CN102841324A - 一种各向异性磁阻器件的电路结构 - Google Patents

一种各向异性磁阻器件的电路结构 Download PDF

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张卫
王鹏飞
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本发明属于磁场探测技术领域，具体涉及一种各向异性磁阻器件的电路结构。本发明用特定的电路结构来制造各向异性磁阻器件，使得各向异性磁阻器件的整体体积减小并且使所测磁场集中在较小的区域内，从而使各向异性磁阻器件能够更加灵活地运用于其他器件中，以达到器件小型化、集约化的目的。

Description

一种各向异性磁阻器件的电路结构
技术领域
本发明属于磁场探测技术领域，具体涉及一种各向异性磁阻器件的电路结构，。
背景技术
各向异性磁阻（Anisotropy of magnetoresistance，AMR）效应是由W.Thomson于1857年在铁磁金属Fe、Ni中发现的。各向异性磁阻器件的电阻大小依赖于铁磁材料的磁化方向与通过材料的电流方向的夹角θ，电阻的变化大致是正比于夹角θ的余弦值的平方值，设置初态时的铁磁材料的磁化方向与通过材料的电流方向的夹角为45度，然后垂直于铁磁材料的磁化方向加外磁场，那么铁磁材料的磁化方向就会发生变化，其与通过材料的电流方向的夹角也会发生变化，我们设铁磁材料磁化方向偏离45角的角度为φ，材料的电阻变化与偏离角度φ是成比较好的线性关系，在外磁场较小的情况下，偏离角度φ又是外磁场与铁磁材料原有磁化强度的比值，所以外磁场的大小与电阻变化成线性关系了。
为了使各向异性磁阻器件能够探测空间中较小的磁场,我们需要将整个器件制作成磁化方向在初态时与电流方向夹角固定在45度，这就要用到特殊的结构，一种是称为“理发师的招牌” （Barber pole）模式的结构, 另一种是称为“人字形” （Herringbone）模式的结构。但是，Barber pole结构和Herringbone结构都是用惠斯通电桥电路结构来测某单一方向的磁场值，如果需要测量多个方向的磁场值,则需要多个惠斯通电桥电路结构,这样整个器件的体积比较大，不利于设备向小型化、集约化的方向发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种各向异性磁阻器件的电路结构安排，使得Barber pole结构和Herringbone结构的电桥电路结构在能够测量不同方向的磁场值的同时，还可以减小整个器件的体积,以利于设备向小型化、集约化的方向发展。
本发明所述的一种各向异性磁阻器件的电路结构，其具体包括：
由串联在一起的第一各向异性磁阻和第二各向异性磁阻构成的第一各向异性磁阻模块；
由串联在一起的第三各向异性磁阻和第四各向异性磁阻构成的第二各向异性磁阻模块；
所述第一各向异性磁阻、第二各向异性磁阻、第三各向异性磁阻和第四各向异性磁阻构成惠斯通电桥电路结构；
在所述惠斯通电桥电路结构周围形成有导电线圈；
所述第一各向异性磁阻模块与所述第二各向异性磁阻模块是垂直的，且所述第一各向异性磁阻模块所测磁场的方向垂直于第二各向异性磁阻模块所测磁场的方向。
如上所述的各向异性磁阻器件的电路结构，通过控制所述导电线圈中的电流方向来控制所述第一各向异性磁阻、第二各向异性磁阻、第三各向异性磁阻和第四各向异性磁阻的阻值的增或者减。
本发明用特定的电路结构来制造各向异性磁阻器件，使得各向异性磁阻器件的整体体积减小并且使所测磁场集中在较小的区域内，从而使各向异性磁阻器件能够更加灵活地运用于其他器件中，以达到器件小型化、集约化的目的。
附图说明
图1为本发明所提出的Barber pole结构的电路结构的俯视图示意图。
图2为本发明所提出的Herringbone结构的电路结构的俯视图示意图。
图3为图1和图2所示电路结构的简化图。
图4、图5为电阻变化后的图3所示电路结构的简化图。
具体实施方式
图1为本发明所提出的Barber pole结构的电路结构的俯视图示意图,其中：一条条分隔且相互平行的金属条302（示例性标出）淀积在铁磁性材料301（示例性标出）上面，并且使得每条金属条302与铁磁材料301的边沿成45度角，由于电流会沿着最短的距离传输，所以电流会在每对金属条中以垂直于金属条边沿的方向从一端到另一端，而这样就保证了电流的方向是与铁磁材料的磁化方向成45度角了。同时，铁磁材料301由金属条303连接。我们还需要在整个器件的下面放置金属线圈300，金属线圈300是用来通电流产生磁场来保持铁磁材料的磁化方向的。
图2为本发明所提出的Herringbone结构的电路结构的俯视图示意图，如图2所示：整个器件是由相互平行的多条铁磁薄膜条401（示例性标出）拼装而成的，而铁磁薄膜条401是由金属条402（示例性标出）来连接的，铁磁薄膜条401与金属条302之间所成的夹角为45度角。在这种模式中，我们需要加入外置的磁场发生器，使得它们能够在测量外部磁场之前通过一个电流脉冲产生平行于金属条的磁场，从而使得整个器件的铁磁薄膜的磁化方向都沿着金属条的方向，然后再在铁磁薄膜的两端施加电压使得电流沿着铁磁材料的蛇形结构流动，这样就可以使得电流的方向与磁化方向成45度角了。
在传统的各向异性磁阻器件中，在图1和图2所示的电路结构中，各向异性磁阻模块1(3)与各向异性磁阻模块2(4)是平行的，使得各向异性磁阻模块1(3)与各向异性磁阻模块2(4)结合起来测量某一个方向的磁场值。本发明是使各向异性磁阻模块1(3)与各向异性磁阻模块2(4)垂直的，这样如图1和图2，各向异性磁阻模块1(3)测得是x方向的磁场，而各向异性磁阻模块2(4)测得是y方向的磁场。
图3为图1和图2所示的电路结构的简化图，各向异性磁阻模块1(3)由各向异性磁阻1a和各向异性磁阻1b串联构成,各向异性磁阻模块2(4)由各向异性磁阻2a和各向异性磁阻2b串联构成,各向异性磁阻1a、各向异性磁阻1b、各向异性磁阻2a和各向异性磁阻2b构成惠斯通电桥电路结构。我们定义：U=输入电压(+) – 输入电压 (-) 以及 V= V输出电压(+) – 输出电压 (-) ，其中：U是外加的输入电压，而V是探测的输出电压。
在未受外磁场作用时，每个磁阻的初始阻值为R。我们通过在磁阻周围外置导线（图中未示出），然后通过控制外置导线中的电流方向的正反来控制铁磁材料磁化方向的正反，从而决定了磁阻是增加还是减少了ΔR ，由此我们得到了图4和图5的两种情况，所述两种情况的输出电压公式分别为：
(a) V=U(ΔR1-ΔR2)/(2R)
(b) V=U(-ΔR1-ΔR2)/(2R)
通过(a)与(b)两个公式，我们即可求得ΔR1和ΔR2。而我们知道电阻变化与外加磁场值是呈线性关系的，从而可以得到x与y方向的外磁场值。
这样，我们就可以只用一个电桥电路结构来测量两个方向的外磁场值，传统技术中一般需要两个电桥电路结构才可以测量两个方向的外磁场值，由此我们可以减少整个器件的体积，以利于器件向小型化、集约化的方向发展。
如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims (2)

1. 一种各向异性磁阻器件的电路结构，其特征在于，包括：
由串联在一起的第一各向异性磁阻和第二各向异性磁阻构成的第一各向异性磁阻模块；
由串联在一起的第三各向异性磁阻和第四各向异性磁阻构成的第二各向异性磁阻模块；
所述第一各向异性磁阻、第二各向异性磁阻、第三各向异性磁阻和第四各向异性磁阻构成惠斯通电桥电路结构；
在所述惠斯通电桥电路结构周围形成有导电线圈；
所述第一各向异性磁阻模块与所述第二各向异性磁阻模块是垂直的，且所述第一各向异性磁阻模块所测磁场的方向垂直于第二各向异性磁阻模块所测磁场的方向。
2. 如权利要求1所述的各向异性磁阻器件的电路结构，其特征在于，通过控制所述导电线圈中的电流方向来控制所述第一各向异性磁阻、第二各向异性磁阻、第三各向异性磁阻和第四各向异性磁阻的阻值的增或者减。
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