巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、電子，所受散射幾率遠(yuǎn)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(shí)，上下兩層磁性材料是 反平行（反鐵磁）耦合的。施加足夠強(qiáng)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。電阻-歐姆磁場強(qiáng)度/高斯某種GMR材料的磁阻特性無外磁場時(shí)頂層磁場方向無外磁場時(shí)底層磁場方向 圖2多層膜GMR結(jié)構(gòu)圖圖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

2、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(jìn)入磁飽和區(qū)域。 磁阻變化率AR/R達(dá)百分之十幾，加反向磁場時(shí)磁阻特性是對稱的。 注意到圖2中的曲線有兩條，分別對應(yīng)增大磁場和減小磁場時(shí)的磁阻 特性，這是因?yàn)殍F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(xiàn)。其一，界面上的散射。無外磁場時(shí)，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(jìn)入另一層鐵磁 膜時(shí)都面臨狀態(tài)改變（平行一反平行，或反平行一平行），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(shí)，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)。

3、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(shí)， 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，在 穿行過程中都會(huì)經(jīng)歷散射幾率?。ㄆ叫校┖蜕⑸鋷茁蚀螅ǚ雌叫校﹥?種過程，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個(gè)中等限值的電阻的并聯(lián)， 對應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場時(shí)，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(gè)小電阻與一個(gè)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

4、數(shù)字記錄與讀出領(lǐng)域， 為進(jìn)一步提高靈敏度，發(fā)展了自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR?！緦?shí)驗(yàn)儀器】主要包括：巨磁電阻實(shí)驗(yàn)儀、基本特性組件、電流測量組件、角位移 測量組件、磁讀寫組件?；咎匦越M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(jìn)行測量。GMR傳感器置于螺線管的中央。螺線管用于在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生大小可計(jì)算的磁場，由理論分析可 知，無限長直螺線管內(nèi)部軸線上任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B = nOnl(1)式中n為線圈密度，I為流經(jīng)線圈的電流強(qiáng)度，。=4萬為真 空中的磁導(dǎo)率。采用國際單位制時(shí)，由上式計(jì)算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位 為特斯拉(1特斯拉= 10000高斯)

5、?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理】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(shí)，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)。比4& Ra睡聚螂a幾何結(jié)構(gòu)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(gè)GMR電阻對磁場的影響完全同步，就不 會(huì)有信號輸出。圖17-9中，將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€(gè)電阻R3, R4i/i文檔可自由編輯覆蓋一層高導(dǎo)磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁場對它們的影響，而RI, R2阻值隨外磁場改變。設(shè)無外磁場時(shí)4個(gè)GMR電阻的阻值均為R, RI、R2在外磁場作用下電阻減小AR,簡單分析表明，輸出電OUT壓：U =IJ/N (2R-AR)(2)

6、屏蔽層同時(shí)設(shè)計(jì)為磁通聚集器，它的高導(dǎo)磁率將磁力線聚集在RI、R2電阻所在的空間，進(jìn)一步提高了 RI, 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kC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(shí)驗(yàn)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 感器測量二實(shí)驗(yàn)儀的4V電壓源接至基本特性組件“巨磁電阻供電”, 恒流源接至“螺線管電流輸入“，基本特性組件“模擬信號輸出”接 至實(shí)驗(yàn)儀電壓表。按表1數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，逐漸減小磁場強(qiáng)度，記錄相應(yīng)的 輸出電壓于表格“減小磁場”列中。由于恒

7、流源本身不能提供負(fù)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(shí)流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)樨?fù), 從上到下記錄相應(yīng)的輸出電壓。電流至-100mA后，逐漸減小負(fù)向電 流，電流到0時(shí)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(shí)，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(gè)橋臂電阻值不一定完全相同，導(dǎo)致外磁場為零 時(shí)輸出不一定為零，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(jì)算出螺線管內(nèi) 的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。以磁感應(yīng)強(qiáng)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

8、特性曲線。不同外磁場強(qiáng)度時(shí)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(qiáng)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,線圈密度為24000匝/米）磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯輸出電壓/mV勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯減小磁場增大磁場10030. 15842282289027. 14262282288024. 12672272277021. 11092272266018. 09502262245015.07922222154012.0634196180309. 0475147132206. 03179681103.0158504051.

9、5079312100. 00001210-5-1.50792030-10-3.01583950-20-6. 03178093-30-9. 0475129144-40-12.0634179194i/i文檔可自由編輯-50-15. 0792215222-60-18. 0950224226-70-21. 1109226227-80-24. 1267227227-90-27. 1426228228-100-30. 1584228228GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量-100輸出電壓/MV1030401/1文檔可自由編輯二、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GM

10、R模擬傳感器的磁 阻進(jìn)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(shí)被磁屏蔽的兩個(gè)電橋電阻R3、R4被短路，而RI、R2并聯(lián)。將電 流表串連進(jìn)電路中，測量不同磁場時(shí)回路中電流的大小，就可以計(jì)算 磁阻。實(shí)驗(yàn)裝置：巨磁阻實(shí)驗(yàn)儀，基本特性組件。將GMR模擬傳感器置于螺線管磁場中，功能切換按鈕切換為“巨 磁阻測量二實(shí)驗(yàn)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“螺線管電流輸入二按表2數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，逐漸減小磁場強(qiáng)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(fù)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

11、次增大電流，此時(shí)流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)樨?fù)， 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(fù)向電流，電流到0時(shí)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(jì)算出螺線管內(nèi) 的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。由歐姆定律R=U/I計(jì)算磁阻。以磁感應(yīng)強(qiáng)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(gè)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(qiáng)度時(shí)磁阻的變化反映了 GMR的磁阻特性，同一外 磁場強(qiáng)度的差值反映了材料的磁滯特性。

12、表2 GMR磁阻特性的測量（磁阻兩端電壓4V）磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯磁阻/。減小磁場增大磁場勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯磁阻電流/mA磁阻/。磁阻電流/mA磁阻/。10030. 15841.8822125. 39851.882127.65969027. 14261.8822125. 39851.882127.65968024. 12671.8812126.52841.882127.65967021. 11091.882127. 65961.8792128.79196018. 09501.8792128. 79191.8772131.06025015. 07921.8752133. 33331.87

13、2139.03744012. 06341.852162. 16221.8372177.4633309. 04751.8052216. 06651. 7892235. 8860206. 03171. 7582275. 31291. 7462290. 9507103.01581. 7182328. 28871. 7092340.550051. 50791. 72352.94121.6922364. 066200. 00001.6852373.88721.6822378. 1213-5-1. 50791.6942361.27511.6992354. 3261-10-3.01581. 7092340.

14、 55001. 7172329. 6447-20-6. 03171. 7452292.26361. 7552279. 2023-30-9. 04751. 7882237.13651.8022219. 7558-40-12. 06341.8342181.02511.8482164.5022-50-15. 07921.8692140. 18191.8742134.4717-60-18. 09501.8772131. 06021.8782129. 9255-70-21. 11091.8792128. 79191.8792128.7919-80-24. 12671.882127. 65961.8821

15、27.6596-90-27. 14261.882127. 65961.882127. 6596-100-30. 15841.882127. 65961.882127. 6596GMR磁阻特性的測量三、GRM開關(guān)（數(shù)字）傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量表3 GRM開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量 高電平=1 V 低電平=0 V減小磁場增大磁場開關(guān)動(dòng) 作勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯開關(guān)動(dòng) 作勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/ 高斯關(guān)20.46. 1525關(guān)20. 76. 2430開23.67. 1176開23. 37. 0271四、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(qiáng)度成線性

16、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(jì)，測量 磁場強(qiáng)度或其它與磁場相關(guān)的物理量。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(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B = n 01/2 nr =2 IX10-7/r(3)磁場強(qiáng)度與電流成正比，在r已知的條件下，測得B,就可知I。 在實(shí)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(shí)驗(yàn)原理圖實(shí)驗(yàn)裝置：巨磁阻實(shí)驗(yàn)儀，電流測量組件實(shí)驗(yàn)儀的4伏電壓源接至電流測量組件“巨磁電阻供電”

17、，恒流源 接至“待測電流輸入“，電流測量組件“信號輸出”接至實(shí)驗(yàn)儀電壓 表。將待測電流調(diào)節(jié)至0。將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)離GMR傳感器，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(fù)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(shí)電流方向?yàn)樨?fù)，記錄相應(yīng)的輸出電壓。逐漸減小負(fù)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。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(shí)電流方向?yàn)檎涗浵鄳?yīng)的輸出電壓。將待

18、測電流調(diào)節(jié)至0。i/i文檔可自由編輯將偏置磁鐵轉(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(shí)同樣的實(shí)驗(yàn)方法，測量適當(dāng)磁偏置時(shí)待測電流與輸出電 壓的關(guān)系。表4用GMR模擬傳感器測量電流待測電流/mA3002001000-100-200-300輸 出 電 壓 /m V低磁偏置（約25mV）減 小 電 流27. 72726. 225.524. 723.923增 加 電 流28. 127. 326.425.724.924. 123適當(dāng)磁偏置（約150mV減 小 電 流154.2153.4152.4151.5150.5149.4148.2增加154.4153.3152.

19、2151.2150.2149.2148.2用GMR模擬傳感器測顯電流A2OE短)胴B港里O 04-30Q-200-1000100200300400待電流/M A用GMR模擬傳感器測量電流(ASW次一相唯修包1/1文檔可自由編輯O O4 -300-200-1000100200300400待則電流外依五、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(gè)電阻都不加 磁屏蔽，即構(gòu)成梯度傳感器。圖18用GMR梯度傳感曙檢測齒輪位移這種傳感器若置于均勻磁場中，由于4個(gè)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(huì)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，永磁體產(chǎn)生的空間 磁場在相對于齒牙不同位置時(shí)，產(chǎn)生 不同的梯度磁場。a位置時(shí)，輸出為零。 b位置時(shí)，R1、R?感受到的磁場強(qiáng)度大于Rs、R.,輸出正電壓。c位置時(shí)，輸出回歸零。d位置時(shí)，Ri、R2感 受到的磁場強(qiáng)度小