隧道磁電阻效應磁場測量方法研究

楊文榮, 郭 兵, 楊曉銳, 趙 琳

(河北工業大學 電氣工程學院, 天津 300130)

實驗技術與方法

隧道磁電阻效應磁場測量方法研究

楊文榮, 郭 兵, 楊曉銳, 趙 琳

(河北工業大學 電氣工程學院, 天津 300130)

提出了一種采用三軸隧道磁電阻傳感器作為測量探頭,雙軸定向、單軸獨立測量的三維磁場測量方法。測量時轉動測量探頭,使兩定向軸輸出電壓均為零,此時獨立測量軸與磁場方向一致,實現獨立軸直接測量總磁場。利用曲線擬合,獲得了測量探頭的輸出電壓與磁感應強度在一定范圍內的線性函數關系。通電螺線管中心軸線上磁感應強度測量實驗結果表明,采用該方法的測量系統,測量±0.3 T范圍內的磁場,最大相對誤差為-4.3%,精確度高于0.3%。

隧道磁電阻傳感器；三維磁場測量；曲線擬合；螺線管

隧道磁電阻(tunneling magnetoresistance,TMR)效應是自旋電子學研究的核心重點內容[1-2],相比于霍爾效應、各向異性磁電阻效應、巨磁電阻效應,其具有的磁性隧道結(magnetic tunnel junction,MTJ),在室溫條件下具有更高的磁電阻比[3]。TMR磁傳感器相比于其他磁性傳感元件,具備優異的溫度穩定性、極高的靈敏度、高分辨率等特點,可用于磁場測量[4]。磁傳感器測量三維空間內磁感應強度的有效值是一個關于磁場方向與磁敏感軸之間夾角的余弦函數[5-6],因此磁場測量時必須考慮磁傳感器的位置帶來的誤差,這就使得由單一磁傳感器構成的測量探頭無法滿足高精度測量系統的需求。同時,三軸磁傳感器直接用于測量磁場時,存在3個磁敏感軸相互干擾的問題,因此目前三維磁場測量系統,大多數都采用多個獨立磁傳感器協同測量的方法,共同完成磁場測量[7]；但由于多個獨立磁傳感器的相對位置很難保證絕對垂直,以及通過矢量合成的方法,測量多個分量后，合成總磁感應強度時會增加系統誤差,影響系統測量精確度。

因此,本文提出了一種雙軸定向、單軸獨立測量的三維磁場測量方法,以TMR傳感器作為測量探頭。三軸TMR磁傳感器相當于將3個相互垂直的磁傳感器集成到一起,不僅能有效地保證垂直的位置關系,而且TMR磁傳感器整體的體積小,與傳統多個磁傳感器相比,三軸TMR磁傳感器能夠更好地測量磁場中某點的磁感應強度。與傳統三維磁場測量方法不同,獨立定向磁場測量方法,按照定向軸的測量值均為零的原則,依靠轉動測量探頭的方式,實現獨立測量軸直接測量總磁感應強度。首先,雙定向軸方向上,磁感應強度分量為零,解決了測量時三軸磁傳感器3個磁敏感軸之間相互干擾的問題。其次,獨立測量軸與磁場方向一致,避免了測量磁感應強度分量之后再矢量求和,這一過程引入誤差,提高了測量精確度。

1 隧道磁電阻效應與磁傳感器輸出原理

1.1 隧道磁電阻效應

如圖1所示,磁性膜/非磁性膜/磁性膜類型的磁隧道結(magnetic tunnel junction, MTJ)包括由鐵磁性物質構成的自由層(free layer)、由非磁性金屬氧化物組成的絕緣層(barrier layer)以及由抗鐵磁性(antiferromagnet)、鐵磁性物質兩者共同組成的釘扎層(pinned layer)。2個電極位于MTJ的頂部和底部,外接電源驅動電子穿越MTJ,形成電流回路。根據電子自旋相關的隧穿效應,外接電源一定,當自由層、釘扎層兩層的磁矩同向相互平行時,大量的電子穿越MTJ,此時MTJ呈現低阻態；當自由層、釘扎層兩層的磁矩反向相互平行時,少量的電子穿越MTJ,此時MTJ呈現高阻態[3]。由于非磁性膜的存在,解決了磁性多層膜中存在較強的層間交換耦合的問題,電子可以隧穿極薄的非磁性膜而保持其自旋方向不變,使微弱的磁場變化就可導致其磁電阻發生極大的變化,這就是隧道磁電阻(TMR)效應,因此TMR磁傳感器具有極高的靈敏度,可用于磁場測量[4]。

圖1 磁隧道結示意圖

1.2 TMR磁傳感器的輸出原理

三軸TMR磁傳感器集成了3個磁敏感方向相互垂直的TMR單元。每個TMR單元均采用推挽式惠斯通全橋結構,提供差分電壓輸出,如圖2所示,其4個橋臂上的電阻分別為R1、R2、R3、R4為相同的TMR電阻[8]。

圖2 推挽式惠斯通全橋結構

圖中V1為供電電源電壓,箭頭表示TMR電阻的磁敏感方向。V+、V-分別為R1和R2構成的半橋、R3和R4構成的半橋的輸出電壓,可作為一個全橋輸出。由于4個TMR電阻具有相同溫度特性,故全橋結構本身具有很高的溫度穩定性,不需要設計復雜的溫度補償電路、就能抑制溫漂。4個TMR電阻處于相同的空間中,故全橋結構能夠抑制和消除空間中存在諸多干擾噪聲。半橋的輸出電壓V+、V-和全橋輸出U分別為[9]

(1)

(2)

(3)

2 獨立定向磁場測量原理

如圖3所示,以三軸TMR磁傳感器的中心點為原點O,Z軸為獨立測量軸,X、Y軸為兩定向軸。總磁場感應強度B與三軸的夾角分別為Ψ、θ、β,在三軸上的分量分別為Bi、BD1、BD2,且有

(4)

圖3 TMR測量探頭三軸與磁場的位置關系示意圖

測量三維磁場時,三軸磁傳感器存在三磁敏感軸之間相互干擾的問題,導致測量結果存在較大誤差,但當磁敏感軸向的磁場分量較小時,此時全橋輸出U不存在干擾問題。因此,提出了雙軸定向、單軸獨立測量磁場的方法。定向軸1、2分別輸出2個全橋測量信號U1、U2。當兩定向軸上磁感應強度分量為零時,β、θ均為90o,半橋輸出V+、V-大小相等,此時全橋輸出U1、U2均為零,獨立測量軸測量總磁感應強度,有cosΨ=1。測量空間內任意未知磁場時,根據兩定向軸的磁場測量值,在磁場中調整TMR測量探頭的位置,使得定向軸上輸出為零[10]。

單軸獨立測量總磁感應強度B,即磁感線與獨立測量軸的磁敏感軸平行,全橋輸出為U,根據TMR效應有

U=f(B)=a0+a1B

(5)

式中，f(B)為校正函數，a0為零位輸出,a1為傳感器探頭的靈敏度。

3 測量系統的總體設計

3.1 總體結構

該系統主要由TMR磁傳感器、恒壓源、ADS1256數模轉換器、STM32微控處理器以及串口輸出電路組成,如圖4所示。恒壓源驅動TMR磁傳感器作為測量探頭,其輸出3個相互垂直方向上的測量電信號,經濾波處理后進入ASD1256數模轉換器,完成模擬量到數字量的轉換；STM32微控處理器對ADS1256輸出信號進行算法修正及計算,然后將通過RS232串口,將實時測量結果發送到主機,以便進行后續處理。

圖4 總體結構框圖

3.2 硬件電路

3.2.1 低通濾波電路

TMR磁傳感器采用惠斯通全橋提供差分電壓輸出,抵消了環境溫度等外界條件對測量的影響,但是測量系統從傳感器拾取的信號中,還是包含多種噪聲及工頻干擾信號,從而影響測量精度。為了提高測量系統的精度和穩定性,設了如圖5所示的壓控電壓源型二階濾波電路,該電路是截止頻率為15.9 Hz的低通濾波電路,可以濾除待測電信號意外的干擾噪聲和工頻干擾信號,從而提高測量系統的各項性能。

圖5 壓控電壓源型二階濾波電路

3.2.2 ADS1256多路采集電路

為了滿足精度和分辨率的設計要求,采用適用于科學儀器的Σ-Δ型24位高精度A/D轉換器ADS1256。該轉換器由模擬多路開關(MUX)、可編程增益放大器(PGA)、四階Σ-Δ調制器、可編程數字濾波器、串行外部接口SPI等部分組成。ADS1256數據輸出速率最高可達30 kS/s、無噪聲精度最高可達23位、非線性特性低至0.0010%,能夠實現高速、高精度數據采集。ADS1256提供9路模擬輸入端,通過模擬多路開關可將其配置為4路差動輸入。TMR測量探頭的 3路差分輸出電信號,依次接入將輸入端AIN0～AIN5,AINCOM端空置[11]。

4 算法修正與校正實驗

4.1 算法修正

為了減少系統誤差對測量精度的影響,對TMR測量探頭的輸出電壓進行算法修正。與傳統傳感器依靠電橋、手動調節電位器進行修正不同,算法修正具有操作簡單、便于實現的特點。測量系統開始測量之前,首先將探頭放置在零磁場的調零腔中,同時測得50組獨立測量軸和兩定向軸的輸出電壓值,然后求得各軸輸出電壓的平均值C、C1、C2,作為相應軸的零狀態修正值。測量磁場時,在A/D轉換器的輸出電壓值上減去相應的修正值,就可以實現調零的目的[12]。

4.2 校正實驗及系統的各項參數

依據亥姆霍茲線圈可以產生磁感應強度大小可調的均勻磁場這一原理,設計了校正實驗磁場發生裝置,如圖6所示。該發生裝置由2個彼此平行且共軸的載流圓線圈以及兩線圈之間的探頭支架構成。由亥姆霍茲線圈原理可知，當兩線圈間距等于線圈半徑時,兩線圈產生的總磁場在軸中點附近的較大范圍內是均勻的,每個線圈匝數為2 000匝,線圈的內半徑為7.5 cm；支架可將高斯計的標準探頭和待校正的TMR測量探頭精確的固定在軸中點且保證標準探頭的Z軸以及TMR測量探頭的雙定向軸垂直于兩線圈中心軸,獨立測量軸與兩線圈中心軸向一致。

圖6 校正實驗磁場發生裝置

利用F.W.BELL8030高斯計,配合使用精度為0.25%的標準三維探頭ZOA83—3208-10-T,對±0.3 T(±300 Gs)磁場范圍內的60個點進行校正。進行了5組回程實驗,測定該系統的回程誤差δ=0.20%,重復性E=0.07%。

圖7為數據處理結果及校正函數曲線,對5組回程實驗的測量結果進行處理,計算出60個校正點中每個校正點在回程實驗的2個過程中輸出電壓的2個平均值UBU、UBD。利用曲線擬合方法確定磁感應強度B與輸出電壓U之間的關系函數如公式6所示,相關系數為0.998,傳感器探頭的靈敏度為6×104mV/T(6.000 mV/Gs)。

U=f(B)=36.295+6.000B

(6)

圖7 數據處理結果及校正函數曲線

5 測量實驗及結果分析

設計制作了長度L為1 000 mm、直徑D為145.6 mm、線圈匝數為1180匝的精密繞制的螺線管。恒流源輸出電流為I,真空中的磁導率μ0=4π×10-7H/m。通電螺線管中心軸線上磁感應強的計算公式[13]為

(7)

當螺線管中通入的電流I在-10 A～10 A范圍內變化時,應用該系統測量螺線管中心軸線處的磁感應強度并與計算值的對比,實驗結果見表1。表中I為通入螺線管中的電流；U1、U2為兩定向軸輸出電壓；U為獨立測量軸輸出電壓,并依據公式(6),可得通電螺線管中心軸線處磁感應強度的測量值。

6 結語

依據本文提出的采用兩軸定向、單軸獨立測量的磁場測量方法搭建的測量系統,在±0.3T(±300 Gs)范圍內分辨率可達1×10-6T(0.01 Gs),精確度高于0.3%,最大相對誤差為-4.3%,可實現高精度測量磁場的目的。不僅解決了多個磁敏感軸之間相互干擾的問題,而且將獨立定向磁場測量方法應用到三維空間磁場測量。相對于傳統的通過矢量合成總磁感應強度,單軸獨立測量磁場減小了系統誤差。

表1 磁感應強度B的測量值與計算值對比

表1(續)

References)

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Study on magnetic field measurement method of tunneling magnetoresistance effect

Yang Wenrong, Guo Bing, Yang Xiaorui, Zhao Lin

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

A 3D magnetic field measurement method with the double-axle orientation and single-axle independent measurement is proposed by using the tribal-axle tunnel magnetoresistance sensor as the measuring probe. During the measurement, the measuring probe is rotated so that the output voltage of the double directional axle is zero, and the independent measuring axle is in accordance with the direction of the magnetic field to realize the direct measurement of the total magnetic field by the independent axle. The linear relationship between the output voltage of the probe and the magnetic induction intensity in a certain range is obtained by using the curve fitting. The experimental results of the magnetic induction intensity measurement on the central axle of the electric solenoid show that by using this method to measure the magnetic field in the range of ±0.3 Ts, the maximum relative error is -4.3%, and the accuracy is higher than 0.3%.

tunneling magnetoresistance sensor; 3D magnetic field measurement; curve fitting; solenoid

2017-06-06修改日期2017-09-05

河北省自然科學基金項目(E2015202241)；2017年河北省級研究生創新資助項目(220056)

楊文榮(1969—),女,河北滄州,博士,教授,博士生導師,研究方向為工程電磁場、磁性液體特性及應用.

E-mail：wryang@hebut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.008

O4-33

A

1002-4956(2017)12-0031-05