磁阻效應-課件

磁阻效應-課件第1頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月一、概述（一）、磁阻概念：材料的電阻會因外加磁場而增加或減少，電阻的變化量稱為磁阻(Magnetoresistan-ce)。物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應。磁阻效應是1857年由英國物理學家威廉·湯姆森發(fā)現(xiàn)的。它在金屬中可以忽略，在半導體中則可能由小到中等。從一般磁阻開始，磁阻發(fā)展經(jīng)歷了巨磁阻（GMR）、龐磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直沖磁阻（BMR）和異常磁阻（EMR）。第2頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、磁阻應用：目前，磁阻效應廣泛用于磁傳感、磁力計、電子羅盤、位置和角度傳感器、車輛探測、GPS導航、儀器儀表、磁存儲(磁卡、硬盤)等領域。磁阻器件的特點：靈敏度高、抗干擾能力強。在眾多的磁阻器件中，銻化銦（InSb）傳感器最為典型，它是一種價格低廉、靈敏度高的磁阻器件，在生產(chǎn)生活應用廣泛。第3頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、磁阻分類：若外加磁場與外加電場垂直，稱為橫向磁阻效應；若外加磁場與外加電場平行，稱為縱向磁阻效應。一般情況下，縱向磁感強度不引起載流子偏移，因此一般不考慮縱向磁阻效應。

2007年諾貝爾物理學獎授予來自法國國家科學研究中心的物理學家艾爾伯·費爾和來自德國尤利希研究中心的物理學家皮特·克魯伯格，以表彰他們發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應的貢獻。第4頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月*巨磁阻效應（附加材料）所謂巨磁阻效應，是指磁性材料的電阻率在有無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學效應，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大。上下兩層為鐵磁材料，中間夾層是非鐵磁材料。巨磁阻效應自從被發(fā)現(xiàn)以來就被用于開發(fā)研制硬磁盤的數(shù)據(jù)讀出頭（ReadHead）。這使得存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減小，從而使得磁盤的存儲能力得到大幅度的提高。第一個商業(yè)化數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場的，到目前為止，巨磁阻技術已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機、MP3播放器的標準技術。第5頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月二、實驗目的1、了解磁阻效應的基本原理及測量磁阻效應的方法。2、測量銻化銦傳感器的電阻與磁感應強度的關系。3、學習用磁阻傳感器測量磁場的方法。第6頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月三、實驗原理如圖1所示，當導電體處于磁場中時（電流方向與磁場方向垂直），導電體內(nèi)的載流子將在洛侖茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩端產(chǎn)生積聚電荷并產(chǎn)生霍爾電場。如果霍爾電場作用和某一速度的載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，則小于此速度的電子將沿霍爾電場作用的方向偏轉(zhuǎn)，而大于此速度的電子則沿相反方向偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場方向運動的載流子數(shù)量將減少，即沿電場方向的電流密度減小，電阻增大，也就是由于磁場的存在，增加了電阻，此現(xiàn)象稱為磁阻效應。如果將圖1中UH短路，磁阻效應更明顯。第7頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月電子受力分析：重力（豎直向下）、電場力1（外加電壓產(chǎn)生）、電場力2（霍爾效應產(chǎn)生）、洛倫茨力（帶電粒子在磁場中運動產(chǎn)生，左手法則）。左手法則：伸出左手，四指并攏，大拇指與四指指向垂直，讓磁感應線穿過手心，四指指向電流方向，大拇指所指方向為受力方向。

第8頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月通常以電阻率的相對改變量來表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ(0)表示。其中ρ(0)為零磁場時的電阻率，ρ(B)為在磁場強度為B時的電阻率，則Δρ=ρ(B)

－ρ(0)

。由于磁阻傳感器電阻的相對變化率ΔR/R(0)

正比于Δρ/ρ(0)

，這里ΔR=R(B)－R(0)

，R(0)

、R(B)分別為磁場強度為0和B下磁阻傳感器的電阻阻值。因此也可以用磁阻傳感器電阻的相對改變量ΔR/R(0)來表示磁阻效應的大小。

測量磁電阻電阻值R與磁感應強度B的關系實驗裝置及線路如圖2所示。

第9頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

盡管不同的磁阻裝置有不同的靈敏度，但其電阻的相對變化率ΔR/R(0)與外磁場的關系都是相似的。實驗證明，磁阻效應對外加磁場的極性不靈敏，就是同強度正負磁場的磁阻效應相同。一般情況下外加磁場較弱時，電阻相對變化率ΔR/R(0)正比于磁場強度B的二次方；隨磁場強度的加強，ΔR/R(0)與磁場強度B呈線性函數(shù)關系；當外加磁場超過特定值時，ΔR/R(0)與磁場強度B的響應會趨于飽和。另外，ΔR/R(0)對總磁場的方向很靈敏，總磁場為外磁場與內(nèi)磁場之和，而內(nèi)磁場與磁阻薄膜的性質(zhì)和幾何形狀有關。

第11頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月四、實驗儀器介紹實驗采用DH4510磁阻效應綜合實驗儀，研究銻化銦（InSb）磁阻傳感器的磁阻特性，DH4510磁阻效應綜合實驗儀由信號源和測試架兩部分組成。圖3為該儀器示意圖。圖4為該儀器線路連接圖。第12頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月五、實驗內(nèi)容

1、在銻化銦磁阻傳感器工作電流保持不變的條件下，測量銻化銦磁阻傳感器的電阻與磁感應強度的關系。作ΔR/R(0)與B的關系曲線，并進行曲線擬合。

2、用磁阻傳感器測量一個未知的磁場強度，與毫特計測得的磁場強度相比較，估算測量誤差。

第15頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月六、實驗操作步驟儀器開機前須將IM調(diào)節(jié)電位器、Is電流調(diào)節(jié)電位器逆時針方向旋到底。1、信號源的“IM直流源”端用導線接至測試架的“勵磁電流”輸入端，紅導線與紅接線柱相連，黑導線與黑接線柱相連。調(diào)節(jié)“IM電流調(diào)節(jié)”電位器可改變輸入勵磁線圈電流的大小，從而改變電磁鐵間隙中磁感應強度的大小。2、將實驗儀信號源背部的插座通過專用的連接線接至測試架的控制輸入端，這是一路提供繼電器工作的12V直流控制電源，作為繼電器的控制電壓。3、信號源上“Is直流恒流源”輸出用導線接至工作電流切換繼電器K1接線柱的中間兩端，紅導線與紅接線柱相連，黑導線與黑接線柱相連。第16頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月4、信號源的“信號輸入”兩端用導線接至輸出信號切換繼電器K2接線柱的中間兩端，紅導線與紅接線柱相連，黑導線與黑接線柱相連。5、將繼電器K1接線柱的下面兩端與繼電器K2接線柱的下面兩端相連，紅導線與紅接線柱相連，黑導線與黑接線柱相連。6、將銻化銦（InSb）磁阻傳感器（藍、綠引出線）的兩端與工作電流切換繼電器K1接線柱的下面兩端相連，紅的香蕉插接紅接線柱，黑的香蕉插接黑接線柱。即藍引出線接至紅接線柱，綠引出線接至黑接線柱。7、砷化鎵（GaAs）霍爾傳感器的的四引出線按線的長短已分成兩組，紅、灰為一組（為工作電流輸入端），橙、黃為一組（為霍爾電壓輸出端），紅、灰這一組線接至工作電流切換繼電器K1接線柱的上面兩端，橙、黃這一組線接至輸出信號切換繼電器K2接線柱的上面兩端。紅的香蕉插接紅接線柱，黑的香蕉插接黑接線柱。

第17頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月8、確認接線正確完成后，接通電源，將信號源上左邊的“信號選擇”切換開關處于彈起狀態(tài)，此時勵磁信號為直流信號；將信號源右邊的“信號選擇”切換開關處于按下狀態(tài)，測試架的切換開關也處于按下狀態(tài)，這時將測試架上取出的霍爾電壓信號輸入到信號源，經(jīng)內(nèi)部處理轉(zhuǎn)換成磁場強度由表頭顯示。9、調(diào)節(jié)Is調(diào)節(jié)電位器讓Is表頭顯示為1.00mA，然后調(diào)節(jié)IM，使磁場強度顯示為0.xmT，記下勵磁電流值的大小。10、彈起信號源右邊的切換開關和測試架上的切換開關，測量并記錄該磁場強度下對應的磁阻電壓。注意：這時的Is表頭顯示應為1.00mA。11、將測試架上及信號源右邊的切換開關按下，再調(diào)節(jié)IM調(diào)節(jié)電位器，使磁場強度顯示為20mT，記下該磁場強度及對應的勵磁電流值。測量并記錄該磁場強度下對應的磁阻電壓。

第18頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月12、重復以上10～11步驟，測量出磁場強度大小分別為0，20，40，60，80，100，150，200，250，300，350，400，450，500mT，分別記錄電磁鐵的勵磁電流IM/mA和InSb兩端的電壓UR/mV

。13、在B>0.12T時對ΔR/R(0)作曲線擬合，求出R與B的關系。14、調(diào)節(jié)IM電流，使電磁鐵產(chǎn)生一個未知的磁場強度。測量磁阻傳感器的磁阻電壓，根據(jù)求得的ΔR/R(0)與B的關系曲線，求得磁場強度。15、用儀器所配的毫特計測量該磁場強度，將測得的磁場強度作為準確值與磁阻傳感器測得的磁場強度值相比較，估算測量誤差。

第19頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月七、實驗數(shù)據(jù)記錄作出ΔR/R與B關系曲線數(shù)據(jù)表:

第20頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)節(jié)IM電流，使電磁鐵產(chǎn)生一個未知的磁場強度。測量磁阻傳感器的磁阻電壓，根據(jù)求得的ΔR/R(0)與B的關系曲線，求得磁場強度。用儀器所配的毫特計測量該磁場強度，將測得的磁場強度作為準確值與磁阻傳感器測得的磁場強度值相比較，估算測量誤差。第21頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題：1、磁阻效應是怎樣產(chǎn)生的？磁阻效應和霍爾效應有何內(nèi)部聯(lián)系？2、實驗時為何要保持霍爾工作電流和流過磁阻元件的電流不變？3、不同的磁場強度時，磁阻傳感器的電阻值與磁感應強度關系有何變化？4、磁阻傳感器的電阻值與磁場的極性和方向有何關系？5、你能解釋在低頻交流磁場激勵下，勵磁信號和磁阻傳感器輸出信號構(gòu)成的李薩如圖形如“蝴蝶”的原因嗎？

第22頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)據(jù)處理示例：第23頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)表1數(shù)據(jù)畫圖：第24頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月對B>0.12T的8組數(shù)據(jù)用最小二乘法處理：第25頁，課件共27頁，創(chuàng)作