巨磁电阻效应及其应用 实验报告.docx

1、巨磁电阻效应及其应用 实验报告巨磁电阻效应及其应用【实验目的】1、了解GMR效应的原理2、测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线3、测量GMR的磁阻特性曲线4、用GMR传感器测量电流5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理【实验原理】根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。电阻定律 R= l/S中，把电阻率 视为常数，与材料的几

2、何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm），可以忽略边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为0.3nm），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的

3、两电流模型。在图2所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。图3是图2结构的某种GMR材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率 R/R 达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。有两类与自旋相关的散射

4、对巨磁电阻效应有贡献。其一，界面上的散射。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行反平行，或反平行平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁膜之间穿行。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻

5、值的电阻的并联，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。多层膜GMR结构简单，工作可靠，磁阻随外磁场线性变化的范围大，在制作模拟传感器方面得到广泛应用。在数字记录与读出领域，为进一步提高灵敏度，发展了自旋阀结构的GMR。【实验仪器】主要包括：巨磁电阻实验仪、基本特性组件、电流测量组件、角位移测量组件、磁读写组件。基本特性组件由GMR模拟传感器，螺线管线圈及比较电路，输入输出插孔组成。用以对GMR的磁电转换特性，磁阻特性进行测量。GMR传感器置于螺线

6、管的中央。螺线管用于在实验过程中产生大小可计算的磁场，由理论分析可知，无限长直螺线管内部轴线上任一点的磁感应强度为：B = 0nI （1）式中n为线圈密度，I为流经线圈的电流强度，为真空中的磁导率。采用国际单位制时，由上式计算出的磁感应强度单位为特斯拉（1特斯拉10000高斯）。【实验内容及实验结果处理】一、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 在将GMR构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式结构。 a 几何结构 b电路连接GMR模拟传感器结构图 对于电桥结构，如果4个GMR电阻对磁场的影响完全同步，就不会有信号输出。图17-9中，将处在电桥对角位置的两个电阻R3,

7、R4覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，而R1，R2阻值随外磁场改变。设无外磁场时4个GMR电阻的阻值均为R， R1、R2在外磁场作用下电阻减小R，简单分析表明，输出电压： U=U (2R-R) (2) 屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在R1、R2电阻所在的空间，进一步提高了R1，R2的磁灵敏度。 从几何结构还可见，巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至k数量级，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出。GMR模拟传感器的磁电转换特性模拟传感器磁电转换特性实验原理图将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“传感器测量”。实

8、验仪的4V电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“模拟信号输出”接至实验仪电压表。按表1数据，调节励磁电流，逐渐减小磁场强度，记录相应的输出电压于表格“减小磁场”列中。由于恒流源本身不能提供负向电流，当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流i，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，从上到下记录相应的输出电压。电流至-100mA后，逐渐减小负向电流，电流到0时同样需要交换恒流输出的极性。从下到上记录数据于表一“增大磁场”列中。 理论上讲，外磁场为零时，GMR传感器的输出应为零，但由于半导体工艺的限制，4个桥臂电阻值不一定完

9、全相同，导致外磁场为零时输出不一定为零，在有的传感器中可以观察到这一现象。根据螺线管上表明的线圈密度，由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度B。以磁感应强度B作横坐标，电压表的读数为纵坐标作出磁电转换特性曲线。不同外磁场强度时输出电压的变化反映了GMR传感器的磁电转换特性，同一外磁场强度下输出电压的差值反映了材料的磁滞特性。表1 GMR模拟传感器磁电转换特性的测量（电桥电压4V，线圈密度为24000匝/米）磁感应强度/高斯输出电压/mV励磁电流/mA磁感应强度/高斯减小磁场增大磁场10030.1584 2282289027.1426 2282288024.1267 2272277021.110

10、9 2272266018.0950 2262245015.0792 2222154012.0634 196180309.0475 147132206.0317 9681103.0158 504051.5079 312100.0000 1210-5-1.5079 2030-10-3.0158 3950-20-6.0317 8093-30-9.0475 129144-40-12.0634 179194-50-15.0792 215222-60-18.0950 224226-70-21.1109 226227-80-24.1267 227227-90-27.1426 228228-100-30.15

11、84 228228二、GMR磁阻特性测量磁阻特性测量原理图为加深对巨磁电阻效应的理解，我们对构成GMR模拟传感器的磁阻进行测量。将基本特性组件的功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”，此时被磁屏蔽的两个电桥电阻R3、R4被短路，而R1、R2并联。将电流表串连进电路中，测量不同磁场时回路中电流的大小，就可以计算磁阻。实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件。 将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”。实验仪的4伏电压源串连电流表后，接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“螺线管电流输入”。按表2数据，调节励磁电流，逐渐减小磁场强度，记录相应的磁阻电流于表格“减小磁场”列中

12、。由于恒源流本身不能提供负向电流，当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，从上到下记录相应的输出电压。 电流至一100mA后，逐渐减小负向电流，电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。从下到上记录数据于“增大磁场”列中。根据螺线管上表明的线圈密度，由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度B。由欧姆定律R=U/I 计算磁阻。以磁感应强度B作横坐标，磁阻为纵坐标做出磁阻特性曲线。应该注意，由于模拟传感器的两个磁阻是位于磁通聚集器中，与图3相比，我们作出的磁阻曲线斜率大了约10倍，磁通聚集器结构使磁阻灵敏度大大提高。 不同外磁场强

13、度时磁阻的变化反映了GMR的磁阻特性，同一外磁场强度的差值反映了材料的磁滞特性。表2 GMR磁阻特性的测量（磁阻两端电压4V）磁感应强度/高斯磁阻/减小磁场增大磁场励磁电流/mA磁感应强度/高斯磁阻电流/mA磁阻/磁阻电流/mA磁阻/10030.1584 1.8822125.3985 1.882127.6596 9027.1426 1.8822125.3985 1.882127.6596 8024.1267 1.8812126.5284 1.882127.6596 7021.1109 1.882127.6596 1.8792128.7919 6018.0950 1.8792128.7919 1

14、.8772131.0602 5015.0792 1.8752133.3333 1.872139.0374 4012.0634 1.852162.1622 1.8372177.4633 309.0475 1.8052216.0665 1.7892235.8860 206.0317 1.7582275.3129 1.7462290.9507 103.0158 1.7182328.2887 1.7092340.5500 51.5079 1.72352.9412 1.6922364.0662 00.0000 1.6852373.8872 1.6822378.1213 -5-1.5079 1.69423

15、61.2751 1.6992354.3261 -10-3.0158 1.7092340.5500 1.7172329.6447 -20-6.0317 1.7452292.2636 1.7552279.2023 -30-9.0475 1.7882237.1365 1.8022219.7558 -40-12.0634 1.8342181.0251 1.8482164.5022 -50-15.0792 1.8692140.1819 1.8742134.4717 -60-18.0950 1.8772131.0602 1.8782129.9255 -70-21.1109 1.8792128.7919 1

16、.8792128.7919 -80-24.1267 1.882127.6596 1.882127.6596 -90-27.1426 1.882127.6596 1.882127.6596 -100-30.1584 1.882127.6596 1.882127.6596 三、GRM开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量表3 GRM开关传感器的磁电转换特性测量 高电平= 1 V 低电平= 0 V减小磁场增大磁场开关动作励磁电流/mA磁感应强度/高斯开关动作励磁电流/mA磁感应强度/高斯关20.46.1525 关20.76.2430 开23.67.1176 开23.37.0271 四、用GMR模拟

17、传感器测量电流GMR模拟传感器在一定的范围内输出电压与磁场强度成线性关系，且灵敏度高，线性范围大，可以方便的将GMR制成磁场计，测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量。作为应用示例，我们用它来测量电流。由理论分析可知，通有电流I的无限长直导线，与导线距离为r的一点的磁感应强度为：B = 0I/2r =2 I10-7/r （3）磁场强度与电流成正比，在r已知的条件下，测得B，就可知I。在实际应用中，为了使GMR模拟传感器工作在线性区，提高测量精度，还常常预先给传感器施加一固定已知磁场，称为磁偏置，其原理类似于电子电路中的直流偏置。 模拟传感器测量电流实验原理图实验装置：巨磁阻实验仪，电流测量组件实

18、验仪的4伏电压源接至电流测量组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“待测电流输入”，电流测量组件“信号输出”接至实验仪电压表。将待测电流调节至0。将偏置磁铁转到远离GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约25mV。将电流增大到300mA，按表4数据逐渐减小待测电流，从左到右记录相应的输出电压于表格“减小电流”行中。由于恒流源本身不能提供负向电流，当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时电流方向为负，记录相应的输出电压。逐渐减小负向待测电流，从右到左记录相应的输出电压于表格“增加电流”行中。当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时电流方

19、向为正，记录相应的输出电压。将待测电流调节至0。将偏置磁铁转到接近GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约150mV。用低磁偏置时同样的实验方法，测量适当磁偏置时待测电流与输出电压的关系。表4 用GMR模拟传感器测量电流待测电流/mA3002001000-100-200-300输出电压/mV低磁偏置减小电流27.72726.225.524.723.923(约25mV)增加电流28.127.326.425.724.924.123适当磁偏置减小电流154.2153.4152.4151.5150.5149.4148.2(约150mV)增加电流154.4153.3152.2151.2150.21

20、49.2148.2 五、GMR梯度传感器的特性及应用将GMR电桥两对对角电阻分别置于集成电路两端，4个电阻都不加磁屏蔽，即构成梯度传感器。这种传感器若置于均匀磁场中，由于4个桥臂电阻阻值变化相同，电桥输出为零。如果磁场存在一定的梯度，各GMR电阻感受到的磁场不同，磁阻变化不一样，就会有信号输出。图18以检测齿轮的角位移为例，说明其应用原理。将永磁体放置于传感器上方，若齿轮是铁磁材料，永磁体产生的空间磁场在相对于齿牙不同位置时，产生不同的梯度磁场。a位置时，输出为零。b位置时，R1、R2 感受到的磁场强度大于R3、R4，输出正电压。c位置时，输出回归零。d位置时，R1、R2 感受到的磁场强度小于

21、R3、R4，输出负电压。于是,在齿轮转动过程中,每转过一个齿牙便产生一个完整的波形输出。这一原理已普遍应用于转速（速度）与位移监控，在汽车及其它工业领域得到广泛应用。实验装置：巨磁阻实验仪、角位移测量组件。将实验仪4V电压源接角位移测量组件“巨磁电阻供电”，角位移测量组件“信号输出”接实验仪电压表。逆时针慢慢转动齿轮，当输出电压为零时记录起始角度，以后每转3度记录一次角度与电压表的读数。转动48度齿轮转过2齿，输出电压变化2个周期。表4 齿轮角位移的测量转动角度/度394245485154576063输出电压/mV015.927.210.3-11-1.5-9.8-44-3.5转动角度/度666972757881848790输出电压/mV13.224.56-14.5-2.7-10.8-44.8-4.712.8以齿轮实际转过的度数为横坐标，电压表的读数为纵向坐标作图。六、磁记录与读出二进制数字10010011磁卡区域号12345678读出电平（V）1.990 0.003 0.003 1.990 0.003 0.003 1.990 1.990 此实验演示了磁记录与磁读出的原理与过程。【注意事项】1、由于巨磁阻传感器具有磁滞现象，因此，在实验中，恒流源只能单向调节，不可回调，否则测量数据将不准确。2、测试卡组件不能长期处于“写”状态。