本發(fā)明涉及磁場測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種針對極大范圍的磁場強度的測量方法。

背景技術(shù)：

隧穿磁阻電阻在待測磁場較小時具有良好的線性度，測量精度較好，當(dāng)外界磁場極大(160Oe～2500Oe，Oe為磁場強度單位——奧斯特)時，隧穿磁阻參考層磁疇發(fā)生顯著旋轉(zhuǎn)，隧穿磁阻電阻進(jìn)入飽和區(qū)。現(xiàn)有的測量方法完全不能適應(yīng)極大磁場的測量，需要提出一種新的，適用于極大磁場測量方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對上述存在的問題，提供一種適用于極大磁場測量方法及裝置。

本發(fā)明提供的一種優(yōu)化的極大磁場測量方法，包括：

步驟1：將四個正交配置的隧穿磁阻電阻放置到外加磁場中，并獲取各個隧穿磁阻電阻的阻值；第一隧穿磁阻電阻與第三隧穿磁阻電阻位于一條直線上，第二隧穿磁阻電阻與第四隧穿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：根據(jù)四個隧穿磁阻電阻的阻值計算各隧穿磁阻電阻自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角；

步驟3：根據(jù)第一隧穿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隧穿磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角計算外加磁場的磁場強度H₁及方向θ₁；根據(jù)第二隧穿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隧穿磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角計算外加磁場的磁場強度H₂及方向θ₂；

步驟4：根據(jù)磁場強度H₁與磁場強度H₂確定外加磁場最終的磁場強度H₀，根據(jù)方向θ₂與方向θ₁確定外加磁場最終的方向θ；

步驟5：根據(jù)方向θ對磁場強度H₀進(jìn)行優(yōu)化。

進(jìn)一步，步驟2中，根據(jù)隧穿磁阻電阻的阻值計算其自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角方程為：

式中，R_avg＝(R_max+R_min)/2，Δ_max＝(R_max-R_min)/R_avg，當(dāng)自由層磁化方向和參考層磁化方向相同時，隧穿磁阻電阻的阻值最小，為R_min；當(dāng)自由層磁化方向和參考層磁化方向相反時，隧穿磁阻電阻的阻值最大，為R_max；為隧穿磁阻自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角；R為隧穿磁阻電阻在所述外加磁場中的阻值。

進(jìn)一步，步驟3中，磁場強度H₁及方向θ₁的計算公式為：

式中，H_BR為四個隧穿磁阻電阻的參考層內(nèi)部偏置場的幅值；為第一隧穿磁阻電阻自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角；為第三隧穿磁阻電阻自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角；

磁場強度H₂及方向θ₂的計算公式為：

式中，H_BR為四個隧穿磁阻電阻的參考層內(nèi)部偏置場的幅值；為第二隧穿磁阻電阻自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角；為第四隧穿磁阻電阻自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角。

步驟4中確定外加磁場最終的磁場強度H₀及最終的方向θ的步驟進(jìn)一步包括，

H₀＝H₁＝H₂；

步驟5進(jìn)一步包括：優(yōu)化后的外加磁場的磁場強度H＝kH₀+b，k、b為修正系數(shù)。

本發(fā)明還提供了一種優(yōu)化的極大磁場測量裝置，包括：

隧穿磁阻電阻阻值獲取模塊，用于獲取外加磁場中正交配置的四個隧穿磁阻電阻的阻值；其中，第一隧穿磁阻電阻與第三隧穿磁阻電阻位于一條直線上，第二隧穿磁阻電阻與第四隧穿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；

隧穿磁阻電阻自由層磁化方向與參考層磁化方向夾角計算模塊，用于根據(jù)四個隧穿磁阻電阻的阻值計算各隧穿磁阻電阻自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角；

外加磁場的磁場強度及方向預(yù)計算模塊，用于根據(jù)第一隧穿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隧穿磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角計算外加磁場的磁場強度H₁及方向θ₁；根據(jù)第二隧穿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隧穿磁阻電阻的自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角計算外加磁場的磁場強度H₂及方向θ₂；

外加磁場的磁場強度及方向確定模塊，用于根據(jù)磁場強度H₁與磁場強度H₂確定外加磁場最終的磁場強度H₀，根據(jù)方向θ₂與方向θ₁確定外加磁場最終的方向θ；

磁場強度優(yōu)化模塊，用于根據(jù)方向θ對磁場強度H₀進(jìn)行優(yōu)化。

隧穿磁阻電阻自由層磁化方向與參考層磁化方向夾角計算模塊進(jìn)一步用于，根據(jù)隧穿磁阻電阻的阻值計算其自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角方程為：

式中，R_avg＝(R_max+R_min)/2，Δ_max＝(R_max-R_min)/R_avg，當(dāng)自由層磁化方向和參考層磁化方向相同時，隧穿磁阻電阻的阻值最小，為R_min；當(dāng)自由層磁化方向和參考層磁化方向相反時，隧穿磁阻電阻的阻值最大，為R_max；為隧穿磁阻自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角；R為隧穿磁阻電阻在所述外加磁場中的阻值。

進(jìn)一步，外加磁場的磁場強度及方向預(yù)計算模塊計算磁場強度H₁及方向θ₁的公式為：

式中，H_BR為四個隧穿磁阻電阻的參考層內(nèi)部偏置場的幅值；為第一隧穿磁阻電阻自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角；為第三隧穿磁阻電阻自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角；

外加磁場的磁場強度及方向預(yù)計算模塊計算磁場強度H₂及方向θ₂的公式為：

式中，H_BR為四個隧穿磁阻電阻的參考層內(nèi)部偏置場的幅值；為第二隧穿磁阻電阻自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角；為第四隧穿磁阻電阻自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角。

進(jìn)一步，外加磁場的磁場強度及方向確定模塊利用以下公式確定外加磁場最終的磁場強度H₀及最終的方向θ：

H₀＝H₁＝H₂；

磁場強度優(yōu)化模塊進(jìn)一步用于，根據(jù)以下公式優(yōu)化后的外加磁場的磁場強度H：

H＝kH₀+b，k、b為修正系數(shù)。

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)明提供的極大磁場測量方法實現(xiàn)了對極大磁場的準(zhǔn)確測量，擴大了隧穿磁阻電阻的磁場強度測量范圍。同時本發(fā)明提供了一種優(yōu)化極大磁場的磁場強度的方法，進(jìn)一步提高的檢測極大磁場的精確度。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1為外加磁場中隧穿磁阻電阻的分布圖。

圖2為極大磁場測量矢量圖。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，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。

本說明書中公開的任一特征，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，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

首先，在外加磁場中放置四個正交配置的隧穿磁阻電阻(I以下簡稱為電阻)，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。

根據(jù)上述布置，四個隧穿磁阻電阻的極大磁場測量分布圖如圖2所示。以電阻參考層偏置場方向為參考方向，四個電阻依次旋轉(zhuǎn)90°正交布置。圖中H，θ為外加磁場幅值和方向；FL為四個電阻的自由層磁化方向的合成方向，可近似認(rèn)為均和外加磁場方向相同；四個矢量H_BR表示四個磁阻電阻的參考層內(nèi)部偏置場的幅值和方向，本實施例中四個磁阻電阻相同，因此認(rèn)為它們的參考層內(nèi)部偏置場幅值相同，相鄰的兩個磁阻電阻的參考層內(nèi)部偏置場方向正交；RL_{1，2，3，4}分別表示為四個電阻的參考層磁化方向，其與外加磁場和各自的參考層內(nèi)部偏置場的合成方向一致；為四個電阻自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角。

由圖2的矢量關(guān)系，可得四個芯片磁化方向和外加磁場的關(guān)系為：

外加磁場的幅值和方向可通過上述方程組的其中兩個計算得到。然而僅有兩個電阻無法計算整個二維平面的磁場，如當(dāng)選擇電阻R1和電阻R3計算外加磁場時，顯然外加磁場為0°～180°和180°～360°時鏡面對稱，因此必須先借助另外兩個電阻判斷外加磁場方向范圍，然后選擇合適的兩個電阻進(jìn)行計算。

以電阻R1和電阻R3作為一組，可計算得到：

式中，H₁，θ₁分別為通過R₁和R₃計算得到的外加磁場幅值和方向。

以電阻R2和電阻R4作為另一組，可計算得到：

式中，H₂，θ₂分別為通過R2和R4計算得到的外加磁場幅值和方向。

通過比較比較上述兩式的角度，可得外加磁場幅值和方向為：

H₀＝H₁＝H₂

上述公式中，各個隧穿磁阻電阻自由層磁化方向與參考層磁化方向的夾角是用以下公式求得的。

隧穿磁阻電阻的阻值取決于其自由層磁化方向和參考層磁化方向的夾角。當(dāng)自由層和參考層磁化方向相同時，電阻值最小，為R_min，當(dāng)自由層和參考層磁化方向相反時，電阻值最大，為R_max。R_min及R_max可由標(biāo)定得到。

在外加磁場中隧穿磁阻電阻的電阻值R與自由層、參考層磁化方向的關(guān)系為：

式中，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。

經(jīng)過實驗，我們發(fā)現(xiàn)通過上述步驟計算得到的極大磁場的磁場強度與實際值具有一定的差別，且其和實際值基本保持線性關(guān)系，因此可對其進(jìn)行修正。

由于前述步驟計算得到的磁場方向基本準(zhǔn)確，因此只需對磁場幅值進(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的磁場強度，k、b為修正系數(shù)，和被測磁場角度相關(guān)，H為優(yōu)化后的磁場幅值。修正系數(shù)k和b與被測磁場方向的關(guān)系為：

其他角度范圍滿足周期特性。

需要說明的是，針對不同的磁阻電阻，修正系數(shù)k和b是不同的，需要針對特定的磁阻電阻進(jìn)行試驗測試標(biāo)定。具體做法是將本發(fā)明中計算得到的H₀與真實磁場(精度更高的儀器測定的結(jié)果)比較，然后通過數(shù)值擬合的方法得到H₀與真實磁場之間的數(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應(yīng)的軟系統(tǒng)。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說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程的步驟或任何新的組合。