隧道磁电阻效应磁场测量方法研究

发布时间：2019-08-01 17:07

【摘要】：提出了一种采用三轴隧道磁电阻传感器作为测量探头,双轴定向、单轴独立测量的三维磁场测量方法。测量时转动测量探头,使两定向轴输出电压均为零,此时独立测量轴与磁场方向一致,实现独立轴直接测量总磁场。利用曲线拟合,获得了测量探头的输出电压与磁感应强度在一定范围内的线性函数关系。通电螺线管中心轴线上磁感应强度测量实验结果表明,采用该方法的测量系统,测量±0.3T范围内的磁场,最大相对误差为-4.3%,精确度高于0.3%。
【图文】：

隧道磁电阻效应磁场测量方法研究

相比，三轴ＴＭＲ磁传感器能够更好地测量磁场中某点的磁感应强度。与传统三维磁场测量方法不同，独立定向磁场测量方法，按照定向轴的测量值均为零的原则，依靠转动测量探头的方式，实现独立测量轴直接测量总磁感应强度。首先，双定向轴方向上，磁感应强度分量为零，解决了测量时三轴磁传感器３个磁敏感轴之间相互干扰的问题。其次，独立测量轴与磁场方向一致，避免了测量磁感应强度分量之后再矢量求和，这一过程引入误差，提高了测量精确度。１隧道磁电阻效应与磁传感器输出原理１．１隧道磁电阻效应如图１所示，磁性膜／非磁性膜／磁性膜类型的磁隧道结（ｍａｇｎｅｔｉｃｔｕｎｎｅｌｊｕｎｃｔｉｏｎ，ＭＴＪ）包括由铁磁性物质构成的自由层（ｆｒｅｅｌａｙｅｒ）、由非磁性金属氧化物组成的绝缘层（ｂａｒｒｉｅｒｌａｙｅｒ）以及由抗铁磁性（ａｎｔｉ－ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）、铁磁性物质两者共同组成的钉扎层（ｐｉｎｎｅｄｌａｙｅｒ）。２个电极位于ＭＴＪ的顶部和底部，外接电源驱动电子穿越ＭＴＪ，形成电流回路。根据电子自旋相关的隧穿效应，外接电源一定，当自由层、钉扎层两层的磁矩同向相互平行时，大量的电子穿越ＭＴＪ，此时ＭＴＪ呈现低阻态；当自由层、钉扎层两层的磁矩反向相互平行时，少量的电子穿越ＭＴＪ，此时ＭＴＪ呈现高阻态［３］。由于非磁性膜的存在，解决了磁性多层膜中存在较强的层间交换耦合的问题，电子可以隧穿极薄的非磁性膜而保持其自旋方向不变，使微弱的磁场变化就可导致其磁电阻发生极大的变化，这就是隧道磁电阻（ＴＭＲ）效应，因此ＴＭＲ磁传感器具有极高的灵敏度，可用于磁场测量［４］。图

隧道磁电阻效应磁场测量方法研究

高阻态［３］。由于非磁性膜的存在，解决了磁性多层膜中存在较强的层间交换耦合的问题，电子可以隧穿极薄的非磁性膜而保持其自旋方向不变，使微弱的磁场变化就可导致其磁电阻发生极大的变化，这就是隧道磁电阻（ＴＭＲ）效应，因此ＴＭＲ磁传感器具有极高的灵敏度，可用于磁场测量［４］。图１磁隧道结示意图１．２ＴＭＲ磁传感器的输出原理三轴ＴＭＲ磁传感器集成了３个磁敏感方向相互垂直的ＴＭＲ单元。每个ＴＭＲ单元均采用推挽式惠斯通全桥结构，提供差分电压输出，如图２所示，其４个桥臂上的电阻分别为Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４为相同的ＴＭＲ电阻［８］。图２推挽式惠斯通全桥结构图中Ｖ１为供电电源电压，箭头表示ＴＭＲ电阻的磁敏感方向。Ｖ＋、Ｖ－分别为Ｒ１和Ｒ２构成的半桥、Ｒ３和Ｒ４构成的半桥的输出电压，可作为一个全桥输出。由于４个ＴＭＲ电阻具有相同温度特性，故全桥结构本身具有很高的温度稳定性，不需要设计复杂的温度补偿电路、就能抑制温漂。４个ＴＭＲ电阻处于相同的空间中，故全桥结构能够抑制和消除空间中存在诸多干扰噪声。半桥的输出电压Ｖ＋、Ｖ－和全桥输出Ｕ分别为［９］Ｖ＋＝Ｖ１Ｒ２（Ｒ１＋Ｒ２）（１）Ｖ－＝Ｖ１Ｒ４（Ｒ３＋Ｒ４）（２）Ｕ＝Ｖ＋－Ｖ－＝Ｖ１Ｒ２（Ｒ１＋Ｒ２）－Ｒ４（Ｒ３＋Ｒ４（））（３）２独立定向磁场测量原理如图３所示，以三轴ＴＭＲ磁传感器的中心点为原点Ｏ，Ｚ轴
【作者单位】：河北工业大学电气工程学院;
【基金】：河北省自然科学基金项目(E2015202241) 2017年河北省级研究生创新资助项目(220056)
【分类号】：TP212

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