巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用課件

巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了巨磁電阻(Giantmagnetoresistance,簡(jiǎn)稱GMR)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者，法國(guó)物理學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾(AlbertFert)和德國(guó)物理學(xué)家彼得·格倫貝格爾(PeterGrunberg)。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)說(shuō)明:“這是一次好奇心導(dǎo)致的發(fā)現(xiàn)，但其隨后的應(yīng)用卻是革命性的，因?yàn)樗褂?jì)算機(jī)硬盤(pán)的容量從幾百兆，幾千兆，一躍而提高幾百倍，達(dá)到幾百G乃至上千G?！蹦蹜B(tài)物理研究原子，分子在構(gòu)成物質(zhì)時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)，它們之間的相互作用力，及其與宏觀物理性質(zhì)之間的聯(lián)系。人們?cè)缇椭肋^(guò)渡金屬鐵、鈷、鎳能夠出現(xiàn)鐵磁性有序狀態(tài)。量子力學(xué)出現(xiàn)后，德國(guó)科學(xué)家海森伯(W.Heisenberg，1932年諾貝爾獎(jiǎng)得主)明確提出鐵磁性有序狀態(tài)源于鐵磁性原子磁矩之間的量子力學(xué)交換作用，這個(gè)交換作用是短程的，稱為直接交換作用。巨磁簡(jiǎn)介后來(lái)發(fā)現(xiàn)很多的過(guò)渡金屬和稀土金屬的化合物具有反鐵磁有序狀態(tài)，即在有序排列的磁材料中，相鄰原子因受負(fù)的交換作用，自旋為反平行排列，如圖1所示。則磁矩雖處于有序狀態(tài)，但總的凈磁矩在不受外場(chǎng)作用時(shí)仍為零。這種磁有序狀態(tài)稱為反鐵磁性。法國(guó)科學(xué)家奈爾(L.E.F.Neel)因?yàn)橄到y(tǒng)地研究反鐵磁性而獲1970年諾貝爾獎(jiǎng)。在解釋反鐵磁性時(shí)認(rèn)為，化合物中的氧離子(或其他非金屬離子)作為中介，將最近的磁性原子的磁矩耦合起來(lái)，這是間接交換作用。另外，在稀土金屬中也出現(xiàn)了磁有序，其中原子的固有磁矩來(lái)自4f電子殼層。相鄰稀土原子的距離遠(yuǎn)大于4f電子殼層直徑，所以稀土金屬中的傳導(dǎo)電子擔(dān)當(dāng)了中介，將相鄰的稀土原子磁矩耦合起來(lái)，這就是RKKY型間接交換作用。本實(shí)驗(yàn)介紹多層膜GMG效應(yīng)的原理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解幾種GMR傳感器的結(jié)構(gòu)，特性，及應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釭MR效應(yīng)的原理測(cè)量GMR的磁阻特性曲線測(cè)量GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測(cè)量GMR開(kāi)關(guān)（數(shù)字）傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線用GMR傳感器測(cè)量電流用GMR梯度傳感器測(cè)量齒輪的角位移，了解GMR轉(zhuǎn)速（速度）傳感器的原理通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解磁記錄與讀出的原理實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)導(dǎo)電的微觀機(jī)理，電子在導(dǎo)電時(shí)并不是沿電場(chǎng)直線前進(jìn)，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(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向，總的運(yùn)動(dòng)是電場(chǎng)對(duì)電子的定向加速與這種無(wú)規(guī)散射運(yùn)動(dòng)的疊加。稱電子在兩次散射之間走過(guò)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(zhǎng)，電阻率低。電阻定律R=l/S中，把電阻率視為常數(shù)，與材料的幾何尺度無(wú)關(guān)，這是因?yàn)橥ǔ２牧系膸缀纬叨冗h(yuǎn)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(jí)，只有幾個(gè)原子的厚度時(shí)（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(chǎng)兩種可能取向。早在1936年，英國(guó)物理學(xué)家，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者N.F.Mott指出，在過(guò)渡金屬中，自旋磁矩與材料的磁場(chǎng)方向平行的電子，所受散射幾率遠(yuǎn)小于自旋磁矩與材料的磁場(chǎng)方向反平行的電子。總電流是兩類自旋電流之和;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(wú)外磁場(chǎng)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(chǎng)后，兩層鐵磁膜的方向都與外磁場(chǎng)方向一致，外磁場(chǎng)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(jiàn)，隨著外磁場(chǎng)增大，電阻逐漸減小，其間有一段線性區(qū)域。當(dāng)外磁場(chǎng)已使兩鐵磁膜完全平行耦合后，繼續(xù)加大磁場(chǎng)，電阻不再減小，進(jìn)入磁飽和區(qū)域。磁阻變化率ΔR/R達(dá)百分之十幾，加反向磁場(chǎng)時(shí)磁阻特性是對(duì)稱的。注意到圖2中的曲線有兩條，分別對(duì)應(yīng)增大磁場(chǎng)和減小磁場(chǎng)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(duì)巨磁電阻效應(yīng)有貢獻(xiàn)。其一，界面上的散射。無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，上下兩層鐵磁膜的磁場(chǎng)方向相反，無(wú)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－反平行，或反平行－平行），電子在界面上的散射幾率很大，對(duì)應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場(chǎng)時(shí)，上下兩層鐵磁膜的磁場(chǎng)方向一致，電子在界面上的散射幾率很小，對(duì)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(wú)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(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，上下兩層鐵磁膜的磁場(chǎng)方向相反，無(wú)論電子的初始自旋狀態(tài)如何，在穿行過(guò)程中都會(huì)經(jīng)歷散射幾率小（平行）和散射幾率大（反平行）兩種過(guò)程，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個(gè)中等阻值的電阻的并聯(lián)，對(duì)應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場(chǎng)時(shí)，上下兩層鐵磁膜的磁場(chǎng)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(duì)應(yīng)于低電阻狀態(tài)。多層膜GMR結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，磁阻隨外磁場(chǎng)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(jìn)一步提高靈敏度，發(fā)展了自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR。如圖4所示。自旋閥結(jié)構(gòu)的SV-GMR(SpinvalveGMR)由釘扎層，被釘扎層，中間導(dǎo)電層和自由層構(gòu)成。其中，釘扎層使用反鐵磁材料，被釘扎層使用硬鐵磁材料，鐵磁和反鐵磁材料在交換耦合作用下形成一個(gè)偏轉(zhuǎn)場(chǎng)，此偏轉(zhuǎn)場(chǎng)將被釘扎層的磁化方向固定，不隨外磁場(chǎng)改變。自由層使用軟鐵磁材料，它的磁化方向易于隨外磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，很弱的外磁場(chǎng)就會(huì)改變自由層與被釘扎層磁場(chǎng)的相對(duì)取向，對(duì)應(yīng)于很高的靈敏度。制造時(shí)，使自由層的初始磁化方向與被釘扎層垂直，磁記錄材料的磁化方向與被釘扎層的方向相同或相反（對(duì)應(yīng)于0或1），當(dāng)感應(yīng)到磁記錄材料的磁場(chǎng)時(shí)，自由層的磁化方向就向與被釘扎層磁化方向相同（低電阻）或相反（高電阻）的方向偏轉(zhuǎn)，檢測(cè)出電阻的變化，就可確定記錄材料所記錄的信息，硬盤(pán)所用的GMR磁頭就采用這種結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀區(qū)域1區(qū)域2區(qū)域3圖5巨磁阻實(shí)驗(yàn)儀操作面板圖5所示為巨磁阻實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀前面板圖。區(qū)域1——電流表部分：做為一個(gè)獨(dú)立的電流表使用。兩個(gè)檔位：2A檔和200mA檔，可通過(guò)電流量程切換開(kāi)關(guān)選擇合適的電流檔位測(cè)量電流。區(qū)域2——電壓表部分：做為一個(gè)獨(dú)立的電壓表使用。兩個(gè)檔位：20V檔和200mV檔，可通過(guò)電壓量程切換開(kāi)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(shí)驗(yàn)儀還提供GMR傳感器工作所需的4V電源和電路工作所需的電源。為真空中的磁導(dǎo)率。采用國(guó)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）?；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(duì)GMR的磁電轉(zhuǎn)換特性，磁阻特性進(jìn)行測(cè)量。GMR傳感器置于螺線管的中央。螺線管用于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生大小可計(jì)算的磁場(chǎng)，由理論分析可知，無(wú)限長(zhǎng)直螺線管內(nèi)部軸線上任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B=μ0nI（1）式中n為線圈密度，I為流經(jīng)線圈的電流強(qiáng)度，電流測(cè)量組件圖7電流測(cè)量組件電流測(cè)量組件將導(dǎo)線置于GMR模擬傳感器近旁，用GMR傳感器測(cè)量導(dǎo)線通過(guò)不同大小電流時(shí)導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)變化，就可確定電流大小。與一般測(cè)量電流需將電流表接入電路相比，這種非接觸測(cè)量不干擾原電路的工作，具有特殊的優(yōu)點(diǎn)。角位移測(cè)量組件圖8角位移測(cè)量組件角位移測(cè)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(dòng)時(shí)，齒牙干擾了梯度傳感器上偏置磁場(chǎng)的分布，使梯度傳感器輸出發(fā)生變化，每轉(zhuǎn)過(guò)一齒，就輸出類似正弦波一個(gè)周期的波形。利用該原理可以測(cè)量角位移（轉(zhuǎn)速，速度）。汽車上的轉(zhuǎn)速與速度測(cè)量?jī)x就是利用該原理制成的。磁讀寫(xiě)組件圖9磁讀寫(xiě)組件磁讀寫(xiě)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(guò)寫(xiě)磁頭時(shí)可寫(xiě)入數(shù)據(jù)，通過(guò)讀磁頭時(shí)將寫(xiě)入的數(shù)據(jù)讀出來(lái)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟一、GMR磁阻特性測(cè)量提供了兩種巨磁阻樣品供測(cè)試，比較。巨磁阻樣品1是由高靈敏度的巨磁阻材料構(gòu)成的，由圖3可見(jiàn)，一般的巨磁阻材料要在幾百高斯的磁場(chǎng)強(qiáng)度下才出現(xiàn)磁飽和，而高靈敏度巨磁阻材料的磁阻曲線斜率要大得多，在幾十高斯的外磁場(chǎng)強(qiáng)度下就已飽和。測(cè)試結(jié)果表明，這種材料的線性不如圖3所示材料，一般不能用它制造對(duì)線性度要求高的模擬傳感器，可用它制造高靈敏度的梯度傳感器。巨磁阻樣品2是制造模擬傳感器的巨磁阻材料，在制作模擬傳感器時(shí)將磁阻材料放在了磁通聚集器的磁聚集區(qū)中（見(jiàn)圖10及相應(yīng)敘述），測(cè)試結(jié)果表明，采用這種結(jié)構(gòu)，既保證了線性，而且磁阻材料對(duì)外磁場(chǎng)的靈敏度比不用磁通聚集器的高靈敏度磁阻材料構(gòu)成的巨磁阻樣品1還高，說(shuō)明在制造實(shí)用的器件時(shí)，材料的選擇與結(jié)構(gòu)的巧妙都是十分重要的。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(chǎng)中，功能切換按鈕切換為“巨磁阻測(cè)量”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”。按表1數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，逐漸減小磁場(chǎng)強(qiáng)度，記錄相應(yīng)的磁阻電流于表格“減小磁場(chǎng)”列中。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)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－300mA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(chǎng)”列中。對(duì)巨磁阻樣品2，可按同樣的方法與類似的表格進(jìn)行測(cè)量與記錄，由于樣品2對(duì)外磁場(chǎng)的靈敏度更高，電流變化范圍只需100mA，每次電流的變化量取表1的1/3。根據(jù)螺線管上標(biāo)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作橫座標(biāo)，磁阻為縱座標(biāo)作出磁阻特性曲線。不同外磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)磁阻的變化反映了GMR的磁阻特性，曲線的斜率表明磁靈敏度，同一外磁場(chǎng)強(qiáng)度下增加電流與減小電流時(shí)磁阻的差值反映了材料的磁滯特性。二、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測(cè)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(duì)輸出的影響，一般采用橋式結(jié)構(gòu)，圖10是某型號(hào)傳感器的結(jié)構(gòu)。對(duì)于電橋結(jié)構(gòu)，如果4個(gè)GMR電阻對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)完全同步，就不會(huì)有信號(hào)輸出。圖10中，將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€(gè)電阻R3、R4覆蓋一層高導(dǎo)磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁場(chǎng)對(duì)它們的影響，而R1、R2阻值隨外磁場(chǎng)改變。設(shè)無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)4個(gè)GMR電阻的阻值均為R，R1、R2在外磁場(chǎng)作用下電阻減小ΔR，簡(jiǎn)單分析表明，輸出電壓：UOUT=UINΔR/（2R-ΔR）（2）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R1、R2電阻所在的空間,提高了R1、R2的磁靈敏度。從圖10的幾何結(jié)構(gòu)還可見(jiàn)，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kΩ數(shù)量級(jí)，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。圖11是某GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。圖中的兩條曲線分別對(duì)應(yīng)增加磁場(chǎng)和減小磁場(chǎng)時(shí)的磁電轉(zhuǎn)換特性。提供了兩種模擬傳感器供測(cè)試，比較。模擬傳感器1的磁電轉(zhuǎn)換特性與圖11相當(dāng)。磁性材料的磁滯特性使磁電轉(zhuǎn)換特性有兩條曲線，增加磁場(chǎng)和減小磁場(chǎng)時(shí)的輸出是不同的，這給某些應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)不便。模擬傳感器2是用低磁滯材料制成的傳感器。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(chǎng)中，功能切換按鈕切換為“傳感器測(cè)量”。實(shí)驗(yàn)儀的5伏電壓源接至基本特性組件“試件供電”，恒流源接至“螺線管電流輸入”，基本特性組件“模擬信號(hào)輸出”接至實(shí)驗(yàn)儀電壓表。將GMR模擬傳感器置于螺線管磁場(chǎng)中，功能切換按鈕切換為“傳感器測(cè)量”。實(shí)驗(yàn)儀的4伏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(hào)輸出”接至實(shí)驗(yàn)儀電壓表。按表2數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，逐漸減小磁場(chǎng)強(qiáng)度，記錄相應(yīng)的輸出電壓于表格“減小磁場(chǎng)”列中。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)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接線的極性。從下到上記錄數(shù)據(jù)于“增大磁場(chǎng)”列中。用同樣的方法和同樣的表格對(duì)模擬傳感器2進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)螺線管上標(biāo)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作橫座標(biāo)，電壓表的讀數(shù)為縱座標(biāo)作出磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。不同外磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度下輸出電壓的差值反映了材料的磁滯特性。GMR開(kāi)關(guān)（數(shù)字）傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測(cè)量將GMR模擬傳感器與比較電路，晶體管放大電路集成在一起，就構(gòu)成GMR開(kāi)關(guān)（數(shù)字）傳感器，結(jié)構(gòu)如圖12所示。比較電路的功能是，當(dāng)電橋電壓低于比較電壓時(shí)，輸出低電平。當(dāng)電橋電壓高于比較電壓時(shí)，輸出高電平。選擇適當(dāng)?shù)腉MR電橋并結(jié)合調(diào)節(jié)比較電壓，可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)傳感器開(kāi)關(guān)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。圖13是某種GMR開(kāi)關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的絕對(duì)值從低增加到12高斯時(shí)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)（輸出高電平），當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的絕對(duì)值從高減小到10高斯時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉（輸出低電平）。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(chǎng)中，功能切換按鈕切換為“傳感器測(cè)量”。實(shí)驗(yàn)儀的4伏電壓源接至基本特性組件“巨磁電阻供電”，“電路供電”接口接至基本特性組件對(duì)應(yīng)的“電路供電”輸入插孔，恒流源接至“螺線管電流輸入”，基本特性組件“開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出”接至實(shí)驗(yàn)儀電壓表。從50mA逐漸減小勵(lì)磁電流，輸出電壓從高電平（開(kāi)）轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑P(guān)）時(shí)記錄相應(yīng)的勵(lì)磁電流于表3“減小磁場(chǎng)”列中。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(shí)流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)樨?fù)，輸出電壓從低電平（關(guān)）轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑ㄩ_(kāi)）時(shí)記錄相應(yīng)的負(fù)值勵(lì)磁電流于表3“減小磁場(chǎng)”列中。將電流調(diào)至－50mA。逐漸減小負(fù)向電流，輸出電壓從高電平（開(kāi)）轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑P(guān)）時(shí)記錄相應(yīng)的負(fù)值勵(lì)磁電流于表3“增大磁場(chǎng)”列中，電流到0時(shí)同樣需要交換恒流輸出接線的極性。輸出電壓從低電平（關(guān)）轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑ㄩ_(kāi)）時(shí)記錄相應(yīng)的正值勵(lì)磁電流于表3“增大磁場(chǎng)”列中。表3GMR開(kāi)關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測(cè)量高電平＝V低電平＝V減小磁場(chǎng)增大磁場(chǎng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯開(kāi)關(guān)動(dòng)作勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯關(guān)關(guān)開(kāi)開(kāi)根據(jù)螺線管上標(biāo)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作橫座標(biāo)，電壓讀數(shù)為縱座標(biāo)作出開(kāi)關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。利用GMR開(kāi)關(guān)傳感器的開(kāi)關(guān)特性已制成各種接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)磁性物體（可在非磁性物體上貼上磁條）接近傳感器時(shí)就會(huì)輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)及汽車，家電等日常生活用品中，控制精度高，惡劣環(huán)境（如高低溫，振動(dòng)等）下仍能正常工作。四、用GMR模擬傳感器測(cè)量電流從圖11可見(jiàn)，GMR模擬傳感器在一定的范圍內(nèi)輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)計(jì)，測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度或其它與磁場(chǎng)相關(guān)的物理量。作為應(yīng)用示例，我們用它來(lái)測(cè)量電流。由理論分析可知，通有電流I的無(wú)限長(zhǎng)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=μ0I/2πr=2I×10-7/r（3）磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流成正比，在r已知的條件下，測(cè)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(cè)量精度，還常常預(yù)先給傳感器施加一固定已知磁場(chǎng)，稱為磁偏置，其原理類似于電子電路中的直流偏置。圖14模擬傳感器測(cè)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(cè)量組件實(shí)驗(yàn)儀的4伏電壓源接至電流測(cè)量組件“巨磁電阻供電”，恒流源接至“待測(cè)電流輸入”，電流測(cè)量組件“信號(hào)輸出”接至實(shí)驗(yàn)儀電壓表。將待測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)電流方向?yàn)檎?，記錄相?yīng)的輸出電壓。將待測(cè)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(shí)同樣的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量適當(dāng)磁偏置時(shí)待測(cè)電流與輸出電壓的關(guān)系。表4用GMR模擬傳感器測(cè)量電流

待測(cè)電流/mA3002001000－100－200－300輸出電壓/mV低磁偏置(約25mV)減小電流增加電流適當(dāng)磁偏置(約150mV)減小電流增加電流以電流讀數(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(cè)量數(shù)據(jù)及所作圖形可以看出，適當(dāng)磁偏置時(shí)線性較好，斜率（靈敏度）較高。由于待測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)遠(yuǎn)小于偏置磁場(chǎng)，磁滯對(duì)測(cè)量的影響也較小，根據(jù)輸出電壓的大小就可確定待測(cè)電流的大小。用GMR傳感器測(cè)量電流不用將測(cè)量?jī)x器接入電路，不會(huì)對(duì)電路工作產(chǎn)生干擾，既可測(cè)量直流，也可測(cè)量交流，具有廣闊的應(yīng)用前景。五、GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用將GMR電橋兩對(duì)對(duì)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，如圖15所示。 這種傳感器若置于均勻磁場(chǎng)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(chǎng)存在一定的梯度，各GMR電阻感受到的磁場(chǎng)不同，磁阻變化不一樣，就會(huì)有信號(hào)輸出。圖16以檢測(cè)齒輪的角位移為例，說(shuō)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(chǎng)在相對(duì)于齒牙不同位置時(shí)，產(chǎn)生不同的梯度磁場(chǎng)。a位置時(shí)，輸出為零。b位置時(shí)，R1、R2感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于R3、R4，輸出正電壓。c位置時(shí)，輸出回歸零。d位置時(shí)，R1、R2感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度小于R3、R4，輸出負(fù)電壓。于是,在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒牙便產(chǎn)生一個(gè)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(shí)驗(yàn)裝置：巨磁阻實(shí)驗(yàn)儀、角位移測(cè)量組件。將實(shí)驗(yàn)儀4V電壓源接角位移測(cè)量組件“巨磁電阻供電”，角位移測(cè)量組件“信號(hào)輸出”接實(shí)驗(yàn)儀電壓表。逆時(shí)針慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，當(dāng)輸出電壓為零時(shí)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)。轉(zhuǎn)動(dòng)48度齒輪轉(zhuǎn)過(guò)2齒，輸出電壓變化2個(gè)周期。表5齒輪角位移的測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度/度輸