巨磁電阻效應及其應用-試驗報告

1、巨磁電阻效應及其應用【實驗目的】1、了解GM效應的原理2、測量GM模擬傳感器的磁電轉換特性曲線3、測量GM的磁阻特性曲線4、用GM能感器測量電流5、用GM梯度傳感器測量齒輪的角位移，了解GM轉速（速度）傳感器的原理【實驗原理】根據(jù)導電的微觀機理， 電子在導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改變運動方向，總的運動是電場對電子的定向 加速與這種無規(guī)散射運動的疊加。稱電子在兩次散射之間走過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，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，這是因為通常材料的幾何尺

2、度遠大于電子的平均自由程（例如銅中電子的平均自由程約34nmL可以忽略邊界效應。當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）,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兩種可能取向。 早在1936年，英國物理學家，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

3、層膜結構中，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)應用中是平行于膜面的。A&X-H0=4工433C1200電阻 歐姆磁場強度/高斯圖3 某種GMR材料的磁阻特性無外磁場時頂層磁場方向無外磁場時底層磁場方向圖2多層膜GMR結構圖圖3是圖2結構的某種GMR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。當外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，進入磁飽和區(qū)域。磁阻變化率 A R/R達百分之十幾，加反向磁場時磁阻特

4、性是對稱的。 注意到圖2中的曲線有兩條，分別對應增大磁場和減小磁場時的磁阻特性，這是因為鐵磁材 料都具有磁滯特性。有兩類與自旋相關的散射對巨磁電阻效應有貢獻。其一，界面上的散射。無外磁場時，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，從一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨狀態(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，對應于高電阻狀態(tài)。有外磁場時，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，電子也有一定的幾 率在上下兩層鐵磁膜之間穿行。無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場

5、方向相反，無論電子的初始自旋狀態(tài)如何，在穿行過程中都會經(jīng)歷散射幾率小（平行）和散射幾率大（反平行）兩 種過程，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個中等阻值的電阻的并聯(lián)，對應于高電阻狀態(tài)。 有外磁場時，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)電阻相似一個小電阻與一個大電阻的并聯(lián)，對應于低電阻狀態(tài)。多層膜GMRF構簡單，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 方面得到廣泛應用。在數(shù)字記錄與讀出領域，為進一步提高靈敏度，發(fā)展了自旋閥結構的 GMR【實驗儀器】主要包括：巨磁電阻實驗儀、基本特性組件、電流測量組件、角位移測量組件、

6、磁讀寫組件?；咎匦越M件由GM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 GM的磁電轉換特性，磁阻特性進行測量。GM靜感器置于螺線管的中央。螺線管用于在實驗過程中產(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強度為：B = 0nI（1）式中n為線圈密度，I為流經(jīng)線圈的電流強度，0 4 10 7 H /m為真空中的磁導率。采用國際單位制時，由上式計算出的磁感應強度單位為特斯拉（1特斯拉=10000高斯）。【實驗內(nèi)容及實驗結果處理】一、GMR莫擬傳感器的磁電轉換特性測量在將GMR勾成傳感器時，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 結構。

7、a幾何結構b電路連接GMR莫擬傳感器結構圖對于電橋結構，如果 4個GMRfe阻對磁場的影響完全同步，就不會有信號輸出。圖 17- 9中，將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€電阻R3, R4覆蓋一層高導磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁場對它們的影響，而 R1, R2阻值隨外磁場改變。設無外磁場時4個GMRfe阻的阻值均為R, R1、R2在外磁場作用下電阻減小 R,簡單分析表明，輸出電壓：U=UIN (2R- R) (2)屏蔽層同時設計為磁通聚集器，它的高導磁率將磁力線聚集在R1、R2電阻所在的空間，進一步提高了 R1, R2的磁靈敏度。從幾何結構還可見，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

8、k 數(shù)量級，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。愉山/v0 30 -4V模擬傳感器磁電轉換特性實驗原理圖將GMR莫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”。實驗儀的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”接至實驗儀電壓表。按表1數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵磁電流，逐漸減小磁場強度，記錄相應的輸出電壓于表格“減小磁場”列中。由于恒流源本身不能提供負向電流，當電流減至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 ,此時流經(jīng)螺線管的電流與磁感應強度的方向為負，從上到下記錄相應的輸出電壓。電流至 -100mA后，逐漸減

9、小負向電流，電流到 0時同樣需要 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，GM聯(lián)感器的輸出應為零，但由于半導體工藝的限制，4個橋臂電阻值不一定完全相同，導致外磁場為零時輸出不一定為零，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）計算出螺線管內(nèi)的磁感應強度 Bo以磁感應強度B作橫坐標，電壓表的讀數(shù)為縱坐標作出磁電轉換特性曲線。不同外磁場強度時輸出電壓的變化反映了GMRf專感器的磁電轉換特性，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。表1 GMR模擬傳感器磁電轉換特性的測量（電橋電壓4V,線圈密度為24000匝

10、/米）磁感應強度/高斯輸出電壓/mV勵磁電流/mA磁感應強度 /高斯減小磁場增大磁場10030.15842282289027.14262282288024.12672272277021.11092272266018.09502262245015.07922222154012.0634196180309.0475147132206.03179681103.0158504051.5079312100.00001210-5-1.50792030-10-3.01583950-20-6.03178093-30-9.0475129144-40-12.0634179194-50-15.0792215222-

11、60-18.0950224226-70-21.1109226227-80-24.1267227227-90-27.1426228228-100-30.1584228228GMR模擬傳感器的磁電轉換特性測量. 系列1. 系列2斯言尸度強應感磁40-30-20-1001020輸出電壓/MV3040、GM褐阻特性測量為加深對巨磁電阻效應的理解，我們對構成GMR莫擬傳感器的磁阻進行測量。將基本特 性組件的功能切換按鈕切換為“巨磁阻測量”，此時被磁屏蔽的兩個電橋電阻R3、R4被短路，而R1、R2并聯(lián)。將電流表串連進電路中，測量不同磁場時回路中電流的大小，就可以 計算磁阻。實驗裝置：巨磁阻實驗儀，基本特性

12、組件。將GMR莫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”。實驗儀的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2數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵磁電流，逐漸減小磁場強度，記錄相應的磁阻電流于表格“減小磁場”列中。由于恒源流本身不能提供負向電流，當電流減至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強度的方向為負，從 上到下記錄相應的輸出電壓。電流至一 100mA后，逐漸減小負向電流，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。根據(jù)螺線管上表明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線

13、管內(nèi)的磁感應強度Bo由歐姆定律 R=U/I計算磁阻。以磁感應強度 B作橫坐標，磁阻為縱坐標做出磁阻特性曲線。應該注意，由于模擬傳感器的兩個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，磁通聚集器結構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 勺磁阻特性，同一外磁場強度的差值反映了材料的磁滯特性。表2 GMR磁阻特性的測量（磁阻兩端電壓4V）磁感應強度/高斯磁阻/ Q減小磁場增大磁場勵磁電流/mA磁感應強度/高斯磁阻電流/mA磁阻/ Q磁阻電流/mA磁阻/ Q10030.15841.8822125.39851.882127.65969027.1426

14、1.8822125.39851.882127.65968024.12671.8812126.52841.882127.65967021.11091.882127.65961.8792128.79196018.09501.8792128.79191.8772131.06025015.07921.8752133.33331.872139.03744012.06341.852162.16221.8372177.4633309.04751.8052216.06651.7892235.8860206.03171.7582275.31291.7462290.9507103.01581.7182328.28

15、871.7092340.550051.50791.72352.94121.6922364.066200.00001.6852373.88721.6822378.1213-5-1.50791.6942361.27511.6992354.3261-10-3.01581.7092340.55001.7172329.6447-20-6.03171.7452292.26361.7552279.2023-30-9.04751.7882237.13651.8022219.7558-40-12.06341.8342181.02511.8482164.5022-50-15.07921.8692140.18191

16、.8742134.4717-60-18.09501.8772131.06021.8782129.9255-70-21.11091.8792128.79191.8792128.7919-80-24.12671.882127.65961.882127.6596-90-27.14261.882127.65961.882127.6596-100-30.15841.882127.65961.882127.6596GMR磁阻特性的測量2400.00002350.0000 4戶阻磁2300.00002250.0000r2200.00002150.00002100.0000-30. 0000 -20. 000

17、0 -10. 00000. 000010. 0 00 020. 000030. 00004 0. 00 00三、GRM開關(數(shù)字)傳感器的磁電轉換特性曲線測量表3 GRM開關傳感器的磁電轉換特性測量高電平=1V磁感應強度/高斯減小磁場增大磁場開關動 作勵磁電流/mA磁感應強度/ 高斯開關動 作勵磁電流/mA磁感應強度/ 高斯關20.46.1525關120.76.24301開23.67.1176開23.37.0271彳氐電平=0 V四、用GM模擬傳感器測量電流GM模擬傳感器在一定的范圍內(nèi)輸出電壓與磁場強度成線性關系，且靈敏度高，線性范 圍大，可以方便的將 GMR成磁場計，測量磁場強度或其它與磁場

18、相關的物理量。作為應用 示例，我們用它來測量電流。由理論分析可知，通有電流I的無限長直導線，與導線距離為r的一點的磁感應強度為:B = 01/2 % r =2 I X 10-7/r(3)磁場強度與電流成正比，在 r已知的條件下，測得 B,就可知I。在實際應用中，為了使 GM模擬傳感器工作在線性區(qū)，提高測量精度，還常常預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驗原理圖實驗裝置：巨磁阻實驗儀，電流測量組件實驗儀的4伏電壓源接至電流測量組件 “巨磁電阻供電”，恒流源接至“待測電流輸入”， 電流測量組件“信號輸出”接至實驗儀電壓表。將待測電流調(diào)節(jié)

19、至0。將偏置磁鐵轉到遠離 GM靜感器，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向電流，當電流減至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，記錄相應的輸出電壓。逐漸減小負向待測電流， 從右到左記錄相應的輸出電壓于表格“增加電流”行中。當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時電流方向為正， 記錄相應的輸出電壓。將待測電流調(diào)節(jié)至0。將偏置磁鐵轉到接近 GM磕感器，調(diào)節(jié)磁鐵與傳感器的距離，使輸出約150mV用低磁偏置

20、時同樣的實驗方法，測量適當磁偏置時待測電流與輸出電壓的關系。表4用GMR莫擬傳感器測量電流待測電流/mA3002001000-100-200-300輸出電壓/mV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適當磁偏置（約150mV）減小電 流154.2153.4152.4151.5150.5149.4148.2增加電 流154.4153.3152.2151.2150.2149.2148.2用GMR模擬傳感器測量電流置偏磁低-400-300-200-1 000100200300400待測電流/MA用GMR模擬傳感器測量電流T一系列1 系列2胃偏磁低五、GM梯度傳感器的特性及應用將GMR1橋兩對對角電阻分別置于集成電路兩端，4個電阻都不加磁屏蔽，即構成梯度傳 感器。這種傳感器若置于均勻磁場中， 由于4個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GMR1阻感受到的磁場不同， 磁阻變化不一樣，就會有信號輸出。圖18 以檢測齒輪的角位移為例，說明其應用原理。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，產(chǎn)生不同的梯度磁場。a位置時，輸出為零。b位置時，