專利名稱：一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭。
背景技術：
在鈔票磁性防偽領域，現在市場上主要使用音頻磁頭技術、磁阻磁頭技術和巨磁電阻效應技術；在票據防偽領域，主要為音頻磁頭技術。音頻磁頭技術:該技術使用坡莫合金等軟磁材料，制作成具有一個縫隙的環狀結構，環狀結構上纏繞線圈。當該環狀結構的氣隙快速通過磁性圖形的表面時，基于法拉第電磁感應定律，線圈內部產生感應電流。通過檢測感應電流的變化得到磁性圖形表面磁場的變化。該技術的主要缺點在于:1.適應于檢測硬磁材料的表面漏磁場，當檢測軟磁材料時需要加外部激勵磁場，但是該外部激勵磁場很大程度上影響了該磁頭的靈敏度；2.制作多路磁頭的情況下，每一路磁頭的靈敏度的一致性非常難以保證，降低了生產的成品率，增加了產品的生產成本；3.該磁頭具有很低的抗外界磁場干擾的能力，就要求在復雜的工作環境下對各種干擾源進行必要的屏蔽處理，一方面增加了后續應用產品的成本，另一方面也增加了后續應用產品的設計難度；4.信號的輸出幅值和磁頭相對于被檢測磁性圖形的相對速度相關，對于信號的定量分析增加了難度；5.在一些磁場的確存在，但是空間上的差異不大的情況下，磁頭的實際輸出很小，可能產生磁性信息的漏檢。磁阻磁頭技術:該技術使用InSb等磁阻材料，使用兩個磁阻電阻組成一個惠斯通半橋，兩個磁阻在平面內具有空間上的位置差異，通過檢測兩個磁阻上磁場的不同來檢測磁性圖形表面的磁場梯度。該技術存在的一些缺點:1.該技術必需在兀件的垂直方向上加一個偏置磁場，磁阻元件才能工作，同時，由于需要垂直磁化軟磁圖形，所需要的磁場一般比較大，該磁場的產生需要 很強磁性的永磁鐵產生以降低磁性的衰減，但是磁性衰減的必然性導致磁阻的靈敏度可能變化，也就是說隨著時間的增加，磁頭的靈敏度會發生變化。2.磁阻元件的靈敏度比較低，一般在0.2 mV/V/Gs -1 mV/V/G的范圍，這就要求在測量弱磁場的情況下(鈔票上的軟磁性信息的磁場強度一般都比較低)，后續信號處理電路的放大倍數很高。3.磁阻元件的噪聲較大，在檢測弱磁場信號時，需要較為復雜的鎖頻放大技術，可以檢測的磁場信號的頻率受到一定限制。4.由于是采用了半橋結構，對于電源波動以及外部耦合信號的抗干擾能力有限，就要求在復雜的工作環境下對各種干擾源進行必要的屏蔽處理，一方面增加了后續應用產品的成本，另一方面也增加了后續應用產品的設計難度。5.在多路磁頭的設計中，較難保證各路磁頭的靈敏度的一致性，降低了生產的成品率，增加了產品的生產成本。6.由于采用了梯度計的設計，只能識別磁場的垂直分量的空間梯度，不能直觀測量磁場的實際分布，在一些磁場的確存在，但是空間上的差異不大的情況下，磁頭的實際輸出很小，可能產生磁性信息的漏檢。巨磁阻效應(GMR)技術:該技術可以采用薄膜工藝制備，靈敏度方向在薄膜面內。基于該技術的磁頭的實現主要有兩種方式:一種是在基板上制備兩個GMR電阻，這兩個GMR電阻的靈敏度方向可以是一致的，也可以是反向的，把這兩個GMR電阻連接成惠斯通半橋的形式。兩個GMR電阻放置的平面是和待檢測的磁性圖形所在平面平行的，同時，兩個GMR電阻放置的相對位置可以是和驗證磁性圖形行進的方向平行，也可以是和磁性圖形行進的方向垂直。這兩種方式都是檢測磁性圖形表面漏磁的面內分量在面內兩個GMR電阻排列方向上的梯度值。該技術的優點是，由于采用了薄膜工藝，產品的生產一致性比較容易保證。該技術的缺點是:1.由于采用了梯度檢測的方式，不能直接測量磁場的實際分布，在一些磁場的確存在，但是空間上的差異不大的情況下，磁頭的實際輸出很小，可能產生磁性信息的漏檢；2.由于是采用了半橋結構，對于電源波動以及外部耦合信號的抗干擾能力有限，就要求在復雜的工作環境下對各種干擾源進行必要的屏蔽處理，一方面增加了后續應用產品的成本，另一方面也增加了后續應用產品的設計難度。
發明內容
本發明目的是針對現有技術存在的缺陷提供可以對磁場垂直分量的實際大小進行精確測量的基于磁電阻技術檢測軟磁圖形的磁頭，其為磁性圖形表面漏磁的定量分析提供了可能性。本發明為實現上述目的，采用如下技術方案:一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，包括支架和設置于支架上的PCB板，還包括水平勵磁結構，其用于產生一個平行于磁頭表面的磁場；和基于磁電阻MR兀件的磁場檢測部件，其用于檢測磁性圖形表面漏磁場的垂直分量的分布情況。進一步的，所述水平勵磁結構為前后兩塊水平磁化的永磁體沿著磁化方向放置在所述磁場檢測部件的前后位置。進一步的，所述水平勵磁結構為前后兩塊垂直磁化的永磁體沿著磁化方向的垂直方向反向放置在所述磁場檢測部件的前后的對稱位置。
進一步的，所述水平勵磁結構為一塊水平磁化的永磁體放置在所述磁場檢測部件的前端/后端，另一塊軟磁材料塊體放置在所述磁場檢測部件的后端/前端位置。進一步的，所述磁場檢測部件為由多個磁電阻MR元件組成的惠斯通橋式結構。進一步的，所述惠斯通橋式結構為惠斯通全橋結構或惠斯通半橋結構。進一步的，所述惠斯通橋式結構為惠斯通全橋結構時，其中的兩個磁電阻MR元件靠近磁頭的表面，另外兩個磁電阻MR元件遠離磁頭的表面；所述惠斯通橋式結構為惠斯通半橋結構時，其中的一個磁電阻MR元件靠近磁頭的表面，另外一個磁電阻MR元件遠離磁頭的表面。進一步的，所述磁電阻MR元件的敏感方向一致垂直于磁頭的表面。進一步的，所述磁電阻MR元件至少為各向異性磁電阻AMR元件或巨磁阻GMR元件或隧穿磁電阻TMR元件中的一種。本發明的有益效果:(I)本發明采用磁電阻技術，具有極高的磁場靈敏度，使得后續信號處理電路相對簡單。采用水平勵磁方式，可以直接在檢測的位置加上勵磁磁場，由于磁性圖形在宏觀上為薄片狀，其磁性易磁化軸在水平方向，所需要的勵磁磁場較小，因此產生該磁場所需要的永磁體可以為便宜的鐵氧體材料，在有效降低生產成本的同時，增加了勵磁磁場的熱穩定性。(2)本發明可以有效檢測軟磁磁性材料所組成的磁性圖形。通過水平勵磁結構把軟磁性材料在面內磁化，在磁性圖形表面產生特定的漏磁場；垂直方向檢測用MR元件組成的惠斯通橋路結構，該結構可以有效檢測磁性圖形的表面漏磁的垂直分量的大小，可以真實反映磁性圖形表面漏磁場的真實情況，從而有效檢測軟磁材料組成的磁性圖形的特征；為磁性圖形表面漏磁的定量分析提供了可能性。杜絕了在漏磁場的確存在、但是磁場在面內的空間梯度較小的情況下，現有磁頭可能漏檢的情況。(3)本發明采用惠斯通全橋結構，其中的四個磁電阻的靈敏度方向相同，因此具有非常好的抗外界電磁場干擾能力。
圖1本發明的第一種勵磁結構的示意 圖2本發明的第二種勵磁結構的示意 圖3本發明的第三種勵磁結構的示意 圖4本發明的惠斯通橋式結構示意 圖5本發明中的惠斯通橋式結構三種橋路的連接示意 圖6本發明的磁場的分布曲線 圖7本發明的MR元件處于磁場中的分布曲線圖。
具體實施例方式圖1至圖3所示，為一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，包括支架I和設置于支架上的PCB板5，還包括水平勵磁結構，其用于產生一個平行于磁頭表面的磁場；該磁場可以磁化軟磁材料構成的磁性圖形，該磁性圖形被磁化后，在其表面產生特定的漏磁場分布，該磁場的數值隨著距離磁性圖形表面的距離的增加急劇降低；和基于磁電阻MR元件的磁場檢測部件，其用于檢測磁性圖形表面漏磁場的垂直分量的分布情況。該勵磁結構可以有很多種實現的方式:
圖1中，所述勵磁結構為前后兩塊水平磁化的永磁體20、21沿著磁化方向放置在所述磁場檢測部件4的前后位置。圖2中，所述勵磁結構為前后兩塊垂直磁化的永磁體20、21沿著磁化方向的垂直方向反向放置在所述磁場檢測部件4的前后的對稱位置。圖3中，所述勵磁結構為一塊水平磁化的永磁體21放置在所述磁場檢測部件4的前端/后端，另一塊軟磁材料塊體7放置在所述磁場檢測部件4的后端/前端位置。除此之外，還有很多種得到水平方向激勵磁場的方法。圖4所示，磁場檢測部件為由多個磁電阻MR元件組成的惠斯通橋式結構。其中的所述磁電阻MR元件的敏感方向一致垂直于磁頭的表面。其中，所述磁電阻MR元件至少為各向異性磁電阻AMR元件或巨磁阻GMR元件或隧穿磁電阻TMR元件中的一種。所述惠斯通橋式結構為惠斯通全橋結構時，其中的兩個磁電阻MR元件靠近磁頭的表面，另外兩個磁電阻MR元件遠離磁頭的表面；所述惠斯 通橋式結構為惠斯通半橋結構時，其中的一個磁電阻MR兀件靠近磁頭的表面,另外一個磁電阻MR兀件遠離磁頭的表面。
圖5為具體的實施方式:一個磁電阻R1/R2 (半橋的情況)或者兩個磁電阻Rl和R2 (全橋的情況)靠近磁頭的表面；另外的一個磁電阻R3/R4 (半橋的情況)或者兩個磁電阻R3和R4 (全橋的情況)遠離磁頭的表面。這些磁電阻MR元件按照惠斯通全橋或者惠斯通半橋的結構連接在一起(見圖5中a、b、c三種橋路的連接方法)。由于靠近磁頭表面的磁電阻感受到的磁場幅值遠大于遠離磁頭表面的電阻感受到的磁場幅值，而且后者的磁場接近于零，因此該磁場檢測部件4可以檢測磁性圖形表面漏磁場的垂直分量的真實分布情況。圖6所示，磁電阻MR元件的電阻隨著外磁場的變化曲線，有兩種類型。一種是外磁場小于飽和磁場時,磁電阻MR元件的電阻隨著外部磁場線性變化，稱之為“線性磁電阻MR兀件”；另外一種是外磁場小于飽和磁場時，磁電阻MR兀件的電阻隨著外部磁場的變化曲線為倒“V”型曲線，稱之為“V型磁電阻MR元件”。由于磁鐵和磁電阻MR元件的相對位置的誤差以及磁鐵的加工誤差等因素的影響，在磁電阻MR元件的靈敏度方向上可能會有一定大小的磁場，但是該磁場均可以被控制在MR兀件的的工作區間之內。對于線性磁電阻MR兀件,使用永磁體相對于磁電阻MR兀件對稱的位置布置,可以使得磁電阻MR兀件的工作區間靠近零磁場(見磁場的分布曲線圖6a);對于V型磁電阻MR元件，可以適當調整永磁體相對于磁電阻MR元件的位置的非對稱性，調整磁電阻MR的工作區間位于正磁場區間或者負磁場區間(見磁場的分布曲線圖6b)。圖7所示，磁電阻MR元件在磁場中的兩種分量的分布:圖7a為線性磁電阻MR元件處于磁場中的分布情況；圖7b為V型磁電阻MR兀件處于磁場中的分布情況。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、 等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，包括支架和設置于支架上的PCB板,其特征在于,還包括水平勵磁結構，其用于產生一個平行于磁頭表面的磁場；和基于磁電阻MR元件的磁場檢測部件，其用于檢測磁性圖形表面漏磁場的垂直分量的分布情況。
2.如權利要求1所述的一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，其特征在于，所述水平勵磁結構為前后兩塊水平磁化的永磁體沿著磁化方向放置在所述磁場檢測部件的前后位置。
3.如權利要求1所述的一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，其特征在于，所述水平勵磁結構為前后兩塊垂直磁化的永磁體沿著磁化方向的垂直方向反向放置在所述磁場檢測部件的前后的對稱位置。
4.如權利要求1所述的一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，其特征在于，所述水平勵磁結構為一塊水平磁化的永磁體放置在所述磁場檢測部件的前端/后端，另一塊軟磁材料塊體放置在所述磁場檢測部件的后端/前端位置。
5.如權利要求1至4任一項所述的一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，其特征在于，所述磁場檢測部件為由多個磁電阻MR元件組成的惠斯通橋式結構。
6.如權利要求5所述的一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，其特征在于，所述惠斯通橋式結構為惠斯通全橋結構或惠斯通半橋結構。
7.如權利要求6所述的一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，其特征在于，所述惠斯通橋式結構為惠斯通全橋結構時，其中的兩個磁電阻MR元件靠近磁頭的表面，另外兩個磁電阻MR元件遠離磁頭的表面；所述惠斯通橋式結構為惠斯通半橋結構時，其中的一個磁電阻MR元件靠近磁頭的表面，另外一個磁電阻MR元件遠離磁頭的表面。
8.如權利要求7所述的一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，其特征在于，所述磁電阻MR兀件的敏感方向一致垂直于磁頭的表面。
9.如權利 要求8所述的一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，其特征在于，所述磁電阻MR元件至少為各向異性磁電阻AMR元件或巨磁阻GMR元件或隧穿磁電阻TMR元件中的一種。
全文摘要
本發明公布了一種基于磁電阻技術檢測磁性圖形表面磁場的磁頭，包括支架和設置于支架上的PCB板，還包括水平勵磁結構，其用于產生一個平行于磁頭表面的磁場；和基于磁電阻MR元件的磁場檢測部件，其用于檢測磁性圖形表面漏磁場的垂直分量的分布情況。本發明可以有效檢測軟磁或者硬磁磁性材料所組成的磁性圖形。通過水平勵磁結構把軟磁性材料在面內磁化，在磁性圖形表面產生特定的漏磁場。使用基于MR元件的惠斯通橋式結構連接有效檢測這種特定漏磁場的垂直分量，從而有效檢測軟磁材料或者硬磁材料組成的磁性圖形的特征。
文檔編號G07D7/04GK103226865SQ201310131459
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者白建民 申請人:白建民