CN107037380B - 一种宽磁场范围测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽磁场范围测量方法及装置，涉及磁场测量技术领域，尤其是一种针对中大范围及极大范围的磁场强度的测量方法。本发明技术要点包括：中大磁场测量步骤及极大磁场测量步骤；另外还包括：步骤1：将四个正交配置的磁阻电阻放置到外加磁场中，并获取各个磁阻电阻的阻值；步骤2：将其中两个相互正交的磁阻电阻的阻值带入中大磁场测量步骤计算，若计算过程收敛则判断外加磁场为中大磁场且计算结果为中大磁场的磁场强度及方向；若计算过程不收敛则将四个磁阻电阻的阻值带入极大磁场测量步骤计算，且判断外加磁场为极大磁场，计算结果为极大磁场的磁场强度及方向。

Description

一种宽磁场范围测量方法及装置

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，尤其是一种针对小范围磁场、中大范围及极大范围的磁场强度的测量方法。

背景技术

磁阻电阻在待测磁场较小时(磁场强度小于0.1H_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)具有良好的线性度，测量精度较好。

现有的小磁场测量方法认为在磁阻电阻的难轴方向上灵敏度最高(即磁场方向与易轴方向夹角为90°)，根据磁阻电阻的阻值计算磁场大小及方向时以该方向作为最大灵敏度方向进行计算。

然而我们在研究中发现磁阻电阻的最大灵敏度方向与磁场的夹角并非90°，而是会偏移一定角度。因此，现有的计算模型将不能更加精准的测量计算小磁场。需要基于我们的研究发现提供一种新的小磁场测量方法。

另外，现有的磁阻电阻测量模型难以对中大范围(磁场强度约为4～6H_AF)的磁场进行测量，这是因为：1)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)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)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。

当外界磁场极大时，磁阻参考层磁畴发生显著旋转，磁阻电阻进入饱和区。

可见现有的测量方法完全不能适应大磁场范围(磁场范围约为1mOe～2.5kOe)的测量，需要提出一种新的，适用于大磁场测量方法。

发明内容

本发明提供的一种大磁场测量方法，包括：中大磁场测量步骤及极大磁场测量步骤；另外还包括：

步骤1：将四个正交配置的磁阻电阻放置到外加磁场中，并获取各个磁阻电阻的阻值；第一磁阻电阻与第三磁阻电阻位于一条直线上，第二磁阻电阻与第四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：若检测到四个磁阻电阻的阻值相对于磁场为0时的阻值变化量小于设定值时，则采用小磁场测量步骤对外加磁场进行测量；若检测到四个磁阻电阻的阻值都变小，则采用极大磁场测量步骤对外加磁场进行测量；

若四个磁阻电阻的阻值均不满足上述两个判断条件，则将其中两个相互正交的磁阻电阻的阻值带入中大磁场测量步骤计算，若计算过程收敛则判断外加磁场为中大磁场且计算结果为中大磁场的磁场强度及方向；若计算过程不收敛则将四个磁阻电阻的阻值带入极大磁场测量步骤计算，且判断外加磁场为极大磁场，计算结果为极大磁场的磁场强度及方向；

其中，中大磁场测量步骤进一步包括：

步骤M1：获取外加磁场中两个相互正交的磁阻电阻的阻值，同时将无磁场时这两个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M2：根据两个磁阻电阻的阻值分别计算两个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M3：分别根据两个磁阻电阻的给定参考层磁化方向及两个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磁阻电阻的自由层磁化方向；

步骤M4：根据两个磁阻电阻的给定参考层磁化方向、两个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M5：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M2～步骤M5，直到两次结果的差值小于设定值；

极大磁场测量步骤进一步包括：

步骤N1：根据四个磁阻电阻的阻值计算各磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角；

步骤N2：根据第一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N3：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。

小磁场测量步骤进一步包括：

步骤S1：采集位于待测磁场中两个相互正交的磁阻电阻的阻值R₁，R₂；

步骤S2：将其中一个磁阻电阻的阻值R₁及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H₀+R₀，将另一个磁阻电阻的阻值R₂及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀-θ′)H₀+R₀得到二元方程组：

其中，R为置于待测磁场中磁阻电阻的阻值，H₀为待测量磁场的磁场强度，θ为待测磁场的磁场方向，R₀为零磁场时磁阻电阻的阻值；

式中，分别为磁阻电阻置于零磁场时自由层的饱和磁化方向以及参考层的饱和磁化方向；

式中，H_AF、H_AR分别为磁阻电阻自由层的各项异性场幅值及参考层的各项异性场幅值；h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF、θ_BF分别为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场幅值及方向；h_BR＝H_BR/H_AR，H_BR、θ_BR分别为磁阻电阻参考层的内部偏置磁场幅值及方向；

步骤S3：求解步骤2中的二元方程组，得到待测量磁场的磁场强度H₀及方向θ。

进一步，若重复执行步骤M2～步骤M5设定次数后，本次计算结果与前次计算结果的差值仍然不小于设定值，则认为中大磁场测量步骤的计算过程不收敛。

进一步，极大磁场测量步骤还包括步骤N4：根据方向θ对磁场强度H₀进行优化。

本发明提供的一种大磁场测量装置，包括：小磁场测量模块、中大磁场测量模块及极大磁场测量模块；另外还包括：

磁阻电阻阻值获取模块，用于获取外加磁场中四个正交配置的磁阻电阻的阻值；第一磁阻电阻与第三磁阻电阻位于一条直线上，第二磁阻电阻与第四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；

磁场计算模块，用于判断：若检测到四个磁阻电阻的阻值相对于磁场为0时的阻值变化量小于设定值时，则调用小磁场测量模块对外加磁场进行测量；若检测到四个磁阻电阻的阻值都变小，则调用极大磁场测量模块对外加磁场进行测量；

若四个磁阻电阻的阻值均不满足上述两个判断条件，则将其中两个相互正交的磁阻电阻的阻值带入中大磁场测量模块计算，若计算过程收敛则判断外加磁场为中大磁场且计算结果为中大磁场的磁场强度及方向；若计算过程不收敛则将四个磁阻电阻的阻值带入极大磁场测量模块计算，且判断外加磁场为极大磁场，计算结果为极大磁场的磁场强度及方向；

其中，中大磁场测量模块进一步包括：

初始化子模块，用于获取外加磁场中两个相互正交的磁阻电阻的阻值，同时将无磁场时这两个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子模块，用于根据两个磁阻电阻的阻值分别计算两个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子模块，用于分别根据两个磁阻电阻的给定参考层磁化方向及两个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磁阻电阻的自由层磁化方向；

外加磁场计算子模块，根据两个磁阻电阻的给定参考层磁化方向、两个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；

精度判断子模块，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子模块、自由层磁化方向计算子模块、外加磁场计算子模块及精度判断子模块，直到两次结果的差值小于设定值；

极大磁场测量模块进一步包括：

磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向夹角计算子模块，用于根据四个磁阻电阻的阻值计算各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子模块，用于根据第一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子模块，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。

所述小磁场测量模块进一步包括：

磁阻电阻阻值获取子模块，用于获取位于待测磁场中两个相互正交的磁阻电阻的阻值R₁，R₂；

小磁场方程组建立子模块，用于将其中一个磁阻电阻的阻值R₁及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H₀+R₀，将另一个磁阻电阻的阻值R₂及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀-θ′)H₀+R₀得到二元方程组：

其中，R为置于待测磁场中磁阻电阻的阻值，H₀为待测量磁场的磁场强度，θ为待测磁场的磁场方向，R₀为零磁场时磁阻电阻的阻值；

式中，分别为磁阻电阻置于零磁场时自由层的饱和磁化方向以及参考层的饱和磁化方向；

式中，H_AF、H_AR分别为磁阻电阻自由层的各项异性场幅值及参考层的各项异性场幅值；h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF、θ_BF分别为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场幅值及方向；h_BR＝H_BR/H_AR，H_BR、θ_BR分别为磁阻电阻参考层的内部偏置磁场幅值及方向；

小磁场测量方程组求解子模块，用于求解所述二元方程组，得到待测量磁场的磁场强度H₀及方向θ；

进一步，若重复执行自由层及参考层夹角计算子模块、自由层磁化方向计算子模块、外加磁场计算子模块及精度判断子模块设定次数后，本次计算结果与前次计算结果的差值仍然不小于设定值，则认为中大磁场测量模块的计算过程不收敛。

进一步，极大磁场测量模块还包括磁场强度优化子模块，用于根据方向θ对磁场强度H₀进行优化。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提供的大磁场测量方法实现了对大磁场的准确测量，测量范围扩展到2mOe～2500Oe，动态范围达6个数量级，特别是可测最大磁场从传统的数十奥斯特扩展到数千奥斯特，扩展40倍左右。

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为外加磁场中磁阻电阻的分布图。

图2为本发明方法流程图。

图3为隧穿磁阻单畴模型。

图4为小磁场环境中隧穿磁阻电阻自由层与参考层贡献的灵敏度随角度变化的仿真图。

图5为中大磁场测量步骤的流程图。

图6为磁阻电阻的单畴行为的归一化星形曲线示意图。

图7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。

如图2，本发明提供的一种大磁场测量方法，包括：

步骤1：获取前述四个磁阻电阻的阻值。

步骤2：若检测到四个磁阻电阻的阻值相对于磁场为0时的阻值变化量小于设定值时，根据不同的技术精度要求设定值是可调的，如2％～5％，认为外界磁场很小，则调用小磁场测量模块对外加磁场进行测量；若检测到四个磁阻电阻的阻值都变小，则直接调用极大磁场测量模块对外加磁场进行测量；

若四个磁阻电阻的阻值均不满足上述两个判断条件，则将其中两个相互正交的磁阻电阻的阻值，如R1与R2或者R3或R4，带入中大磁场测量步骤计算，若计算过程收敛则判断外加磁场为中大磁场且计算结果为中大磁场的磁场强度及方向；若计算过程不收敛则将四个磁阻电阻的阻值带入极大磁场测量步骤计算，且判断外加磁场为极大磁场，计算结果为极大磁场的磁场强度及方向。

下面分别介绍小磁场测量步骤、中大磁场测量步骤及极大磁场测量步骤。

小磁场测量步骤

小磁场测量可采用现有的测量技术，为了获取更高的测量精度，在本发明一个优选实施例中采用以下步骤进行。

测量位于待测小磁场中两个正交磁阻电阻的阻值R₁、R₂。当然也可以获取R₃、R₄进计算。本实施例以阻值R₁、R₂进行计算。

将其中一个磁阻电阻的阻值R₁及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H₀+R₀，将另一个磁阻电阻的阻值R₂及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀-θ′)H₀+R₀得到二元方程组：

其中，R为置于待测磁场中磁阻电阻的阻值，H₀为待测量磁场的磁场强度，θ为待测磁场的磁场方向，R₀为零磁场时磁阻电阻的阻值；

式中，分别为磁阻电阻置于零磁场时自由层的饱和磁化方向以及参考层的饱和磁化方向；

式中，H_AF、H_AR分别为磁阻电阻自由层的各项异性场幅值及参考层的各项异性场幅值；h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF、θ_BF分别为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场幅值及方向；h_BR＝H_BR/H_AR，H_BR、θ_BR分别为磁阻电阻参考层的内部偏置磁场幅值及方向。

即最后得到的两个方程为：

R₁＝k_m1cos(θ-θ₀₁)H₀+R₀₁；R₂＝k_m2cos(θ-θ₀₂-θ′)H₀+R₀₂；

其中，R₀₁为零磁场时第一磁阻电阻的阻值，可以测试得到。

式中，分别为第一磁阻电阻置于零磁场时自由层的饱和磁化方向以及参考层的饱和磁化方向，均可在零磁场时测得。

式中，H_AF1、H_AR1分别为第一磁阻电阻自由层的各项异性场幅值及参考层的各项异性场幅值；h_BF1＝H_BF1/H_AF1，H_BF1、θ_BF1分别为第一磁阻电阻自由层的内部偏置磁场幅值及方向；h_BR1＝H_BR1/H_AR1，H_BR1、θ_BR1分别为第一磁阻电阻参考层的内部偏置磁场幅值及方向，这些值为磁阻电阻固有的参数，可以测得也可以直接从磁阻电阻厂商提供的数据手册中获取。

同样的方式，将第二磁阻的相关参数带入，得到k_m2及θ₀₂。

计算上述两个方程组成的方程组的解，便得到待测小磁场的磁场强度H₀及方向θ。

本发明方法适用各类磁阻电阻，包括隧穿磁阻电阻、巨磁阻电阻以及自旋阀结构磁阻电阻等。

下面以隧穿磁阻电阻为例，阐述上述方法的推导过程，以便本领域技术人员更好的理解本发明。

在小磁场范围测量情况下，由于外加磁场远小于参考层和被钉扎层内部偏置场，钉扎层和参考层几乎不变，自由层和参考层间的耦合能可计入自由层计算。自由层和参考层均可简化为图3中最简单的模型，且可分开计算。令易轴角度α＝0，则自由层和参考层的磁化方向为：

式中，h_F＝H/H_AF，h_R＝H/H_AR，分别为隧穿磁阻电阻自由层的饱和磁化强度、参考层的饱和磁化强度。

无外界磁场时，各层磁化方向满足：

其中自由层磁化方向满足：

当外界磁场方向不变时，自由层磁化方向满足：则在外界磁场为零时的导数满足：

相应地，参考层在外界磁场为零时的导数满足：

可知，隧穿磁阻电阻灵敏度包括两个分量：自由层分量和参考层分量。每个分量的最大灵敏度方向分别垂直于其初始的磁化方向。

因此，隧穿磁阻电阻在外界磁场为零时的导数满足：

为归一化后的隧穿磁阻电阻的灵敏度，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。当磁阻电阻的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。

对式(1)进行仿真，得到图4的结果。通常，参考层由被钉扎层强耦合在难轴方向，耦合场典型值高达数千高斯，远大于外加磁场，参考层磁化方向随外界磁场变化很小。隧穿磁阻由自由层和参考层贡献的灵敏度随角度变化如图3，图中FL表示自由层灵敏度，RL表示参考层灵敏度，仿真设置h_BXF(＝H_BRcos(θ_BR))＝h_BXR(＝H_BRsin(θ_BR))＝1。总灵敏度为自由层和参考层分量的叠加，叠加后，即FL+RL，仍为正弦形式变化。从图3可以看出，隧穿磁阻电阻的最大灵敏度方向并非在磁场方向的90°，而是在90°之前，正弦曲线已出现最大值。

本领域技术人员知晓，在小磁场中隧穿磁阻电阻的阻值R与磁场强度呈线性关系，即

对式(1)进行变形，令：

则等式右边变为：

灵敏度幅值为：

灵敏度方向为：

最终等式为：

进一步，得到公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H₀+R₀。

中大磁场测量步骤

如图5，中大磁场测量步骤包括：

(1)对于任一外加磁场，测量得到两个不同易轴方向的磁阻电阻，本实施例使用的是相互正交的电阻R₁及电阻R₂的阻值，同时将两个电阻在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。

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5过程①，计算公式为：

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

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

当自由层和参考层磁化方向相同时，磁阻电阻值最小，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_1min、R_1max为第一磁阻电阻的最小值及最大值，R_2min、R_2max为第二磁阻电阻的最小值及最大值，均可通过分别标定两个磁阻电阻得到。

(3)对于给定的参考层磁化方向，计算自由层磁化方向如图5过程②，计算公式为将带入前式便得到第一磁阻电阻的自由层磁化方向将带入前式便得到第二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6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5过程③，计算公式为式：

式中，式中α₁，α₂分别为两个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小于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5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_Fcosθh_Y1＝h_Fsinθ；

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_Fsinθ，h_Y2＝h_Fcosθ；

与的筛选过程同理，确定

将求解得到的值分别作为新的给定的参考层磁化方向

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。

极大磁场测量步骤

根据图1布置，四个磁阻电阻的极大磁场测量分布图如图7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7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，各个磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角计算过程参见中大磁场测量步骤的第(2)步。

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 (8)

1.一种宽磁场范围测量方法，其特征在于，包括：小磁场测量步骤、中大磁场测量步骤及极大磁场测量步骤；另外还包括：

步骤1：将四个正交配置的磁阻电阻放置到外加磁场中，并获取各个磁阻电阻的阻值；第一磁阻电阻与第三磁阻电阻位于一条直线上，第二磁阻电阻与第四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：若检测到四个磁阻电阻的阻值相对于磁场为0时的阻值变化量小于设定值时，则采用小磁场测量步骤对外加磁场进行测量；若检测到四个磁阻电阻阻值都变小，则采用极大磁场测量步骤对外加磁场进行测量；

若四个磁阻电阻的阻值均不满足上述两个判断条件，则将其中两个相互正交的磁阻电阻的阻值带入中大磁场测量步骤计算，若计算过程收敛则判断外加磁场为中大磁场且计算结果为中大磁场的磁场强度及方向；若计算过程不收敛则将四个磁阻电阻的阻值带入极大磁场测量步骤计算，且判断外加磁场为极大磁场，计算结果为极大磁场的磁场强度及方向；

其中，中大磁场测量步骤进一步包括：

步骤M1：获取外加磁场中两个相互正交的磁阻电阻的阻值，同时将无磁场时这两个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M2：根据两个磁阻电阻的阻值分别计算两个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M3：分别根据两个磁阻电阻的给定参考层磁化方向及两个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磁阻电阻的自由层磁化方向；

步骤M4：根据两个磁阻电阻的给定参考层磁化方向、两个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M5：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M2～步骤M5，直到两次结果的差值小于设定值；

极大磁场测量步骤进一步包括：

步骤N1：根据四个磁阻电阻的阻值计算各磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角；

步骤N2：根据第一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N3：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。

2.根据权利要求1所述的一种宽磁场范围测量方法，其特征在于，小磁场测量步骤进一步包括：

步骤S1：采集位于待测磁场中两个相互正交的磁阻电阻的阻值R₁，R₂；

步骤S2：将其中一个磁阻电阻的阻值R₁及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H₀+R₀，将另一个磁阻电阻的阻值R₂及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀-θ′)H₀+R₀得到二元方程组：

其中，R为置于待测磁场中磁阻电阻的阻值，H₀为待测量磁场的磁场强度，θ为待测磁场的磁场方向，R₀为零磁场时磁阻电阻的阻值；

式中，分别为磁阻电阻置于零磁场时自由层的饱和磁化方向以及参考层的饱和磁化方向；

式中，H_AF、H_AR分别为磁阻电阻自由层的各项异性场幅值及参考层的各项异性场幅值；h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF、θ_BF分别为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场幅值及方向；h_BR＝H_BR/H_AR，H_BR、θ_BR分别为磁阻电阻参考层的内部偏置磁场幅值及方向；

步骤S3：求解步骤2中的二元方程组，得到待测量磁场的磁场强度H₀及方向θ。

3.根据权利要求1所述的一种宽磁场范围测量方法，其特征在于，若重复执行步骤M2～步骤M5设定次数后，本次计算结果与前次计算结果的差值仍然不小于设定值，则认为中大磁场测量步骤的计算过程不收敛。

4.根据权利要求1所述的一种宽磁场范围测量方法，其特征在于，极大磁场测量步骤还包括步骤N4：根据方向θ对磁场强度H₀进行优化。

5.一种宽磁场范围测量装置，其特征在于，包括：小磁场测量模块、中大磁场测量模块及极大磁场测量模块；另外还包括：

磁阻电阻阻值获取模块，用于获取外加磁场中四个正交配置的磁阻电阻的阻值；第一磁阻电阻与第三磁阻电阻位于一条直线上，第二磁阻电阻与第四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；

磁场计算模块，用于判断：若检测到四个磁阻电阻的阻值相对于磁场为0时的阻值变化量小于设定值时，则调用小磁场测量模块对外加磁场进行测量；若检测到四个磁阻电阻的阻值都变小，则调用极大磁场测量模块对外加磁场进行测量；

若四个磁阻电阻的阻值均不满足上述两个判断条件，则将其中两个相互正交的磁阻电阻的阻值带入中大磁场测量模块计算，若计算过程收敛则判断外加磁场为中大磁场且计算结果为中大磁场的磁场强度及方向；若计算过程不收敛则将四个磁阻电阻的阻值带入极大磁场测量模块计算，且判断外加磁场为极大磁场，计算结果为极大磁场的磁场强度及方向；

其中，中大磁场测量模块进一步包括：

初始化子模块，用于获取外加磁场中两个相互正交的磁阻电阻的阻值，同时将无磁场时这两个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子模块，用于根据两个磁阻电阻的阻值分别计算两个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子模块，用于分别根据两个磁阻电阻的给定参考层磁化方向及两个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磁阻电阻的自由层磁化方向；

外加磁场计算子模块，根据两个磁阻电阻的给定参考层磁化方向、两个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；

精度判断子模块，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子模块、自由层磁化方向计算子模块、外加磁场计算子模块及精度判断子模块，直到两次结果的差值小于设定值；

极大磁场测量模块进一步包括：

磁阻电阻自由层磁化方向与参考层磁化方向夹角计算子模块，用于根据四个磁阻电阻的阻值计算各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子模块，用于根据第一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子模块，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。

6.根据权利要求5所述的一种宽磁场范围测量装置，其特征在于，所述小磁场测量模块进一步包括：

磁阻电阻阻值获取子模块，用于获取位于待测磁场中两个相互正交的磁阻电阻的阻值R₁，R₂；

小磁场方程组建立子模块，用于将其中一个磁阻电阻的阻值R₁及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀)H₀+R₀，将另一个磁阻电阻的阻值R₂及其固有参数带入公式R＝k_mcos(θ-θ₀-θ′)H₀+R₀得到二元方程组：

其中，R为置于待测磁场中磁阻电阻的阻值，H₀为待测量磁场的磁场强度，θ为待测磁场的磁场方向，R₀为零磁场时磁阻电阻的阻值；

式中，分别为磁阻电阻置于零磁场时自由层的饱和磁化方向以及参考层的饱和磁化方向；

式中，H_AF、H_AR分别为磁阻电阻自由层的各项异性场幅值及参考层的各项异性场幅值；h_BF＝H_BF/H_AF，H_BF、θ_BF分别为磁阻电阻自由层的内部偏置磁场幅值及方向；h_BR＝H_BR/H_AR，H_BR、θ_BR分别为磁阻电阻参考层的内部偏置磁场幅值及方向；

小磁场测量方程组求解子模块，用于求解所述二元方程组，得到待测量磁场的磁场强度H₀及方向θ。

7.根据权利要求5所述的一种宽磁场范围测量装置，其特征在于，若重复执行自由层及参考层夹角计算子模块、自由层磁化方向计算子模块、外加磁场计算子模块及精度判断子模块设定次数后，本次计算结果与前次计算结果的差值仍然不小于设定值，则认为中大磁场测量模块的计算过程不收敛。

8.根据权利要求5所述的一种宽磁场范围测量装置，其特征在于，极大磁场测量模块还包括磁场强度优化子模块，用于根据方向θ对磁场强度H₀进行优化。