楊文榮, 郭 兵, 楊曉銳, 趙 琳

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 天津 300130)

實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法

隧道磁電阻效應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法研究

楊文榮, 郭 兵, 楊曉銳, 趙 琳

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 天津 300130)

提出了一種采用三軸隧道磁電阻傳感器作為測(cè)量探頭,雙軸定向、單軸獨(dú)立測(cè)量的三維磁場(chǎng)測(cè)量方法。測(cè)量時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量探頭,使兩定向軸輸出電壓均為零,此時(shí)獨(dú)立測(cè)量軸與磁場(chǎng)方向一致,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立軸直接測(cè)量總磁場(chǎng)。利用曲線擬合,獲得了測(cè)量探頭的輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)的線性函數(shù)關(guān)系。通電螺線管中心軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用該方法的測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量±0.3 T范圍內(nèi)的磁場(chǎng),最大相對(duì)誤差為-4.3%,精確度高于0.3%。

隧道磁電阻傳感器；三維磁場(chǎng)測(cè)量；曲線擬合；螺線管

隧道磁電阻(tunneling magnetoresistance,TMR)效應(yīng)是自旋電子學(xué)研究的核心重點(diǎn)內(nèi)容[1-2],相比于霍爾效應(yīng)、各向異性磁電阻效應(yīng)、巨磁電阻效應(yīng),其具有的磁性隧道結(jié)(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(yōu)異的溫度穩(wěn)定性、極高的靈敏度、高分辨率等特點(diǎn),可用于磁場(chǎng)測(cè)量[4]。磁傳感器測(cè)量三維空間內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的有效值是一個(gè)關(guān)于磁場(chǎng)方向與磁敏感軸之間夾角的余弦函數(shù)[5-6],因此磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)必須考慮磁傳感器的位置帶來(lái)的誤差,這就使得由單一磁傳感器構(gòu)成的測(cè)量探頭無(wú)法滿足高精度測(cè)量系統(tǒng)的需求。同時(shí),三軸磁傳感器直接用于測(cè)量磁場(chǎng)時(shí),存在3個(gè)磁敏感軸相互干擾的問(wèn)題,因此目前三維磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),大多數(shù)都采用多個(gè)獨(dú)立磁傳感器協(xié)同測(cè)量的方法,共同完成磁場(chǎng)測(cè)量[7]；但由于多個(gè)獨(dú)立磁傳感器的相對(duì)位置很難保證絕對(duì)垂直,以及通過(guò)矢量合成的方法,測(cè)量多個(gè)分量后，合成總磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)會(huì)增加系統(tǒng)誤差,影響系統(tǒng)測(cè)量精確度。

因此,本文提出了一種雙軸定向、單軸獨(dú)立測(cè)量的三維磁場(chǎng)測(cè)量方法,以TMR傳感器作為測(cè)量探頭。三軸TMR磁傳感器相當(dāng)于將3個(gè)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(guān)系,而且TMR磁傳感器整體的體積小,與傳統(tǒng)多個(gè)磁傳感器相比,三軸TMR磁傳感器能夠更好地測(cè)量磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。與傳統(tǒng)三維磁場(chǎng)測(cè)量方法不同,獨(dú)立定向磁場(chǎng)測(cè)量方法,按照定向軸的測(cè)量值均為零的原則,依靠轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量探頭的方式,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立測(cè)量軸直接測(cè)量總磁感應(yīng)強(qiáng)度。首先,雙定向軸方向上,磁感應(yīng)強(qiáng)度分量為零,解決了測(cè)量時(shí)三軸磁傳感器3個(gè)磁敏感軸之間相互干擾的問(wèn)題。其次,獨(dú)立測(cè)量軸與磁場(chǎng)方向一致,避免了測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度分量之后再矢量求和,這一過(guò)程引入誤差,提高了測(cè)量精確度。

1 隧道磁電阻效應(yīng)與磁傳感器輸出原理

1.1 隧道磁電阻效應(yīng)

如圖1所示,磁性膜/非磁性膜/磁性膜類(lèi)型的磁隧道結(jié)(magnetic tunnel junction, MTJ)包括由鐵磁性物質(zhì)構(gòu)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(zhì)兩者共同組成的釘扎層(pinned layer)。2個(gè)電極位于MTJ的頂部和底部,外接電源驅(qū)動(dòng)電子穿越MTJ,形成電流回路。根據(jù)電子自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng),外接電源一定,當(dāng)自由層、釘扎層兩層的磁矩同向相互平行時(shí),大量的電子穿越MTJ,此時(shí)MTJ呈現(xiàn)低阻態(tài)；當(dāng)自由層、釘扎層兩層的磁矩反向相互平行時(shí),少量的電子穿越MTJ,此時(shí)MTJ呈現(xiàn)高阻態(tài)[3]。由于非磁性膜的存在,解決了磁性多層膜中存在較強(qiáng)的層間交換耦合的問(wèn)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(chǎng)變化就可導(dǎo)致其磁電阻發(fā)生極大的變化,這就是隧道磁電阻(TMR)效應(yīng),因此TMR磁傳感器具有極高的靈敏度,可用于磁場(chǎng)測(cè)量[4]。

圖1 磁隧道結(jié)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(gè)磁敏感方向相互垂直的TMR單元。每個(gè)TMR單元均采用推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu),提供差分電壓輸出,如圖2所示,其4個(gè)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(jié)構(gòu)

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(gòu)成的半橋、R3和R4構(gòu)成的半橋的輸出電壓,可作為一個(gè)全橋輸出。由于4個(gè)TMR電阻具有相同溫度特性,故全橋結(jié)構(gòu)本身具有很高的溫度穩(wěn)定性,不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路、就能抑制溫漂。4個(gè)TMR電阻處于相同的空間中,故全橋結(jié)構(gòu)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(dú)立定向磁場(chǎng)測(cè)量原理

如圖3所示,以三軸TMR磁傳感器的中心點(diǎn)為原點(diǎn)O,Z軸為獨(dú)立測(cè)量軸,X、Y軸為兩定向軸?？偞艌?chǎng)感應(yīng)強(qiáng)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(cè)量探頭三軸與磁場(chǎng)的位置關(guān)系示意圖

測(cè)量三維磁場(chǎng)時(shí),三軸磁傳感器存在三磁敏感軸之間相互干擾的問(wèn)題,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在較大誤差,但當(dāng)磁敏感軸向的磁場(chǎng)分量較小時(shí),此時(shí)全橋輸出U不存在干擾問(wèn)題。因此,提出了雙軸定向、單軸獨(dú)立測(cè)量磁場(chǎng)的方法。定向軸1、2分別輸出2個(gè)全橋測(cè)量信號(hào)U1、U2。當(dāng)兩定向軸上磁感應(yīng)強(qiáng)度分量為零時(shí),β、θ均為90o,半橋輸出V+、V-大小相等,此時(shí)全橋輸出U1、U2均為零,獨(dú)立測(cè)量軸測(cè)量總磁感應(yīng)強(qiáng)度,有cosΨ=1。測(cè)量空間內(nèi)任意未知磁場(chǎng)時(shí),根據(jù)兩定向軸的磁場(chǎng)測(cè)量值,在磁場(chǎng)中調(diào)整TMR測(cè)量探頭的位置,使得定向軸上輸出為零[10]。

單軸獨(dú)立測(cè)量總磁感應(yīng)強(qiáng)度B,即磁感線與獨(dú)立測(cè)量軸的磁敏感軸平行,全橋輸出為U,根據(jù)TMR效應(yīng)有

U=f(B)=a0+a1B

(5)

式中，f(B)為校正函數(shù)，a0為零位輸出,a1為傳感器探頭的靈敏度。

3 測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由TMR磁傳感器、恒壓源、ADS1256數(shù)模轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)TMR磁傳感器作為測(cè)量探頭,其輸出3個(gè)相互垂直方向上的測(cè)量電信號(hào),經(jīng)濾波處理后進(jìn)入ASD1256數(shù)模轉(zhuǎn)換器,完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；STM32微控處理器對(duì)ADS1256輸出信號(hào)進(jìn)行算法修正及計(jì)算,然后將通過(guò)RS232串口,將實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果發(fā)送到主機(jī),以便進(jìn)行后續(xù)處理。

圖4 總體結(jié)構(gòu)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(huán)境溫度等外界條件對(duì)測(cè)量的影響,但是測(cè)量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號(hào)中,還是包含多種噪聲及工頻干擾信號(hào),從而影響測(cè)量精度。為了提高測(cè)量系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性,設(shè)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(cè)電信號(hào)意外的干擾噪聲和工頻干擾信號(hào),從而提高測(cè)量系統(tǒng)的各項(xiàng)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(shè)計(jì)要求,采用適用于科學(xué)儀器的Σ-Δ型24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1256。該轉(zhuǎn)換器由模擬多路開(kāi)關(guān)(MUX)、可編程增益放大器(PGA)、四階Σ-Δ調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、串行外部接口SPI等部分組成。ADS1256數(shù)據(jù)輸出速率最高可達(dá)30 kS/s、無(wú)噪聲精度最高可達(dá)23位、非線性特性低至0.0010%,能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度數(shù)據(jù)采集。ADS1256提供9路模擬輸入端,通過(guò)模擬多路開(kāi)關(guān)可將其配置為4路差動(dòng)輸入。TMR測(cè)量探頭的 3路差分輸出電信號(hào),依次接入將輸入端AIN0～AIN5,AINCOM端空置[11]。

4 算法修正與校正實(shí)驗(yàn)

4.1 算法修正

為了減少系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響,對(duì)TMR測(cè)量探頭的輸出電壓進(jìn)行算法修正。與傳統(tǒng)傳感器依靠電橋、手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器進(jìn)行修正不同,算法修正具有操作簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)量之前,首先將探頭放置在零磁場(chǎng)的調(diào)零腔中,同時(shí)測(cè)得50組獨(dú)立測(cè)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(yīng)軸的零狀態(tài)修正值。測(cè)量磁場(chǎng)時(shí),在A/D轉(zhuǎn)換器的輸出電壓值上減去相應(yīng)的修正值,就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)零的目的[12]。

4.2 校正實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)

依據(jù)亥姆霍茲線圈可以產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度大小可調(diào)的均勻磁場(chǎng)這一原理,設(shè)計(jì)了校正實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)發(fā)生裝置,如圖6所示。該發(fā)生裝置由2個(gè)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(gòu)成。由亥姆霍茲線圈原理可知，當(dāng)兩線圈間距等于線圈半徑時(shí),兩線圈產(chǎn)生的總磁場(chǎng)在軸中點(diǎn)附近的較大范圍內(nèi)是均勻的,每個(gè)線圈匝數(shù)為2 000匝,線圈的內(nèi)半徑為7.5 cm；支架可將高斯計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)探頭和待校正的TMR測(cè)量探頭精確的固定在軸中點(diǎn)且保證標(biāo)準(zhǔn)探頭的Z軸以及TMR測(cè)量探頭的雙定向軸垂直于兩線圈中心軸,獨(dú)立測(cè)量軸與兩線圈中心軸向一致。

圖6 校正實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)發(fā)生裝置

利用F.W.BELL8030高斯計(jì),配合使用精度為0.25%的標(biāo)準(zhǔn)三維探頭ZOA83—3208-10-T,對(duì)±0.3 T(±300 Gs)磁場(chǎng)范圍內(nèi)的60個(gè)點(diǎn)進(jìn)行校正。進(jìn)行了5組回程實(shí)驗(yàn),測(cè)定該系統(tǒng)的回程誤差δ=0.20%,重復(fù)性E=0.07%。

圖7為數(shù)據(jù)處理結(jié)果及校正函數(shù)曲線,對(duì)5組回程實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理,計(jì)算出60個(gè)校正點(diǎn)中每個(gè)校正點(diǎn)在回程實(shí)驗(yàn)的2個(gè)過(guò)程中輸出電壓的2個(gè)平均值UBU、UBD。利用曲線擬合方法確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B與輸出電壓U之間的關(guān)系函數(shù)如公式6所示,相關(guān)系數(shù)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(shù)據(jù)處理結(jié)果及校正函數(shù)曲線

5 測(cè)量實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

設(shè)計(jì)制作了長(zhǎng)度L為1 000 mm、直徑D為145.6 mm、線圈匝數(shù)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(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m。通電螺線管中心軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)的計(jì)算公式[13]為

(7)

當(dāng)螺線管中通入的電流I在-10 A～10 A范圍內(nèi)變化時(shí),應(yīng)用該系統(tǒng)測(cè)量螺線管中心軸線處的磁感應(yīng)強(qiáng)度并與計(jì)算值的對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(dú)立測(cè)量軸輸出電壓,并依據(jù)公式(6),可得通電螺線管中心軸線處磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量值。

6 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)本文提出的采用兩軸定向、單軸獨(dú)立測(cè)量的磁場(chǎng)測(cè)量方法搭建的測(cè)量系統(tǒng),在±0.3T(±300 Gs)范圍內(nèi)分辨率可達(dá)1×10-6T(0.01 Gs),精確度高于0.3%,最大相對(duì)誤差為-4.3%,可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量磁場(chǎng)的目的。不僅解決了多個(gè)磁敏感軸之間相互干擾的問(wèn)題,而且將獨(dú)立定向磁場(chǎng)測(cè)量方法應(yīng)用到三維空間磁場(chǎng)測(cè)量。相對(duì)于傳統(tǒng)的通過(guò)矢量合成總磁感應(yīng)強(qiáng)度,單軸獨(dú)立測(cè)量磁場(chǎng)減小了系統(tǒng)誤差。

表1 磁感應(yīng)強(qiáng)度B的測(cè)量值與計(jì)算值對(duì)比

表1(續(xù))

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(xué)基金項(xiàng)目(E2015202241)；2017年河北省級(jí)研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目(220056)

楊文榮(1969—),女,河北滄州,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)楣こ屉姶艌?chǎng)、磁性液體特性及應(yīng)用.

E-mail：wryang@hebut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.008

O4-33

A

1002-4956(2017)12-0031-05