巨磁電阻實驗報告

1、實驗報告物理與電子系 物理升華專業(yè)1201班姓名 張 濤 學(xué)號1003120505 指導(dǎo)老師 徐富新實驗時間2014年5月25日，第十三周，星期日實驗名稱巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用【目的要求】1、 了解GMR效應(yīng)的原理2、 測量GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線3、 測量GMR的磁阻特性曲線4、 用GMR傳感器測量電流5、 用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移，了解GMR轉(zhuǎn)速（速度）傳感器的原理【原理簡述】根據(jù)導(dǎo)電的微觀機理，電子在導(dǎo)電時并不是沿電場直線前進，而是不斷和晶格中的原子產(chǎn)生碰撞（又稱散射），每次散射后電子都會改變運動方向，總的運動是電場對電子的定向加速與這種無規(guī)散射運動的疊加。稱電子在兩次

2、散射之間走過的平均路程為平均自由程，電子散射幾率小，則平均自由程長，電阻率低。電阻定律 R=rl/S中，把電阻率r視為常數(shù)，與材料的幾何尺度無關(guān)，這是因為通常材料的幾何尺度遠大于電子的平均自由程（例如銅中電子的平均自由程約34nm），可以忽略邊界效應(yīng)。當(dāng)材料的幾何尺度小到納米量級，只有幾個原子的厚度時（例如，銅原子的直徑約為0.3nm），電子在邊界上的散射幾率大大增加，可以明顯觀察到厚度減小，電阻率增加的現(xiàn)象。電子除攜帶電荷外，還具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁場兩種可能取向。早在1936年，英國物理學(xué)家，諾貝爾獎獲得者指出，在過渡金屬中，自旋磁矩與材料的磁場方向平行的電子，所受散射

3、幾率遠小于自旋磁矩與材料的磁場方向反平行的電子?？傠娏魇莾深愖孕娏髦?總電阻是兩類自旋電流的并聯(lián)電阻，這就是所謂的兩電流模型。在圖2所示的多層膜結(jié)構(gòu)中，無外磁場時，上下兩層磁性材料是反平行（反鐵磁）耦合的。施加足夠強的外磁場后，兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向一致，外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合。電流的方向在多數(shù)應(yīng)用中是平行于膜面的。圖3是圖2結(jié)構(gòu)的某種GMR材料的磁阻特性。由圖可見，隨著外磁場增大，電阻逐漸減小，其間有一段線性區(qū)域。當(dāng)外磁場已使兩鐵磁膜完全平行耦合后，繼續(xù)加大磁場，電阻不再減小，進入磁飽和區(qū)域。磁阻變化率 R/R 達百分之十幾，加反向磁場時磁阻特性是對稱的。注

4、意到圖2中的曲線有兩條，分別對應(yīng)增大磁場和減小磁場時的磁阻特性，這是因為鐵磁材料都具有磁滯特性。有兩類與自旋相關(guān)的散射對巨磁電阻效應(yīng)有貢獻。其一，界面上的散射。無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初始自旋狀態(tài)如何，從一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨狀態(tài)改變（平行反平行，或反平行平行），電子在界面上的散射幾率很大，對應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，電子在界面上的散射幾率很小，對應(yīng)于低電阻狀態(tài)。其二，鐵磁膜內(nèi)的散射。即使電流方向平行于膜面，由于無規(guī)散射，電子也有一定的幾率在上下兩層鐵磁膜之間穿行。無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初始自

5、旋狀態(tài)如何，在穿行過程中都會經(jīng)歷散射幾率?。ㄆ叫校┖蜕⑸鋷茁蚀螅ǚ雌叫校﹥煞N過程，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個中等阻值的電阻的并聯(lián)，對應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，自旋平行的電子散射幾率小，自旋反平行的電子散射幾率大，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似一個小電阻與一個大電阻的并聯(lián)，對應(yīng)于低電阻狀態(tài)。多層膜GMR結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，磁阻隨外磁場線性變化的范圍大，在制作模擬傳感器方面得到廣泛應(yīng)用。在數(shù)字記錄與讀出領(lǐng)域，為進一步提高靈敏度，發(fā)展了自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR。【實驗裝置】巨磁電阻實驗儀區(qū)域1區(qū)域2區(qū)域3 圖5 巨磁阻實驗儀操作面板圖5所示為巨磁阻實驗儀系統(tǒng)的實驗儀前面板圖

6、。區(qū)域1電流表部分：做為一個獨立的電流表使用。兩個檔位：2mA檔和200mA檔，可通過電流量程切換開關(guān)選擇合適的電流檔位測量電流。區(qū)域2電壓表部分：做為一個獨立的電壓表使用。兩個檔位：2V檔和200mV檔，可通過電壓量程切換開關(guān)選擇合適的電壓檔位。區(qū)域3恒流源部分：可變恒流源。實驗儀還提供GMR傳感器工作所需的4V電源和運算放大器工作所需的8V電源?；咎匦越M件圖6 基本特性組件基本特性組件由GMR模擬傳感器，螺線管線圈及比較電路，輸入輸出插孔組成。用以對GMR的磁電轉(zhuǎn)換特性，磁阻特性進行測量。GMR傳感器置于螺線管的中央。螺線管用于在實驗過程中產(chǎn)生大小可計算的磁場，由理論分析可知，無限長直螺

7、線管內(nèi)部軸線上任一點的磁感應(yīng)強度為：B = 0nI （1）式中n為線圈密度，I為流經(jīng)線圈的電流強度，為真空中的磁導(dǎo)率。采用國際單位制時，由上式計算出的磁感應(yīng)強度單位為特斯拉（1特斯拉10000高斯）。電流測量組件圖7 電流測量組件電流測量組件將導(dǎo)線置于GMR模擬傳感器近旁，用GMR傳感器測量導(dǎo)線通過不同大小電流時導(dǎo)線周圍的磁場變化，就可確定電流大小。與一般測量電流需將電流表接入電路相比，這種非接觸測量不干擾原電路的工作，具有特殊的優(yōu)點。角位移測量組件圖8 角位移測量組件角位移測量組件用巨磁阻梯度傳感器作傳感元件，鐵磁性齒輪轉(zhuǎn)動時，齒牙干擾了梯度傳感器上偏置磁場的分布，使梯度傳感器輸出發(fā)生變化，

8、每轉(zhuǎn)過一齒，就輸出類似正弦波一個周期的波形。利用該原理可以測量角位移（轉(zhuǎn)速，速度）。汽車上的轉(zhuǎn)速與速度測量儀 就是利用該原理制成的。磁讀寫組件圖9 磁讀寫組件磁讀寫組件用于演示磁記錄與讀出的原理。磁卡做記錄介質(zhì)，磁卡通過寫磁頭時可寫入數(shù)據(jù)，通過讀磁頭時將寫入的數(shù)據(jù)讀出來。【實驗內(nèi)容】一、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量在將GMR構(gòu)成傳感器時，為了消除溫度變化等環(huán)境因素對輸出的影響，一般采用橋式結(jié)構(gòu)。 a 幾何結(jié)構(gòu) b電路連接GMR模擬傳感器結(jié)構(gòu)圖對于電橋結(jié)構(gòu)，如果4個GMR電阻對磁場的影響完全同步，就不會有信號輸出。圖17-9中，將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€電阻R3, R4覆蓋一層高導(dǎo)磁率的材料

9、如坡莫合金，以屏蔽外磁場對它們的影響，而R1，R2阻值隨外磁場改變。設(shè)無外磁場時4個GMR電阻的阻值均為R， R1、R2在外磁場作用下電阻減小R，簡單分析表明，輸出電壓：U=U (2R-R) (2)屏蔽層同時設(shè)計為磁通聚集器，它的高導(dǎo)磁率將磁力線聚集在R1、R2電阻所在的空間，進一步提高了R1，R2的磁靈敏度。從幾何結(jié)構(gòu)還可見，巨磁電阻被光刻成微米寬度迂回狀的電阻條，以增大其電阻至k數(shù)量級，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性實驗原理圖將GMR模擬傳感器置于螺線管磁場中，功能切換按鈕切換為“傳感器測量”。實驗儀的4V電壓源接至基本特性組件

10、“巨磁電阻供電”，恒流源接至“螺線管電流輸入”，基本特性組件“模擬信號輸出”接至實驗儀電壓表。按表1數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵磁電流，逐漸減小磁場強度，記錄相應(yīng)的輸出電壓于表格“減小磁場”列中。由于恒流源本身不能提供負向電流，當(dāng)電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流i，此時流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強度的方向為負，從上到下記錄相應(yīng)的輸出電壓。電流至-100mA后，逐漸減小負向電流，電流到0時同樣需要交換恒流輸出的極性。從下到上記錄數(shù)據(jù)于表一“增大磁場”列中。 理論上講，外磁場為零時，GMR傳感器的輸出應(yīng)為零，但由于半導(dǎo)體工藝的限制，4個橋臂電阻值不一定完全相同，導(dǎo)致外磁場為零時輸出不一

11、定為零，在有的傳感器中可以觀察到這一現(xiàn)象。根據(jù)螺線管上表明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強度B。以磁感應(yīng)強度B作橫坐標(biāo)，電壓表的讀數(shù)為縱坐標(biāo)作出磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。不同外磁場強度時輸出電壓的變化反映了GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性，同一外磁場強度下輸出電壓的差值反映了材料的磁滯特性。表1 GMR模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性的測量（電橋電壓4V）磁感應(yīng)強度/高斯輸出電壓/mV勵磁電流/mA磁感應(yīng)強度/高斯減小磁場增大磁場100259259902592598025925870258256602562505023922440198.7176.830151.0130.220104.188.0106

12、2.549.8543.829.3024.28.5510.233.61038.652.22077.292.730117.6138.540163.2186.25021223060245253702552578025825890259259100259259二、GMR磁阻特性測量磁阻特性測量原理圖為加深對巨磁電阻效應(yīng)的理解，我們對構(gòu)成GMR模擬傳感器的磁阻進行測量。將基本特性組件的功能切換按鈕切換為“巨磁阻測量”，此時被磁屏蔽的兩個電橋電阻R3、R4被短路，而R1、R2并聯(lián)。將電流表串連進電路中，測量不同磁場時回路中電流的大小，就可以計算磁阻。實驗裝置：巨磁阻實驗儀，基本特性組件。 將GMR模擬傳感

13、器置于螺線管磁場中，功能切換按鈕切換為“巨磁阻測量”。實驗儀的4伏電壓源串連電流表后，接至基本特性組件“巨磁電阻供電”，恒流源接至“螺線管電流輸入”。按表2數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵磁電流，逐漸減小磁場強度，記錄相應(yīng)的磁阻電流于表格“減小磁場”列中。由于恒源流本身不能提供負向電流，當(dāng)電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強度的方向為負，從上到下記錄相應(yīng)的輸出電壓。 電流至一100mA后，逐漸減小負向電流，電流到0時同樣需要交換恒流輸出接線的極性。從下到上記錄數(shù)據(jù)于“增大磁場”列中。根據(jù)螺線管上表明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強度B。由歐

14、姆定律R=U/I 計算磁阻。以磁感應(yīng)強度B作橫坐標(biāo)，磁阻為縱坐標(biāo)做出磁阻特性曲線。應(yīng)該注意，由于模擬傳感器的兩個磁阻是位于磁通聚集器中，與圖3相比，我們作出的磁阻曲線斜率大了約10倍，磁通聚集器結(jié)構(gòu)使磁阻靈敏度大大提高。 不同外磁場強度時磁阻的變化反映了GMR的磁阻特性，同一外磁場強度的差值反映了材料的磁滯特性。表2 GMR磁阻特性的測量（磁阻兩端電壓4V）磁感應(yīng)強度/高斯磁阻/減小磁場增大磁場勵磁電流/mA磁感應(yīng)強度/高斯磁阻電流/mA磁阻/磁阻電流/mA磁阻/1001.9121.910901.9111.910801.9111.909701.9101.900601.9081.892501.8

15、911.876401.8521.831301.8071.786201.7631.748101.7251.71351.7091.69601.6921.67651.6781.699101.7041.716201.7381.752301.7761.793401.8181.838501.8641.882601.8961.905701.9061.909801.9091.910901.9101.9101001.9101.910三、用GMR模擬傳感器測量電流GMR模擬傳感器在一定的范圍內(nèi)輸出電壓與磁場強度成線性關(guān)系，且靈敏度高，線性范圍大，可以方便的將GMR制成磁場計，測量磁場強度或其它與磁場相關(guān)的物理量。

16、作為應(yīng)用示例，我們用它來測量電流。由理論分析可知，通有電流I的無限長直導(dǎo)線，與導(dǎo)線距離為r的一點的磁感應(yīng)強度為：B = 0I/2r =2 I10-7/r （3）磁場強度與電流成正比，在r已知的條件下，測得B，就可知I。在實際應(yīng)用中，為了使GMR模擬傳感器工作在線性區(qū)，提高測量精度，還常常預(yù)先給傳感器施加一固定已知磁場，稱為磁偏置，其原理類似于電子電路中的直流偏置。 模擬傳感器測量電流實驗原理圖實驗裝置：巨磁阻實驗儀，電流測量組件實驗儀的4伏電壓源接至電流測量組件“巨磁電阻供電”，恒流源接至“待測電流輸入”，電流測量組件“信號輸出”接至實驗儀電壓表。將待測電流調(diào)節(jié)至0。將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到遠離GMR傳

17、感器，調(diào)節(jié)磁鐵與傳感器的距離，使輸出約25mV。將電流增大到300mA，按表4數(shù)據(jù)逐漸減小待測電流，從左到右記錄相應(yīng)的輸出電壓于表格“減小電流”行中。由于恒流源本身不能提供負向電流，當(dāng)電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時電流方向為負，記錄相應(yīng)的輸出電壓。逐漸減小負向待測電流，從右到左記錄相應(yīng)的輸出電壓于表格“增加電流”行中。當(dāng)電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時電流方向為正，記錄相應(yīng)的輸出電壓。將待測電流調(diào)節(jié)至0。將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到接近GMR傳感器，調(diào)節(jié)磁鐵與傳感器的距離，使輸出約150mV。用低磁偏置時同樣的實驗方法，測量適當(dāng)磁偏置

18、時待測電流與輸出電壓的關(guān)系。表3 用GMR模擬傳感器測量電流 待測電流/mA3002001000100200300輸出電壓/mV低磁偏置(約25mV)減小電流26.025.725.325.024.624.323.9增加電流26.025.625.324.924.624.223.9適當(dāng)磁偏置(約150mV)減小電流149.3148.8148.3147.7147.1146.5145.9增加電流149.5148.9148.3147.7147.0146.4145.9以電流讀數(shù)作橫坐標(biāo)，電壓表的讀數(shù)為縱坐標(biāo)作圖。分別作出4條曲線。由測量數(shù)據(jù)及所作圖形可以看出，適當(dāng)磁偏置時線性較好，斜率（靈敏度）較高。由于

19、待測電流產(chǎn)生的磁場遠小于偏置磁場，磁滯對測量的影響也較小，根據(jù)輸出電壓的大小就可確定待測電流的大小。用GMR傳感器測量電流不用將測量儀器接入電路，不會對電路工作產(chǎn)生干擾，既可測量直流，也可測量交流，具有廣闊的應(yīng)用前景。四、GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用將GMR電橋兩對對角電阻分別置于集成電路兩端，4個電阻都不加磁屏蔽，即構(gòu)成梯度傳感器，如圖17所示。這種傳感器若置于均勻磁場中，由于4個橋臂電阻阻值變化相同，電橋輸出為零。如果磁場存在一定的梯度，各GMR電阻感受到的磁場不同，磁阻變化不一樣，就會有信號輸出。圖18以檢測齒輪的角位移為例，說明其應(yīng)用原理。將永磁體放置于傳感器上方，若齒輪是鐵磁材料，永

20、磁體產(chǎn)生的空間磁場在相對于齒牙不同位置時，產(chǎn)生不同的梯度磁場。a位置時，輸出為零。b位置時，R1、R2 感受到的磁場強度大于R3、R4，輸出正電壓。c位置時，輸出回歸零。d位置時，R1、R2 感受到的磁場強度小于R3、R4，輸出負電壓。于是,在齒輪轉(zhuǎn)動過程中,每轉(zhuǎn)過一個齒牙便產(chǎn)生一個完整的波形輸出。這一原理已普遍應(yīng)用于轉(zhuǎn)速（速度）與位移監(jiān)控，在汽車及其它工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。實驗裝置：巨磁阻實驗儀、角位移測量組件。將實驗儀4V電壓源接角位移測量組件“巨磁電阻供電”，角位移測量組件“信號輸出”接實驗儀電壓表。逆時針慢慢轉(zhuǎn)動齒輪，當(dāng)輸出電壓為零時記錄起始角度，以后每轉(zhuǎn)3度記錄一次角度與電壓表的讀數(shù)

21、。轉(zhuǎn)動48度齒輪轉(zhuǎn)過2齒，輸出電壓變化2個周期。表4 齒輪角位移的測量起始角度/度03691215182124轉(zhuǎn)動角度/度046.289.167.2-7.4-70.9-59.5-29.26.3輸出電壓/mV2730333639424548起始角度/度46.690.365.3-10.9-61.4-61.1-27.15.3以齒輪實際轉(zhuǎn)過的度數(shù)為橫坐標(biāo)，電壓表的讀數(shù)為縱向坐標(biāo)作圖?！緦嶒灁?shù)據(jù)處理】1.GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量 磁感應(yīng)強度/高斯輸出電壓/mV勵磁電流/mA磁感應(yīng)強度/高斯減小磁場增大磁場10030.159289472592599027.143360532592598024.1

22、27431582592587021.111502632582566018.095573682562505015.079644742392244012.06371579198.7176.8309.047786842151.0130.2206.031857895104.188.0103.01592894762.549.851.50796447443.829.30024.28.55-1.50796447410.233.610-3.01592894738.652.220-6.03185789577.292.730-9.047786842117.6138.540-12.06371579163.2186.

23、250-15.0796447421223060-18.0955736824525370-21.1115026325525780-24.1274315825825890-27.14336053259259100-30.15928947259259以B為橫坐標(biāo)，輸出電壓U為縱坐標(biāo)，作圖得：磁感應(yīng)強度B與輸出電壓U之間的關(guān)系曲線2. GMR的磁阻特性曲線的測量磁感應(yīng)強度/高斯磁阻/減小磁場增大磁場勵磁電流/mA磁感應(yīng)強度/高斯磁阻電流/mA磁阻/磁阻電流/mA磁阻/10030.159289471.9122092.051.9102094.249027.143360531.9112093.141.910

24、2094.248024.127431581.9112093.141.9092095.347021.111502631.9102094.241.9002105.266018.095573681.9082096.441.8922114.165015.079644741.8912115.281.8762132.204012.063715791.8522159.831.8312184.60309.0477868421.8072213.611.7862239.64206.0318578951.7632268.861.7482288.33103.0159289471.7252318.841.7132335.0851.5079644741.7092340.551.6962358.49001.6922364.061.6762386.635-1.5