(jìn)一步，極大磁場(chǎng)測(cè)量模塊還包括磁場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)化子模塊，用于根據(jù)方向θ對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度h0進(jìn)行優(yōu)化。

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)明提供的大磁場(chǎng)測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)大磁場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量范圍擴(kuò)展到2moe～2500oe，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)，特別是可測(cè)最大磁場(chǎng)從傳統(tǒng)的數(shù)十奧斯特?cái)U(kuò)展到數(shù)千奧斯特，擴(kuò)展40倍左右。

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為外加磁場(chǎng)中磁阻電阻的分布圖。

圖2為本發(fā)明方法流程圖。

圖3為隧穿磁阻單疇模型。

圖4為小磁場(chǎng)環(huán)境中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。

圖5為中大磁場(chǎng)測(cè)量步驟的流程圖。

圖6為磁阻電阻的單疇行為的歸一化星形曲線示意圖。

圖7為極大磁場(chǎng)測(cè)量矢量圖。

具體實(shí)施方式

本說(shuō)明書(shū)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(shū)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。

首先，在外加磁場(chǎng)中放置四個(gè)正交配置的磁阻電阻(i以下簡(jiǎn)稱為電阻)，布置如圖1所示。其中電阻r1與電阻r3位于一條直線上，電阻r2與電阻r4位于另一條直線上，兩條直線正交。

如圖2，本發(fā)明提供的一種大磁場(chǎng)測(cè)量方法，包括：

步驟1：獲取前述四個(gè)磁阻電阻的阻值。

步驟2：若檢測(cè)到四個(gè)磁阻電阻的阻值相對(duì)于磁場(chǎng)為0時(shí)的阻值變化量小于設(shè)定值時(shí)，根據(jù)不同的技術(shù)精度要求設(shè)定值是可調(diào)的，如2％～5％，認(rèn)為外界磁場(chǎng)很小，則調(diào)用小磁場(chǎng)測(cè)量模塊對(duì)外加磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；若檢測(cè)到四個(gè)磁阻電阻的阻值都變小，則直接調(diào)用極大磁場(chǎng)測(cè)量模塊對(duì)外加磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；

若四個(gè)磁阻電阻的阻值均不滿足上述兩個(gè)判斷條件，則將其中兩個(gè)相互正交的磁阻電阻的阻值，如r1與r2或者r3或r4，帶入中大磁場(chǎng)測(cè)量步驟計(jì)算，若計(jì)算過(guò)程收斂則判斷外加磁場(chǎng)為中大磁場(chǎng)且計(jì)算結(jié)果為中大磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向；若計(jì)算過(guò)程不收斂則將四個(gè)磁阻電阻的阻值帶入極大磁場(chǎng)測(cè)量步驟計(jì)算，且判斷外加磁場(chǎng)為極大磁場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果為極大磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向。

下面分別介紹小磁場(chǎng)測(cè)量步驟、中大磁場(chǎng)測(cè)量步驟及極大磁場(chǎng)測(cè)量步驟。

小磁場(chǎng)測(cè)量步驟

小磁場(chǎng)測(cè)量可采用現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)，為了獲取更高的測(cè)量精度，在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中采用以下步驟進(jìn)行。

測(cè)量位于待測(cè)小磁場(chǎng)中兩個(gè)正交磁阻電阻的阻值r1、r2。當(dāng)然也可以獲取r3、r4進(jìn)計(jì)算。本實(shí)施例以阻值r1、r2進(jìn)行計(jì)算。

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＝kmcos(θ-θ0)h0+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＝kmcos(θ-θ0-θ′)h0+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，h0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，haf、har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；hbf＝hbf/haf，hbf、θbf分別為磁阻電阻自由層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)幅值及方向；hbr＝hbr/har，hbr、θbr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＝km1cos(θ-θ01)h0+r01；r2＝km2cos(θ-θ02-θ′)h0+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，haf1、har1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；hbf1＝hbf1/haf1，hbf1、θbf1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；hbr1＝hbr1/har1，hbr1、θbr1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km2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h0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3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，hf＝h/haf，hr＝h/har，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，ravg＝(rmax+rmin)/2，為平均電阻；δmax＝(rmax-rmin)/ravg，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rmin，當(dāng)自由層和參考層磁化方向相反時(shí)，電阻值最大，為rmax。

對(duì)式(1)進(jìn)行仿真，得到圖4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hbxf(＝hbrcos(θbr))＝hbxr(＝hbrsin(θbr))＝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＝kmcos(θ-θ0)h0+r0。

中大磁場(chǎng)測(cè)量步驟

如圖5，中大磁場(chǎng)測(cè)量步驟包括：

(1)對(duì)于任一外加磁場(chǎng)，測(cè)量得到兩個(gè)不同易軸方向的磁阻電阻，本實(shí)施例使用的是相互正交的電阻r1及電阻r2的阻值，同時(shí)將兩個(gè)電阻在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的初始參考層磁化方向作為給定方向需要說(shuō)明的是磁阻的核心典型結(jié)構(gòu)包括反鐵磁層(釘扎層)/鐵磁層(被釘扎層)/非磁性金屬/鐵磁層(參考層)/勢(shì)壘層/鐵磁層(自由層)，電流垂直膜面。其中，參考層和被釘扎層通過(guò)一層非常薄的非磁性金屬誘導(dǎo)形成人工合成反鐵磁結(jié)構(gòu)，使得參考層和被釘扎層的磁化方向更加穩(wěn)定，不易受到外界強(qiáng)磁場(chǎng)破壞。而自由層的磁化方向隨外界磁場(chǎng)變化而變化。

若磁阻電阻沿某一軸或方向最容易被磁化則稱為易軸，反之則謂難軸。

磁阻電阻的阻值能夠隨外加磁場(chǎng)的變化而變化，因此測(cè)量其阻值便可測(cè)量外加磁場(chǎng)。將兩個(gè)具有不同易軸方向的磁阻電阻放置于外加磁場(chǎng)中，通過(guò)全橋或其他電阻測(cè)量電路可得到兩個(gè)電阻的阻值。

(2)根據(jù)兩個(gè)電阻的阻值，可以計(jì)算得到各個(gè)電阻自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角對(duì)應(yīng)如圖5過(guò)程①，計(jì)算公式為：

其中為第一個(gè)磁阻電阻的自由層磁化方向，r1min為第一個(gè)磁阻電阻的最小值，r1max為第一個(gè)磁阻電阻的最大值。

其中為第二個(gè)磁阻電阻的自由層磁化方向，r2min為第二個(gè)磁阻電阻的最小值，r2max為第二個(gè)磁阻電阻的最大值。

當(dāng)自由層和參考層磁化方向相同時(shí)，磁阻電阻值最小，為rmin，當(dāng)自由層和參考層磁化方向相反時(shí)，電阻值最大，為rmax。r1min、r1max為第一磁阻電阻的最小值及最大值，r2min、r2max為第二磁阻電阻的最小值及最大值，均可通過(guò)分別標(biāo)定兩個(gè)磁阻電阻得到。

(3)對(duì)于給定的參考層磁化方向，計(jì)算自由層磁化方向如圖5過(guò)程②，計(jì)算公式為將帶入前式便得到第一磁阻電阻的自由層磁化方向將帶入前式便得到第二磁阻電阻的自由層磁化方向

式中，s1，s2分別表示自由層磁疇處于圖6中的易軸正方向范圍(-π/2～π/2)或者易軸負(fù)方向范圍(π/2～3π/2)。對(duì)于特定的磁阻電阻其自由層磁疇的狀態(tài)是唯一的。

對(duì)于隧穿磁阻電阻來(lái)說(shuō)，當(dāng)隧穿磁阻電阻自由層的內(nèi)部易軸偏置磁場(chǎng)大于各向異性場(chǎng)時(shí)，按照本發(fā)明中四個(gè)磁阻電阻的布設(shè)方式，就能確保其中總至少有兩個(gè)相互正交的磁阻電阻的自由層磁疇處于s1狀態(tài)，選擇狀態(tài)已知的兩個(gè)電阻計(jì)算中大磁場(chǎng)，則可以確定兩者的自由層磁化方向而在制作內(nèi)部易軸偏置磁場(chǎng)大于各向異性場(chǎng)的隧穿磁阻電阻工藝是現(xiàn)有的。

(4)根據(jù)計(jì)算得到的自由層磁化方向計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)幅值和方向hf，θ，如圖5過(guò)程③，計(jì)算公式為式：

式中，式中α1，α2分別為兩個(gè)磁阻電阻的易軸方向，hjfr為任意一個(gè)磁阻電阻的自由層與參考層的耦合場(chǎng)，hbf＝hbf/haf，hbf為磁阻電阻自由層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)大小，haf為自由層各向異性場(chǎng)大??；θbf為自由層的內(nèi)部偏置磁場(chǎng)方向。本實(shí)施例中的四個(gè)磁阻電阻相同，因此認(rèn)為它們的固有參數(shù)也是相同的。在計(jì)算時(shí)，選取任意一個(gè)磁阻電阻的固有參數(shù)即可。

(5)針對(duì)計(jì)算得到的磁場(chǎng)參數(shù)與前一次結(jié)果比較，是否達(dá)到精度要求(本實(shí)施例中，當(dāng)兩次計(jì)算結(jié)果中磁場(chǎng)強(qiáng)度的差值小于1e-4，方向的差值小于0.01°時(shí)認(rèn)為達(dá)到精度要求)，達(dá)到要求則輸出結(jié)果；否則根據(jù)磁場(chǎng)計(jì)算更新參考層磁化方向角度如圖5過(guò)程④，并返回步驟(2)繼續(xù)迭代。

其中更新參考層磁化方向角度的步驟為：

求解一元四次方程其中hx1，hy1分別為外加磁場(chǎng)在第一磁阻電阻易軸和難軸方向上的磁場(chǎng)，二者根據(jù)步驟4的計(jì)算結(jié)果得到，hx1＝hfcosθhy1＝hfsinθ；

上述一元四次方程具有4個(gè)解，當(dāng)隧穿磁阻處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)，只有一個(gè)解。該解取決于3個(gè)條件：

1)x1為實(shí)數(shù)且|x1|≤1；

2)

3)該解與隧穿磁阻的初始位置間所有角度能量必須小于初始位置的能量。

求解一元四次方程其中hx2，hy2分別為外加磁場(chǎng)在第二磁阻電阻易軸和難軸方向上的磁場(chǎng)，二者根據(jù)步驟4的計(jì)算結(jié)果得到，由于第一磁阻電阻與第二磁阻電阻正交，因此hx2＝hfsinθ，hy2＝hfcosθ；

與的篩選過(guò)程同理，確定

將求解得到的值分別作為新的給定的參考層磁化方向

在其他實(shí)施例中，可以借助計(jì)算機(jī)數(shù)值方法進(jìn)行求解以下公式得到磁阻電阻的參考層磁化方向角度，即將技術(shù)人員認(rèn)為可能的角度帶入下列公式計(jì)算，判斷其結(jié)果是否接近0，如是則認(rèn)為帶入的角度為的解：hx，hy分別為外加磁場(chǎng)在磁阻電阻易軸和難軸方向上的磁場(chǎng)。上式為隧穿磁阻單疇模型計(jì)算在參考層的磁化方向角度的一般表達(dá)式，令上式可演化為：

亦即前一實(shí)施例計(jì)算參考層磁化方向的公式。但是使用計(jì)算機(jī)數(shù)值方法求解會(huì)存在精度、時(shí)間和全局收斂性問(wèn)題，因此推薦使用前一實(shí)施例計(jì)算磁阻電阻參考層磁化方向。

通過(guò)上述迭代，參考層磁化方向?qū)⒅饾u收斂到真實(shí)方向，同時(shí)計(jì)算得到的外加磁場(chǎng)也收斂到真實(shí)的外加磁場(chǎng)。迭代算法的收斂性取決于在計(jì)算參考層磁化方向時(shí)是否收斂。

若重復(fù)迭代設(shè)定次數(shù)后，計(jì)算結(jié)果與前次計(jì)算結(jié)果的差值仍然不小設(shè)定值，則認(rèn)為計(jì)算過(guò)程不能收斂，當(dāng)前的外加磁場(chǎng)為極大磁場(chǎng)。設(shè)定次數(shù)根據(jù)不同的磁阻電阻及計(jì)算精度要求設(shè)定，本實(shí)施例設(shè)定的次數(shù)是20次。

極大磁場(chǎng)測(cè)量步驟

根據(jù)圖1布置，四個(gè)磁阻電阻的極大磁場(chǎng)測(cè)量分布圖如圖7所示。以電阻參考層偏置場(chǎng)方向?yàn)閰⒖挤较颍膫€(gè)電阻依次旋轉(zhuǎn)90°正交布置。圖中h，θ為外加磁場(chǎng)幅值和方向；fl為四個(gè)電阻的自由層磁化方向的合成方向，可近似認(rèn)為均和外加磁場(chǎng)方向相同；四個(gè)矢量hbr表示四個(gè)磁阻電阻的參考層內(nèi)部偏置場(chǎng)的幅值和方向，本實(shí)施例中四個(gè)磁阻電阻相同，因此認(rèn)為它們的參考層內(nèi)部偏置場(chǎng)幅值相同，相鄰的兩個(gè)磁阻電阻的參考層內(nèi)部偏置場(chǎng)方向正交；rl1,2,3,4分別表示為四個(gè)電阻的參考層磁化方向，其與外加磁場(chǎng)和各自的參考層內(nèi)部偏置場(chǎng)的合成方向一致；為四個(gè)電阻自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角。

由圖7的矢量關(guān)系，可得四個(gè)芯片磁化方向和外加磁場(chǎng)的關(guān)系為：

外加磁場(chǎng)的幅值和方向可通過(guò)上述方程組的其中兩個(gè)計(jì)算得到。然而僅有兩個(gè)電阻無(wú)法計(jì)算整個(gè)二維平面的磁場(chǎng)，如當(dāng)選擇電阻r1和電阻r3計(jì)算外加磁場(chǎng)時(shí)，顯然外加磁場(chǎng)為0°～180°和180°～360°時(shí)鏡面對(duì)稱，因此必須先借助另外兩個(gè)電阻判斷外加磁場(chǎng)方向范圍，然后選擇合適的兩個(gè)電阻進(jìn)行計(jì)算。

以電阻r1和電阻r3作為一組，可計(jì)算得到：

式中，h1，θ1分別為通過(guò)r1和r3計(jì)算得到的外加磁場(chǎng)幅值和方向。

以電阻r2和電阻r4作為另一組，可計(jì)算得到：

式中，h2，θ2分別為通過(guò)r2和r4計(jì)算得到的外加磁場(chǎng)幅值和方向。

通過(guò)比較比較上述兩式的角度，可得外加磁場(chǎng)幅值和方向?yàn)椋?/p>

h0＝h1＝h2

上述公式中，各個(gè)磁阻電阻自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)中大磁場(chǎng)測(cè)量步驟的第(2)步。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)上述步驟計(jì)算得到的極大磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與實(shí)際值具有一定的差別，且其和實(shí)際值基本保持線性關(guān)系，因此可對(duì)其進(jìn)行修正。

由于前述步驟計(jì)算得到的磁場(chǎng)方向基本準(zhǔn)確，因此只需對(duì)磁場(chǎng)幅值進(jìn)行修正即可。修正方案為：h＝kh0+b，h0為前述步驟得到的外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，k、b為修正系數(shù)，和被測(cè)磁場(chǎng)角度相關(guān)，h為優(yōu)化后的磁場(chǎng)幅值。修正系數(shù)k和b與被測(cè)磁場(chǎng)方向的關(guān)系為：

其他角度范圍滿足周期特性。

需要說(shuō)明的是，針對(duì)不同的磁阻電阻，修正系數(shù)k和b是不同的，需要針對(duì)特定的磁阻電阻進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)定。具體做法是將本發(fā)明中計(jì)算得到的h0與真實(shí)磁場(chǎng)(精度更高的儀器測(cè)定的結(jié)果)比較，然后通過(guò)數(shù)值擬合的方法得到h0與真實(shí)磁場(chǎng)之間的數(shù)值關(guān)系。

本發(fā)明還提供了一套與上述方法步驟一一對(duì)應(yīng)的軟系統(tǒng)。

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(shū)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。