本發(fā)明涉及磁場傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電場調(diào)控磁性的磁場傳感器噪聲斬波抑制測量方法。

背景技術(shù)：

磁場傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到磁場測量以及速度、位移、電流等參數(shù)的測量中，近年來還作為生物傳感器用于標(biāo)記分子的探測。而且在軍事上的應(yīng)用也十分廣泛，日益受到各個國家的重視，如磁引信、戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測以及航空反潛等。磁電阻傳感器相對于其他磁場傳感器具有飽和磁場低、靈敏度高、功耗低、體積小、溫度特性穩(wěn)定、工作頻帶寬等優(yōu)點，成為了磁場傳感器家族中的后起之秀。其中GMR(巨磁電阻)、TMR(隧道結(jié)磁電阻)傳感器已廣泛應(yīng)用到硬盤讀出磁頭、MRAM(磁隨機存取存儲器)中，在高密度信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。

雖然磁電阻傳感器的輸出靈敏度高，但是其輸出噪聲尤其是低頻下的1/f噪聲也很高，嚴重限制了其直流和低頻探測能力。目前對于1/f噪聲的抑制主要有磁通調(diào)制和斬波技術(shù)兩種方法。磁通調(diào)制是用某種手段(一般采用振動的微機械系統(tǒng)磁通體)將低頻磁場調(diào)制到較高頻率區(qū)域進行測量，從而達到降低1/f噪聲的目的。斬波技術(shù)主要分為正交斬波、平行斬波和磁通聚集器斬波三種。正交斬波通過在與待測磁場正交的偏置線圈中施加交變電流，使得磁傳感器的磁場響應(yīng)曲線發(fā)生變化從而在直流磁場下產(chǎn)生交流響應(yīng)；平行斬波是在平行線圈中施加交變電流，產(chǎn)生交變磁場疊加在原有直流磁場上來調(diào)制磁場；磁通聚集器斬波則是通過在聚集器外圍的線圈中施加交變電流，使磁通聚集器反復(fù)飽和來改變其磁導(dǎo)率從而達到調(diào)制磁場的目的。

然而，磁通調(diào)制方法的微機械結(jié)構(gòu)制備困難大，而且機械振動的穩(wěn)定性和振動頻率仍有待提高，調(diào)制效率也很難得到保證。而斬波技術(shù)需要在傳感器中集成線圈，制備工藝比較復(fù)雜，還會造成傳感器體積較大，而通過交變電流來產(chǎn)生額外磁場又會帶來傳感器功耗高的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種具有把處于直流或低頻區(qū)域的被測磁場調(diào)制到較高頻率區(qū)域進行測量，實現(xiàn)對傳感器低頻1/f噪聲的有效抑制，提高磁場傳感器低頻測量精度的基于電場調(diào)控磁性的磁場傳感器噪聲斬波抑制測量方法。

一種基于電場調(diào)控磁性的磁場傳感器噪聲斬波抑制測量方法，包括如下步驟：

S1.向磁場傳感器的輸入端施加交變電壓；

S2.獲取所述磁場傳感器輸出端所輸出信號中基波信號的幅值和相位；

S3.通過所述幅值和相位計算被測磁場大小。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S1中所述交變電壓滿足式(1)所示：

V＝V_E sin(2πf_Et) (1)

式(1)中，V為施加至所述磁場傳感器的輸入端的電壓，V_E為基準(zhǔn)電壓的幅值，f_E為所施加交變電壓的頻率，t為時間參數(shù)。

作為本發(fā)明的進一步改進，在所述步驟S1中，還包括向磁場傳感器的偏置電壓輸入端施加偏置電壓，調(diào)節(jié)磁場傳感器的自由層磁矩。作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S1中所述交變電壓的頻率大于所述磁場傳感器輸出端所輸出信號中1/f噪聲的拐點頻率。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S2中所述基波信號通過鎖相技術(shù)從所述磁場傳感器的輸出信號中提取。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：1、本發(fā)明通過向磁場傳感器的輸入端施加交變電壓，使得磁場傳感器的輸出信號的同樣產(chǎn)生周期性變化，從而把處于直流或低頻區(qū)域的被測磁場調(diào)制到較高頻率區(qū)域進行測量，實現(xiàn)對傳感器低頻1/f噪聲的有效抑制，具有提高磁場傳感器低頻測量精度的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施例流程示意圖。

圖2為本發(fā)明具體實施例一所采用磁場傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為磁場傳感器的磁阻變化響應(yīng)示意圖。

圖4為磁場傳感器在電場作用下M-H曲線測量圖。

圖5為本發(fā)明低頻噪聲斬波抑制原理示意圖。

圖6為本發(fā)明具體實施例磁場傳感器輸出曲線對電場的響應(yīng)測量圖。

圖7為本發(fā)明具體實施例二所采用磁場傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖例說明：1、底層金屬層；2、磁敏感層；21、鐵電層；22、磁性自由層；23、第一金屬層；3、空間層；4、釘扎層；41、鐵磁層；42、反鐵磁層；5、頂層金屬層。

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。

實施例一：

如圖1所示，本實施例一種基于電場調(diào)控磁性的磁場傳感器噪聲斬波抑制測量方法，包括如下步驟：S1.向磁場傳感器的輸入端施加交變電壓；S2.獲取磁場傳感器輸出端所輸出信號中基波信號的幅值和相位；S3.通過幅值和相位計算被測磁場大小。

圖2為本發(fā)明所采用磁場傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。磁場傳感器包括磁電阻單元，磁電阻單元從下至上依次包括底層金屬層1、磁敏感層2、空間層3、釘扎層4和頂層金屬層5；磁敏感層2包括從下至上的鐵電層21和磁性自由層22；釘扎層4包括從下至上的鐵磁層41和反鐵磁層42。本實施例中的磁場傳感器，底層金屬層1為Au，鐵電層21為PMN-PT，磁性自由層22為CoFeB，空間層3為AlO，鐵磁層為CoFeB，反鐵磁42層為IrMn，頂層金屬層5為Au。作為一種優(yōu)選方案，實施例采用鐵電PMN-PT/鐵磁CoFeB構(gòu)成多鐵異質(zhì)結(jié)作為磁性自由層，基于多鐵異質(zhì)結(jié)實現(xiàn)電場對自由層磁性的調(diào)控，然而并非用以限定本發(fā)明。

在本實施例中，交變電壓滿足式(1)所示：

V＝V_E sin(2πf_Et) (1)

式(1)中，V為施加至磁場傳感器的輸入端的電壓，V_E為基準(zhǔn)電壓的幅值，f_E為所施加交變電壓的頻率，t為時間參數(shù)。交變電壓的頻率大于磁場傳感器輸出端所輸出信號中1/f噪聲的拐點頻率。

如圖3所示為磁場傳感器中的磁敏感單元(磁敏感層2)的理想響應(yīng)曲線，在所示測量范圍內(nèi)，元件的電阻R與外加磁場H具有線性關(guān)系，該工作狀態(tài)可近似用(2)所示方程進行描述：

式(2)中，R(H)為磁敏感單元的電阻，H為被測磁場，H_s為磁性敏感單元的飽和場大小，R_L為平行態(tài)電阻，R_H為反平行態(tài)電阻。通常磁敏感單元具有磁各向異性用于滿足線性化需求，其各向異性可等效成一個有效的磁各向異性場H_K，在這種情況下，其飽和場H_s與磁各向異性具有如式(3)所示的關(guān)系：

式(3)，H_s為磁性敏感層的飽和場大小，H_K為等效磁各向異性場，K為磁性材料的各向異性常數(shù)，M_s為飽和磁化強度。把式(3)代入式(2)磁敏感單元的響應(yīng)方程，即可獲得磁敏感單元的響應(yīng)特性與有效磁各向異性常數(shù)K的關(guān)系，如式(4)所示：

式(4)中，R(H)為磁敏感單元的電阻，R_L為平行態(tài)電阻，R_H為反平行態(tài)電阻，M_s為飽和磁化強度，H為被測磁場，K為磁性材料的各向異性常數(shù)。

由此可見通過改變磁性材料的等效各向異性常數(shù)K，即可以改變磁敏感單元的響應(yīng)特性。如圖4A為磁場傳感器中磁敏感單元的結(jié)構(gòu)示意圖，包括底層金屬層1、鐵電層21和磁性自由層22，鐵電層21采用鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)晶體，磁性自由層22采用CoFeB磁性膜，圖4B為磁敏感單元的M-H曲線實測圖，在不加電場時，磁場傳感器的M-H曲線較為陡峭，當(dāng)增加外加電場時，M-H曲線翻轉(zhuǎn)斜率變得越來越小。

在本實施例中，通過向磁場傳感器的輸入端施加交變電壓V_Esin(2πf_Et)，從而使得磁場傳感器的磁彈各向異性發(fā)生變化，從而改變磁敏感單元的響應(yīng)特性。

其具體過程為：在所施加的交變電壓V_E sin(2πf_Et)的作用下，磁場傳感器的鐵電層21產(chǎn)生隨時間變化的應(yīng)變S，根據(jù)材料的壓電特性，可知應(yīng)變S的大小與所施加電壓具有如式(5)所示的關(guān)系：

式(5)中，S為鐵電層21產(chǎn)生的應(yīng)變的大小，d_eff為鐵電層21的有效壓電系數(shù)，E為所施加交變電壓產(chǎn)生的電場強度，h為鐵電層21的厚度，V_Esin(2πf_Et)為所施加的交變電壓，V_E為基準(zhǔn)電壓的幅值，f_E為所施加交變電壓的頻率。

磁性自由層22受界面處鐵電層21的應(yīng)變S的影響產(chǎn)生隨時間變化的應(yīng)力σ，如式(6)所示：

式(6)中，Y為磁性自由層22鐵磁材料的楊氏模量，S為鐵電層21產(chǎn)生的應(yīng)變的大小，其它參數(shù)的定義與式(5)中相同。

該應(yīng)力通過反磁致伸縮效應(yīng)，將改變磁性自由層22的磁彈各向異性E_σ，如式(7)所示：

式(7)中，E_σ為磁性自由層22的磁彈各向異性，λ為磁性自由層22的磁致伸縮系數(shù)，θ為磁性自由層22的鐵電應(yīng)力軸方向與磁性自由層22的磁矩方向之間的夾角。

即可獲得磁性自由層22受應(yīng)力的影響所具有的應(yīng)力各向異性常數(shù)K_σ，如式(8)所示：

式(8)中，K(E)為磁性自由層22所具有的等效各向異性，K₀為磁性自由層22在沒有施加電場情況下本身具有的各向異性，λ為磁性自由層22的磁致伸縮系數(shù)，Y為磁性自由層22鐵磁材料的楊氏模量，d_eff為鐵電層21的有效壓電系數(shù)，h為鐵電層21的厚度，V_Esin(2πf_Et)為所施加的交變電壓，V_E為基準(zhǔn)電壓的幅值，f_E為所施加交變電壓的頻率。

考慮到磁性自由層22在沒有施加電場情況下，本身具有的各向異性K₀，此時磁性自由層22的所具有的等效各向異性K(E)如式(9)所示：

式(9)中，各參數(shù)的定義與式(8)中的各參數(shù)的定義相同。

將式(9)代入到式(4)中，即可獲得磁場傳感器的響應(yīng)特性受到電場調(diào)控的影響如式(10)所示，

式(10)中，各參數(shù)的定義與式(4)和式(9)中各參數(shù)的定義相同。

在本實施例中，向磁場傳感器的鐵電層21施加如圖5(B)中上圖所示的交變電壓，使得磁場傳感器的鐵電層21產(chǎn)生隨時間變化的電場應(yīng)力，磁性自由層22受到該電場應(yīng)力作用，其磁各向異性發(fā)生周期性的變化，響應(yīng)曲線也相就發(fā)生變化，如圖5(A)所示，導(dǎo)致磁敏感單元2的輸出信號也發(fā)生周期性變化，如圖5(B)下圖所示，其輸出幅值與低頻磁場具有確定的對應(yīng)關(guān)系，且相位大小與外加磁場的正負相關(guān)。通過鎖相技術(shù)提取輸出信號中的基波，獲取基波的幅值和相位信息，從而獲得所對應(yīng)被測量磁場的大小。實現(xiàn)將直流和低頻磁場通過電場的作用調(diào)制到較高頻率區(qū)域進行精確測量，如圖5(C)所示，以達到抑制磁傳感器1/f噪聲的目的，提高磁傳感器低頻測量精度。

在實際應(yīng)用中，受材料缺陷、器件設(shè)計和傳感器制備等因素的影響，磁敏感單元的響應(yīng)曲線將會有一定程度的偏離理想情況，表現(xiàn)出曲線有一定程度的彎曲和回滯。本實施例所采用磁場傳感器的響應(yīng)曲線如圖6所示，圖6顯示在電場的作用下，磁場傳感器的響應(yīng)曲線斜率隨著外加電場的增加而變得傾斜，符合電場對理想情況下響應(yīng)曲線作用的理論描述。

具體實施例二：

本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于所采用的磁場傳感器為半橋結(jié)構(gòu)，如圖7所示，從底層金屬層1引出磁場傳感器的輸入端，從共同的第一金屬層23引出磁場傳感器的輸出端，從其中一個磁電阻單元的頂層金屬層引出偏置電壓輸入端，從另一個磁電阻單元的頂層金屬層引出接地端。如圖7所示。因此，本實施例的基于電場調(diào)控磁性的磁場傳感器噪聲斬波抑制測量方法的步驟S1中，還包括向磁場傳感器的偏置電壓輸入端施加偏置電壓，調(diào)節(jié)磁場傳感器的自由層磁矩。通過施加偏置電壓對磁場傳感器的自由層磁矩進行調(diào)控，從而調(diào)節(jié)磁場傳感器的量程。

在理想情況下，由于磁電阻傳感器的兩個磁電阻單元所構(gòu)成的橋臂電阻相同R₁＝R₂，并且對被測磁場H的響應(yīng)曲線正好相反，給電橋施加一個偏壓V_bias，則半橋輸出V_out(H,t)的電壓如式(11)所示：

式(11)中，V_out(H,t)為半橋輸出電壓，R₁(H,t)為磁電阻傳感器為半橋結(jié)構(gòu)中一個橋臂的響應(yīng)特性，R₂(H,t)為磁電阻傳感器為半橋結(jié)構(gòu)中另一個橋臂的響應(yīng)特性，V_bias為所施加的偏壓，R_L為平行態(tài)電阻，R_H為反平行態(tài)電阻，λ為磁性自由層22的磁致伸縮系數(shù)，Y為磁性自由層22鐵磁材料的楊氏模量，d_eff為鐵電層21的有效壓電系數(shù)，h為鐵電層21的厚度，V_Esin(2πf_Et)為所施加的交變電壓，V_E為基準(zhǔn)電壓，f_E為所施加交變電壓的頻率，M_s為飽和磁化強度，K₀為磁性自由層22在沒有施加電場情況下本身具有的各向異性，H為被測磁場。

由于式(11)是關(guān)于時間t的周期函數(shù)，進行傅里葉級數(shù)展開，得到式(12)：

式(12)中，V_out(H,t)為半橋輸出電壓，C₀為半橋輸出電壓中的直流分量，C_n為半橋輸出電壓中n次諧波分量的幅值，為n次諧波分量的相位，f_E為交變電壓的頻率。

在本實施例中，通過鎖相技術(shù)獲得與驅(qū)動電壓(交變電壓)相對應(yīng)的基波(一次諧波)分量的幅值C₁，由于基波分量幅值C₁與被測磁場H成線性關(guān)系，C₁∝AH。相位反應(yīng)磁場的正負方向，表示磁場沿著測量軸正方向；表示磁場沿著測量軸負方向。使用前通過標(biāo)準(zhǔn)磁場對傳感器系數(shù)進行標(biāo)定，即可用作線性磁傳感器。當(dāng)被測磁場處于直流或低頻區(qū)域時，因調(diào)控電壓采用交變電壓，優(yōu)選頻率大于所用磁場傳感器所輸出信號中1/f噪聲的拐點頻率的交變電壓，因此基于電場調(diào)控磁性及本發(fā)明方法，可把被測磁場調(diào)制到較高頻率區(qū)域進行測量，從而實現(xiàn)對傳感器低頻1/f噪聲的有效抑制。

本發(fā)明通過向磁場傳感器的輸入端施加交變電壓，使得磁場傳感器的輸出信號的同樣產(chǎn)生周期性變化，從而把處于直流或低頻區(qū)域的被測磁場調(diào)制到較高頻率區(qū)域進行測量，實現(xiàn)對傳感器低頻1/f噪聲的有效抑制，具有提高磁場傳感器低頻測量精度的優(yōu)點。

上述只是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應(yīng)落在本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。