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CN106556810B - 基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法 - Google Patents

基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法 Download PDF

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CN106556810B CN201611025137.8A CN201611025137A CN106556810B CN 106556810 B CN106556810 B CN 106556810B CN 201611025137 A CN201611025137 A CN 201611025137A CN 106556810 B CN106556810 B CN 106556810B
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王善祥
赵根
王中旭
曾嵘
庄池杰
张波
余占清
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Tsinghua University
Sichuan Energy Internet Research Institute EIRI Tsinghua University
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Abstract

本发明涉及静态特征优化技术领域，公开了一种基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法。具体包括以下步骤：步骤1、将易轴偏置场设置为恒定值，设置难轴偏置场的取值获取传感曲线；步骤2、选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，将传感曲线经过目标函数优化，获取灵敏度k、偏置b和绝对误差Err；步骤3、选取不同的磁场测量范围的最大值hFM，重复步骤2；步骤4、选取不同的难轴偏置场的取值，重复步骤1‑3，获取在同一个二维坐标A的N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线；步骤5、根据所述二维坐标获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场下使得绝对误差最小的难轴偏置场相应值。通过调节难轴偏置场，获得更大的线性区域。

Description

基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法
技术领域
本发明涉及静态特征优化技术领域，特别是一种基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法。
背景技术
隧穿磁阻芯片研制过程中，测量精度对芯片的影响非常重要。静态线性特性是隧穿磁阻芯片在线性测量中的重要特性之一，所以需要通过调制内部偏置场来降低非线性误差，来提高测量精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法。
本发明采用的技术方案如下：一种基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将易轴偏置场设置为恒定值，设置难轴偏置场的取值，根据传感器的输出函数在二维坐标上得到磁阻变化率与归一化磁场关系的传感曲线；
步骤2、选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，将传感曲线经过目标函数优化，其中，f(hF)为电桥芯片的输出函数，hF为外界磁场，hFM为磁场测量范围的最大值，k，b为芯片的灵敏度和偏置，获取灵敏度k、偏置b和绝对误差Err；
步骤3、选取不同的磁场测量范围的最大值hFM，重复步骤2，获取当前易轴偏置场和难轴偏置场取值下的绝对误差Err、灵敏度k、偏置b与磁场测量范围的关系曲线；
步骤4、选取N-1个不同的难轴偏置场的取值，所述N为大于2的自然数，重复步骤1-3，获取N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线，所述N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标A中，每条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线对应不同的难轴偏置场的取值；
步骤5、根据所述二维坐标A获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场下使得绝对误差最小的难轴偏置场相应值。
进一步的，所述步骤1中易轴偏置场设置为零或者通过增加永磁层设置为非零的恒定值。
进一步的所述步骤1中输出函数为：
其中VSP，VSN，VOP，VON分别为电桥芯片的正负电源和正负输出；R1和R2分别表示第一隧穿磁阻电阻和第二隧穿磁阻；Δmax为最大磁电阻变化率；为第一隧穿磁阻的自由层磁化方向，为第二隧穿磁阻的自由层磁化方向。
进一步的，所述步骤2的具体过程为：
步骤21、选取特定的测量范围的磁场最大值hFM，截取磁场测量范围为-hFM～hFM间的传感曲线；
步骤22、利用两条平行直线包络住截取后的传感曲线，并使得两条平行直线之间的距离最小；
步骤23、所述两条平行直线中间的平行直线为优化后的目标直线，该目标直线的斜率以及与纵坐标的交点分别为灵敏度k和偏置b；
步骤24、获取包络直线与目标直线在纵坐标交点的距离即为绝对误差Err，或将所述灵敏度k和偏置b的值代入目标函数获取得到特定的测量范围的磁场最大值hFM下的绝对误差Err。
进一步的，根据非线性误差FS％＝Err/|kXFM|，获取N条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线，所述N条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标B中，每条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线对应不同的难轴偏置场的取值；根据二维坐标B获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场下使得非线性误差最小的难轴偏置场相应值。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：对传感曲线进行优化，通过调整难轴方向偏置，降低隧穿磁阻传感器的非线性误差，获得更大的线性区域。
附图说明
图1为采用的电桥模型的结构示意图。
图2为自由层偏置场为(0,0.5)时的传感曲线仿真图。
图3为易轴偏置场为1时，不同难轴偏置场情况下非线性误差与磁场测量范围的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1-3所示，一种基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将易轴偏置场设置为恒定值，设置难轴偏置场的取值，根据传感器的输出函数在二维坐标上得到磁阻变化率与归一化磁场关系的传感曲线；
步骤2、选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，将传感曲线经过目标函数优化，其中，f(hF)为电桥芯片的输出函数，hF为外界磁场，hFM为测量范围的磁场最大值，k，b为芯片的灵敏度和偏置，获取灵敏度k、偏置b和绝对误差Err；
步骤3、选取不同的磁场测量范围的最大值hFM，重复步骤2，获取当前易轴偏置场和难轴偏置场取值下的绝对误差Err、灵敏度k、偏置b与磁场测量范围的关系曲线；
步骤4、选取N-1个不同的难轴偏置场的取值，所述N为大于2的自然数，重复步骤1-3，获取N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线，所述N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标A中，具有N个不同的难轴偏置场的取值；
步骤5、根据所述二维坐标A获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场下使得绝对误差最小的难轴偏置场相应值。
输出模型的建立过程如下：
如图1所示为采用的电桥模型，建立数学模型为:
其中hBF表示自由层的内部偏置场归一值，hF表示外界磁场在各层的归一值，为第一隧穿磁阻的自由层磁化方向，为第二隧穿磁组的自由层磁化方向；θBF为自由层的内部偏置磁场方向，θ为外界磁场方向，隧穿磁阻电阻与自由层、参考层磁化方向的关系为 其中R1和R2分别表示第一隧穿磁阻电阻和第二隧穿磁阻，Δmax为最大磁电阻变化率，Ravg为平均电阻，建立输出函数为其中VSP，VSN，VOP，VON分别为电桥芯片的正负电源和正负输出。
所述步骤1中易轴偏置场设置为零或者通过增加永磁层设置为非零的恒定值。
易轴偏置场恒定设置为1的实施列：以难轴偏置场的取值为0.5为例，根据输出函数，在二维坐标上得到磁阻变化率与归一化磁场关系的传感曲线，如图2中的实线曲线；
进行步骤2的过程：选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，截取磁场测量范围为-hFM～hFM间的传感曲线，本实施列中hFM取2，传感曲线如图2中的实线；利用两条平行直线包络住截取后的传感曲线，并使得两条平行直线中间的距离最小，所述两条平行直线如图中两侧的两条虚线；所述两条平行直线之间的平行直线为优化后的目标直线，该目标直线的斜率和与纵坐标的交点分别为灵敏度k和偏置b；获取包络直线与目标直线在纵坐标交点的距离即为绝对误差Err，或将所述灵敏度k和偏置b的值代入目标函数获取得到特定的磁场测量范围的最大值hFM为2下的绝对误差Err。
选取不同的磁场测量范围的最大值hFM，此时难轴偏置为0.5，易轴偏置为1时，重复步骤2，获取当前易轴偏置场为1和难轴偏置场为0.5取值下的绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线；
选取不同的难轴偏置场的取值，包括0,1,1.5，重复步骤1-3，获取4条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线，所述4条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标A中；此时易轴偏置场均为1，每条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线分别对应不同的难轴偏置场取值，包括0,0.5，1，1.5；根据所述二维坐标A获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场下使得绝对误差最小的难轴偏置场相应值。
根据非线性误差FS％＝Err/|kXFM|，获取4条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线，所述4条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标B中，如图3所示，具有4个不同的难轴偏置场的取值；此时，易轴偏置场均为1，4条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线分别对应4个不同的难轴偏置场取值，包括0,0.5，1，1.5，分别对应的曲线如图3中的曲线1、曲线2、曲线3和曲线4。
根据二维坐标B获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场下使得非线性误差最小的难轴偏置场相应值。从二维坐标B可以查找任何一个磁场测量范围对应最小绝对误差时的难轴偏置场取值。
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。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将易轴偏置场设置为恒定值，设置难轴偏置场的取值，根据传感器的输出函数在二维坐标上得到磁阻变化率与归一化磁场关系的传感曲线；
步骤2、选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，将传感曲线经过目标函数优化，其中，f(hF)为电桥芯片的输出函数，hF为外界磁场，hFM为磁场测量范围的最大值，k，b为芯片的灵敏度和偏置，获取灵敏度k、偏置b和绝对误差Err；
优化的具体过程为：
步骤21、选取特定的磁场测量范围的最大值hFM，截取磁场测量范围为-hFM～hFM间的传感曲线；
步骤22、利用两条平行直线包络住截取后的传感曲线，并使得两条平行直线之间的距离最小；
步骤23、所述两条平行直线中间的平行直线为优化后的目标直线，该目标直线的斜率以及与纵坐标的交点分别为灵敏度k和偏置b；
步骤24、获取包络直线与目标直线在纵坐标交点的距离即为绝对误差Err，或将所述灵敏度k和偏置b的值代入目标函数获取得到特定的磁场测量范围的最大值hFM下的绝对误差Err；
步骤3、选取不同的磁场测量范围的最大值hFM，重复步骤2，获取当前易轴偏置场和难轴偏置场取值下的绝对误差Err、灵敏度k、偏置b与磁场测量范围的关系曲线；
步骤4、选取N-1个不同的难轴偏置场的取值，所述N为大于2的自然数，重复步骤1-3，获取N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线，所述N条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标A中，每条绝对误差Err与磁场测量范围的关系曲线对应不同的难轴偏置场的取值；
步骤5、根据所述二维坐标A获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场下使得绝对误差最小的难轴偏置场相应值。
2.如权利要求1的基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法，其特征在于，所述步骤1中易轴偏置场设置为零或者通过增加永磁层设置为非零的恒定值。
3.如权利要求1所述的基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法，其特征在于，所述步骤1中输出函数为：
其中VSP，VSN，VOP，VON分别为电桥芯片的正负电源和正负输出；R1和R2分别表示第一隧穿磁阻电阻和第二隧穿磁阻；Δmax为最大磁电阻变化率；为第一隧穿磁阻的自由层磁化方向，为第二隧穿磁阻的自由层磁化方向。
4.如权利要求1的基于内部偏置场难轴方向的磁阻静态特性优化方法，其特征在于，还包括以下过程：根据非线性误差FS％＝Err/|kXFM|，获取N条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线，所述N条非线性误差与磁场测量范围的关系曲线在同一个二维坐标B中，具有N个不同的难轴偏置场的取值；根据二维坐标B获取特定磁场测量范围和特定的易轴偏置场下使得非线性误差最小的难轴偏置场相应值。
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