巨磁電阻效應(yīng)及應(yīng)用實驗報告

成績成績評定教師簽名嘉應(yīng)學(xué)院物理系大學(xué)物理學(xué)生試驗報告試驗工程：試驗地點：班級：姓名：座號：試驗時間： 年 月 物理與光信息科技學(xué)院編制 試驗預(yù)習(xí)局部 一、試驗?zāi)康模?GMR效應(yīng)的原理2GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線3GMR的磁阻特性曲線4GMR開關(guān)〔數(shù)字〕傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線5GMR傳感器測量電流6GMR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7二、試驗儀器設(shè)備：巨磁電阻試驗儀123圖5巨磁阻試驗儀操作面板5所示為巨磁阻試驗儀系統(tǒng)的試驗儀前面板圖。區(qū)域1——電流表局部：做為一個獨立的電流表使用。兩個檔位：2mA200mA檔，可通過電流量程切換開關(guān)選擇適宜的電流檔位測量電流。2——電壓表局部：做為一個獨立的電壓表使用。兩個檔位：2V200mV檔，可通過電壓量程切換開關(guān)選擇適宜的電壓檔位。區(qū)域3——恒流源局部：可變恒流源。試驗儀還供給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。根本特性組件圖6根本特性組件根本特性組件由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，磁阻特性進展測量。GMR傳感器置于螺線管的中心。螺線管用于在試驗過程中產(chǎn)生大小可計算的磁場，由理論分析可知，無限長直螺線管內(nèi)部軸線上任一點的磁感應(yīng)強度為：B=nI 〔〕nI0

4107H/m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)線四周的磁場變化，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，具有特別的優(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，使梯度傳感器輸動身生變化，每轉(zhuǎn)過一齒，就輸出類似正弦波一個周期的〔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磁讀寫組件通過讀磁頭時將寫入的數(shù)據(jù)讀出來。試驗內(nèi)容與步驟一、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量在將GMRR2R2R1輸入＋輸出－輸出＋R3R4磁通聚攏器輸入－a幾何構(gòu)造b電路連接圖10 GMR模擬傳感器構(gòu)造圖對于電橋構(gòu)造，假設(shè)4個GMR電阻對磁場的響應(yīng)完全同步，就不會有信號輸出。圖10中，將處輸出/V磁感應(yīng)強度/高斯－輸出/V磁感應(yīng)強度/高斯－30－20－1001020303 4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RR阻值隨外磁場轉(zhuǎn)變。設(shè)無1 2外磁場時4個GMR電阻的阻值均為R，RR在外1 2磁場作用下電阻減小ΔR，簡潔分析說明，輸出電壓：U=UΔR/〔2R-ΔR〕 〔2〕OUT IN屏蔽層同時設(shè)計為磁通聚攏器，它的高導(dǎo)磁率將磁力線聚攏在RR,進1 2一步提高了RR的磁靈敏度。1 2從圖10的幾何構(gòu)造還可見，巨磁電阻被光圖11 GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性刻成微米寬度迂回狀的電阻條增大其電阻至kΩ數(shù)量級使其在較小工作電流下得到適宜的電壓輸出。圖11是某GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。圖12是磁電轉(zhuǎn)換特性的測量原理圖。12模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性試驗原理圖三、試驗原理：依據(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轉(zhuǎn)變運動方向，總的運動是電場對電子的定向加速與這則平均自由程長，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關(guān)，這是由于通常材料的幾何尺度遠大于電子的平均自由程〔34nm〕，可以無視邊界效應(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〕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N.F.Mott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，所受散射幾率遠小于自旋磁矩與材料的磁場方向反平行的電子。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所示的多層膜構(gòu)造中，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全都，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\電阻\歐姆/高斯頂層鐵磁膜中間導(dǎo)電層頂層鐵磁膜中間導(dǎo)電層底層鐵磁膜無外磁場時底層磁場方向圖2多層膜GMR構(gòu)造圖 圖3 某種GMR材料的磁阻特性圖3是圖2構(gòu)造的某種GMR小，進入磁飽和區(qū)域。磁阻變化率ΔR/R達百分之十幾，加反向磁場時磁阻特性是對稱的。留意到圖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，這是由于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)有奉獻。〔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全都，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，電子也有確定的幾初始自旋狀態(tài)如何，在穿行過程中都會經(jīng)受散射幾率小〔平行〕和散射幾率大〔反平行〕兩阻狀態(tài)。多層膜GMR構(gòu)造簡潔，工作牢靠，磁阻隨外磁場線性變化的范圍大，在制作模擬傳感器GMR。如圖4所示。自由層中間導(dǎo)電層被釘扎層釘扎層自旋閥構(gòu)造的SV-GMR(SpinvalveGMR自由層中間導(dǎo)電層被釘扎層釘扎層很弱的外磁場就會轉(zhuǎn)變自由層與被釘扎層磁場的相對取向，對應(yīng)于很高的靈敏度。制造時，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一樣或相反〔對應(yīng)于0或1〕，當(dāng)感應(yīng)到磁記錄材料的磁場時，自由層的磁化方向就向與被釘扎層磁化方向一樣〔低電阻〕或相反〔高電阻〕的方向偏轉(zhuǎn)，檢測出電阻的變化，就可確定記錄材料所記錄的信息， 圖4自旋閥SV-GMR構(gòu)造圖硬盤所用的GMR磁頭就承受這種構(gòu)造。 試驗預(yù)習(xí)局部 四、試驗步驟：1.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”。試驗儀的4伏電壓源接至根本特性組件“巨磁電阻供電”，恒流源接至“螺線管電流輸入”，根本特性組件“模擬信號輸出”接至試驗儀電壓表。按表1數(shù)據(jù)，調(diào)整勵磁電流，漸漸減小磁場強度，記錄相應(yīng)的輸出電壓于表格“減小磁0后，交換恒流輸出接線的極性，10錄相應(yīng)的輸出電壓。電流至－100mA后，漸漸減小負向電流，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。理論上講，外磁場為零時，GMR個橋這一現(xiàn)象。表1GMR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/高斯磁感應(yīng)強度/高斯輸出電壓/mV10090807060504030201050－5－10－20－30－40－50－60－70－80－90－100磁感應(yīng)強度/高斯減小磁場增大磁場依據(jù)螺線管上標(biāo)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。二、GMR磁阻特性測量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展測量。將根本特R,R被短路，3 4而R,R1 2測量原理如圖13所示。試驗裝置：巨磁阻試驗儀，根本特性組件。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”試驗儀的4按表2數(shù)據(jù)，調(diào)整

13磁阻特性測量原理圖

勵磁電流，漸漸減小磁場強度，記錄相應(yīng)的 磁阻電流于表格“減小磁場”列中。由于恒流源本身不能供給負向電流，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－100mA后，漸漸減小負向電流，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。表2GMR磁阻特性的測量 磁阻兩端電壓4V磁感應(yīng)強度/高斯磁感應(yīng)強度/高斯磁阻/Ω減小磁場增大磁場10090807060504030201050－5－10－20－30－40－50－60－70－80－90－100磁感應(yīng)強度/高斯磁阻電流/mA磁阻/Ω磁阻電流/mA磁阻/Ω依據(jù)螺線管上標(biāo)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。由歐姆定律R=U/I計算磁阻。以磁感應(yīng)強度B作橫座標(biāo)，磁阻為縱座標(biāo)作出磁阻特性曲線。應(yīng)當(dāng)留意，由于模擬傳感器的兩個磁阻是位于磁通聚攏器中，與圖3相比，我們作出的磁阻曲線斜率大了約10倍，磁通聚攏器構(gòu)造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，同一外磁場強度下磁阻的差值反映了材料的磁滯特性。三、GMR開關(guān)〔數(shù)字〕傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量將GMRGMR開關(guān)〔數(shù)字傳感器，構(gòu)造如圖14所示。輸出電壓/V輸出GMR電橋開輸出電壓/V輸出GMR電橋開關(guān)關(guān) 開比較電路－20 －10010磁場強度/高斯20 30圖14 GMR開關(guān)傳感器構(gòu)造圖 圖15 GMR開關(guān)傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性圖15是某種GMR開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。當(dāng)磁場強度確實定值從低增加到12高斯時，開關(guān)翻開〔輸出高電平〕，10高斯時，開關(guān)關(guān)閉〔輸出低電平〕。試驗裝置：巨磁阻試驗儀，根本特性組件。將GMR4“電路供電”輸入插孔，恒流源接至“螺線管電流輸入”，根本特性組件“開關(guān)信號輸出”接至試驗儀電壓表。從50mA漸漸減小勵磁電流，輸出電壓從高電平〔開〕轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖健碴P(guān)〕時記錄相應(yīng)的勵磁電流于表30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，輸出電壓從低電平〔關(guān)〕〔開時記錄相應(yīng)的負值勵磁電流于表350mA。漸漸減小負向電流，輸出電壓從高電平〔開〕轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖健碴P(guān)〕時記錄相應(yīng)的負值勵磁電流于表3“增大磁場”列中，電流到0時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)楦唠娖健查_〕時記錄相應(yīng)的正值勵磁電流于表3“增大磁場”列中。表3GMR開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量 高電平＝ V 低電平＝ V關(guān)開減小磁場勵磁電流/mA 磁感應(yīng)強度/高斯關(guān)開增大磁場勵磁電流/mA 磁感應(yīng)強度/高斯依據(jù)螺線管上標(biāo)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作橫座標(biāo)，電壓讀數(shù)為縱座標(biāo)作出開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。利用GMR開關(guān)傳感器的開關(guān)特性已制成各種接近開關(guān)，當(dāng)磁性物體〔可在非磁性物體上貼上磁條用品中，把握精度高，惡劣環(huán)境〔如凹凸溫，振動等〕下仍能正常工作。四、用GMR模擬傳感器測量電流從圖11可見，GMR模擬傳感器在確定的范圍內(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，可以便利的將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。作為應(yīng)用例如，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：0B=μI/2πr=2I×10-7/r 磁場強度與電流成正比，在r的條件下，測得B，就可知I。0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磁場，稱為磁偏置，其原理類似于電子電路中的直流偏置。圖16模擬傳感器測量電流試驗原理圖試驗裝置：巨磁阻試驗儀，電流測量組件試驗儀的4電流測量組件“信號輸出”接至試驗儀電壓表。將待測電流調(diào)整至0。將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到遠離GMR傳感器，調(diào)整磁鐵與傳感器的距離，使輸出約25mV。將電流增大到300mA，按表4格“減小電流”行中。由于恒流源本身不能供給負向電流，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。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)整至0。待測電流/mA3002001000－100 －200 －300待測電流/mA3002001000－100 －200 －300輸出電壓/mV低磁偏置(約25mV)適當(dāng)磁偏置(約150mV)減小電流表3用GMR模擬傳感器測量電流以電流讀數(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，也可測量溝通，具有寬闊的應(yīng)用前景。五、GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用輸出－輸出＋將GMR輸出－輸出＋17GMR梯度傳感器構(gòu)造圖abcd這種傳感器假設(shè)置于均勻磁場中，由于4個橋臂電阻阻值變化一樣，電橋輸出為零。假設(shè)磁場存在確定的梯度，各GMR電阻感受到的磁場不同，abcd將永磁體放置于傳感器上方，假設(shè)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a位置時，輸出b位置時，RR感受到的磁場強度大于R1 2 3R，輸出正電壓。c位置時，輸出回歸零。d位置4時，RR感受到的磁場強度小于RR1 2 3 4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。試驗裝置：巨磁阻試驗儀、角位移測量組件。

18GMR梯度傳感器檢測齒輪位移將試驗儀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”接試驗儀電壓表。逆時針漸漸轉(zhuǎn)動齒