磁電阻與巨磁電阻實驗報告

1、磁電阻與巨磁電阻姓名：劉一寧 班級:核32指導(dǎo)教師：王合英 實驗日期：2015.03.13【摘要】：本實驗使用了由基本電路原理配合巨磁電阻原件制作的一套巨磁電阻實驗儀，通過改變巨磁電阻處的磁場測量了巨磁電阻的磁阻特性曲線、磁電轉(zhuǎn)換特性曲線，并在體驗了其在測量電流、測量轉(zhuǎn)速、磁讀寫等方面的應(yīng)用。最后獲得了巨磁電阻詞組特性曲線、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換曲線、GMR開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線、巨磁電阻測量電流的數(shù)據(jù)、齒輪旋轉(zhuǎn)過程中巨磁電阻梯度傳感器輸出電壓曲線、磁信號讀出情況，自旋閥磁電阻兩個不同角度的磁阻特性曲線。發(fā)現(xiàn)巨磁電阻的磁阻隨磁場變大而減小，且與方向無關(guān)，但是其存在磁滯現(xiàn)象。而自旋閥磁

2、電阻則在磁場由一個方向磁飽和變化到另一個方向磁飽和的過程中磁電阻不斷減小或增加，這與磁電阻和磁場的角度有關(guān)，且在0磁場附近變化特別明顯。 關(guān)鍵詞：巨磁電阻、自旋閥磁電阻、磁阻特性曲線、磁電轉(zhuǎn)換特性一、 引言：1988年法國巴黎大學(xué)的肯特教授研究小組首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，在國際上引起了很大的反響。20世紀(jì)90年代，人們在Fe/Cu，F(xiàn)e/Al，F(xiàn)e/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的巨磁阻效應(yīng)。1994年，IBM公司研制成巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍，達5Gbit/in2，最近達到11Gbit/in2，從

3、而在與光盤競爭中磁盤重新處于領(lǐng)先地位。由于巨磁電阻效應(yīng)大，易使器件小型化，廉價化，除讀出磁頭外同樣可應(yīng)用于測量位移，角度等傳感器中，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機床，汽車測速，非接觸開關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，它具有功耗小，可靠性高，體積小，能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點。利用巨磁電阻效應(yīng)在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點，可以制成隨機存儲器（MRAM），其優(yōu)點是在無電源的情況下可繼續(xù)保留信息。巨磁電阻效應(yīng)在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的另一個重要方面是微弱磁場探測器。隨著納米電子學(xué)的飛速發(fā)展，電子元件的微型化和高度集成化要求測量系統(tǒng)也要微型化。在21世紀(jì)，超導(dǎo)量子相干器件、超微霍耳探測器和超微磁場探測器

4、將成為納米電子學(xué)中的主要角色。其中以巨磁電阻效應(yīng)為基礎(chǔ)設(shè)計超微磁場傳感器，要求能探測10-2T至10-6T的磁通密度。如此低的磁通密度在過去是無法測量的，特別是在超微系統(tǒng)測量如此微弱的磁通密度十分困難，納米結(jié)構(gòu)的巨磁電阻器件可以完成這個任務(wù)。瑞典皇家科學(xué)院9日宣布，將2007年諾貝爾物理學(xué)獎授予法國科學(xué)家阿爾貝費爾和德國科學(xué)家彼得格林貝格爾，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)。瑞典皇家科學(xué)院說：“今年的物理學(xué)獎授予用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越小。”最近，中國學(xué)者比較關(guān)注巨磁電阻在工程方面的具體應(yīng)用，比如電子測量技術(shù)2014年 第6期 “基于自旋閥巨磁電阻傳感

5、器的直流電流測量”一文介紹自旋閥巨磁阻（gian tmagne to resistive,GMR）傳感器具有靈敏度高、線性度好、體積小等顯著的優(yōu)點,在直流電流測量中具有極大的發(fā)展?jié)摿?。而大學(xué)物理 2014年02期 “基于巨磁電阻效應(yīng)的楊氏模量測量裝置”一文介紹了利用巨磁電阻傳感器、磁鋼片及電位差計組成的實驗裝置,可精確測量微小長度變化量.將該裝置應(yīng)用于楊氏模量實驗并與光杠桿測量方法比較可知,應(yīng)用巨磁電阻傳感器的測量方法簡單,測量過程便捷,測量精度較高.我認為，本實驗最主要的目的是讓我們理解巨磁電阻的原理、技術(shù)，及其對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的貢獻。這個實驗可以讓我們可以體驗到基于測試目的的實驗的設(shè)計方法及

6、實施過程，在這個過程中體驗科學(xué)發(fā)現(xiàn)的精髓與快樂，藉此提高我們對物理科學(xué)的興趣和獨立查閱科學(xué)文獻的能力。二、 實驗：本實驗使用了巨磁電阻實驗儀、基本特性測量組件、GMR 傳感器、電流測量組件、角位移組件、磁卡讀寫組件等實驗裝置。其中巨磁電阻實驗儀包括穩(wěn)壓電源、恒流源、電壓表、電流表?；咎匦越M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的磁阻特性和磁電轉(zhuǎn)換特性進行測量。在這個實驗中使用螺線管線圈提供變化磁場，GMR傳感器置于螺線管的中央。而在將GMR構(gòu)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(jié)構(gòu)。但是對于電橋結(jié)構(gòu)，如果4個GMR電阻對磁場的響

7、應(yīng)完全同步，就不會有信號輸出。故將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€電阻R3、R4 覆蓋一層高導(dǎo)磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁場對它們的影響，而R1、R2 阻值隨外磁場改變。分析表明，輸出電壓：UOUT = UINR/（2R-R）。屏蔽層同時設(shè)計為磁通聚集器，它的高導(dǎo)磁率將磁力線聚集在R1、R2電阻所在的空間,進一步提高了R1、R2 的磁靈敏度。同時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k數(shù)量級，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。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)線周圍的磁場變化，就可確定電流大小。角位移測量組件用巨磁阻梯度傳感器

8、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，使梯度傳感器輸出發(fā)生變化，每轉(zhuǎn)過一齒，就輸出類似正弦波一個周期的波形。磁讀寫組件用于演示磁記錄與讀出的原理。磁卡做記錄介質(zhì)，磁卡通過寫磁頭時可寫入數(shù)據(jù)，通過讀磁頭時將寫入的數(shù)據(jù)讀出來。寫磁頭是繞線的磁芯，線圈中通過電流時產(chǎn)生磁場，在磁性記錄材料上記錄信息。巨磁阻讀磁頭利用磁記錄材料上不同磁場時電阻的變化讀出信息。最后采用四端接線法接自旋閥磁電阻，放置于線圈中央，調(diào)整其與線圈軸線的夾角可以測量自旋閥磁電阻在不同外磁場方向時的的磁阻特性曲線。三、 實驗結(jié)果及討論：由于篇幅限制，各原始實驗數(shù)據(jù)記錄表格請見附件。數(shù)據(jù)處理如下：1、 巨

9、磁電阻磁阻特性曲線測量與分析：（1）、以磁感應(yīng)強度B作橫坐標(biāo)，電阻為縱坐標(biāo)作出磁阻特性曲線。（2）、由公式式中R(0)為外加磁場為零時樣品電阻，R(H )為不同外加磁場下樣品電阻，R ( Hs )為外加磁場使薄膜磁化飽和時樣品的電阻。計算得到0磁場時GMR=（(2369.668+2368.265)/2-2051.282）/2051.282=15.5%.（3）、觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)，磁場強度越弱則巨磁電阻的電阻值越大，而且，在趨于飽和之前，其電阻值隨磁場變化的關(guān)系接近一條直線，為什么電阻值會與磁場強度有關(guān)呢？這可以用雙電流模型解釋：按照Mott的雙電流模型，傳導(dǎo)電子分為自旋向上和自旋向下的電子，多層

10、膜中非磁性層對這兩種狀態(tài)的傳導(dǎo)電子的影響是相同的，而磁層的影響卻完全不同。當(dāng)相鄰鐵磁層反平行時，如果s 電子的自旋與第一鐵磁層中局域 d 電子的自旋平行，則幾乎不受散射，但它與相鄰鐵磁層中局域d 電子的自旋反平行，就受到強烈的散射（即填充到空置的與自己自旋相同的態(tài)）。所以兩相鄰磁層的磁矩方向相反時，兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子， 或者在第一個磁層即因磁矩與之相反而到強烈散射， 或者在穿過磁矩與其自旋方向相同的磁層后，必然在下一個磁層處遇到與其方向相反的磁矩，并受到強烈的散射作用，這樣兩種自旋態(tài)的電子分別在某一層受到強散射， 宏觀上表現(xiàn)為高電阻狀態(tài)（圖解3-1）；如果施加足夠大的外場，使得磁層的磁矩都

11、沿外場方向排列（圖解3-2），則自旋與其磁矩方向相同的電子受到的散射小，只有方向相反的電子受到的散射作用強，宏觀上表現(xiàn)出低電阻狀態(tài)。圖 3-1和圖 3-2中右側(cè)的圖表示對應(yīng)高阻態(tài)和低阻態(tài)的等效電路圖。圖解3-1 零磁場時傳導(dǎo)電子的運動狀態(tài)圖 解3-2 磁場使磁性層磁化飽和時傳導(dǎo)電子的運動狀態(tài)2-1、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量：以磁感應(yīng)強度B作橫坐標(biāo)，電壓表的讀數(shù)為縱坐標(biāo)作出磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。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。 2-2、GMR開關(guān)（數(shù)字）傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量： 以磁感應(yīng)強度B作橫坐標(biāo)，電壓讀數(shù)為縱坐標(biāo)作開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線并進行分析。以2

12、V表示高電平，0V表示低電平：3、 用GMR模擬傳感器測量電流：（1）、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。低磁偏置：適當(dāng)磁偏置：（2）、由圖可以看出，低磁偏置的時候，隨著電流的變化，縱坐標(biāo)的變化較小，在誤差的值一定的情況下，相對誤差比起適當(dāng)磁偏置的情況會高6倍左右.4、 GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用：（1）、以齒輪轉(zhuǎn)動角度為橫坐標(biāo)，輸出電壓為縱坐標(biāo)，做曲線如下：（2）、為什么會是這樣的圖形呢？將GMR電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(gòu)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GMR電

13、阻感受到的磁場不同，磁阻變化不一樣，就會有信號輸出。在真實的實驗中，由于儀器限制，不能將輸出電壓降至0，但是其隨轉(zhuǎn)動角度的變化仍然具有周期性。5、 磁記錄與讀出：十進制數(shù)字85二進制數(shù)字01010101磁卡區(qū)域號12345678讀出電平/mv0.0031.9170.0031.9170.0031.9170.0031.9176、 自旋閥磁電阻的測量裝置與方法：（1）、自旋閥的磁電阻曲線:取向角度：90（2）、自旋閥的磁電阻曲線:取向角度：180（3）、發(fā)現(xiàn)自旋閥磁電阻在0磁場附近隨磁場強度變化非常劇烈，這是因為自由層使用軟鐵磁材料，它的磁化方向易于隨外磁場轉(zhuǎn)動。這樣，很弱的外磁場就會改變自由層與被

14、釘扎層磁場的相對取向，對應(yīng)于很高的靈敏度，同時也非常容易達到磁飽和，所以磁場稍大時電阻值變化就不再明顯。（4）、還發(fā)現(xiàn)自旋閥磁電阻與多層膜磁電阻不同，它在磁場從一個方向的飽和降至零再到反方向飽和的過程中，電阻值持續(xù)上升或下降（而不是像多層膜磁電阻一樣電阻0時阻值最大）。這是因為制造時，使自由層的初始磁化方向與被釘扎層垂直導(dǎo)致的，這也造成了磁場方向與自旋閥磁電阻不同夾角時其靈敏度的變化。四、 總結(jié)：本實驗的主要目的是測量巨磁電阻的特性曲線。在實驗中使用了由基本電路原理配合巨磁電阻原件制作的一套巨磁電阻實驗儀，通過改變巨磁電阻處的磁場測量了巨磁電阻的磁阻特性曲線、磁電轉(zhuǎn)換特性曲線，并在體驗了其在測

15、量電流、測量轉(zhuǎn)速、磁讀寫等方面的應(yīng)用。最后獲得了巨磁電阻詞組特性曲線、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換曲線、GMR開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線、巨磁電阻測量電流的數(shù)據(jù)、齒輪旋轉(zhuǎn)過程中巨磁電阻梯度傳感器輸出電壓曲線、磁信號讀出情況，自旋閥磁電阻兩個不同角度的磁阻特性曲線。發(fā)現(xiàn)巨磁電阻的磁阻隨磁場變大而減小，且與方向無關(guān)，在未飽和前隨磁場近似線性變化，存在磁滯現(xiàn)象。而自旋閥磁電阻則在磁場由一個方向磁飽和變化到另一個方向磁飽和的過程中磁電阻不斷減小或增加，在0磁場附近變化特別明顯且靈敏度與磁電阻和磁場的角度有關(guān)。五、 參考文獻：王合英 巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用 六、 附錄：實驗原始數(shù)據(jù)電子版及紙版簽字圖片表1

16、 GMR磁阻特性的測量（磁阻兩端電壓4V）磁感應(yīng)強度/高斯磁阻/減小磁場增大磁場勵磁電流/mA磁感應(yīng)強度/高斯磁阻電流/mA磁阻/磁阻電流/mA磁阻/10030.161.9502051.2821.9502051.2829027.141.9482053.3881.9482053.3888024.131.9422059.7321.9422059.7327021.111.9212082.2491.9272075.7656018.11.8892117.5221.8842123.1425015.081.8442169.1971.8452168.0224012.061.8172201.4311.80722

17、13.614309.051.7812245.9291.7692261.164206.031.7432294.8941.7342306.805103.021.7152332.3621.7092340.5551.511.7022350.1761.6942361.27530.905*1.6892368.265001.6862372.4791.6922364.066-1.5-0.4521.6882369.668*#VALUE!5-1.511.6992354.3261.7052346.04110-3.021.7102339.1811.7162331.00220-6.031.7412297.531.748

18、2288.3330-9.051.7762252.2521.7832243.4140-12.061.8112208.7241.8202197.80250-15.081.8552156.3341.8562155.17260-18.11.8912115.2831.8932113.04870-21.111.9212082.2491.9242079.00280-24.131.9412060.7931.9422059.73290-27.141.9482053.3881.9492052.335100-30.161.9502051.2821.9502051.282表2.1 GMR模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性的測量（

19、電橋電壓4V）磁感應(yīng)強度/高斯輸出電壓/mV勵磁電流/mA磁感應(yīng)強度/高斯減小磁場增大磁場10030.162782779027.142762758024.132692677021.112412436018.12182135015.08180172.24012.06139.2129309.0599.791.5206.0365.253.9103.0230.727.951.5117.29.00.50.150796*0002.35.6-0.4-0.120640*5-1.5112.22010-3.0226.133.520-6.0358.868.830-9.0595.8107.040-12.06134.0

20、144.650-15.08175.1181.660-18.122021970-21.1125225280-24.1326927190-2730.16278278表2.2 GMR數(shù)字開關(guān)傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性的測量（電橋電壓4V）減小磁場增大磁場開關(guān)動作勵磁電流/mA磁感應(yīng)強度/高斯開關(guān)動作勵磁電流/mA磁感應(yīng)強度/高斯關(guān)31.8 9.59065關(guān)-31.49.47002開-33.810.19384開34.510.40495表3 用GMR模擬傳感器測量電流 待測電流/mA3002001000100200300輸出電壓/mV低磁偏置(約25mV)減小電流27.827.126.

21、525.825.124.423.8增加電流27.827.126.425.825.124.423.7適當(dāng)磁偏置(約150mV)減小電流155.3154.4153.5152.6151.6150.7149.8增加電流155.4154.4153.5152.6151.6150.7149.8表4 齒輪角位移的測量起始角度：22轉(zhuǎn)動角度/度0369121518212425輸出電壓/mV156185341356376346280212158157轉(zhuǎn)動角度/度273033363942454850輸出電壓/mV163309355369362305239170156表5 二進制數(shù)字的寫入與讀出十進制數(shù)字85二進制數(shù)

22、字01010101磁卡區(qū)域號12345678讀出電平/mv0.0031.9170.0031.9170.0031.9170.0031.917表6.1 測量自旋閥的磁電阻曲線:取向角度：90磁感應(yīng)強度/高斯磁阻/減小磁場增大磁場勵磁電流/mA磁感應(yīng)強度/高斯磁阻電流/uA電壓/mv電阻/磁阻電流/uA電壓/mv電阻/2000603.18588.512.1903257.37968.512.1795256.11051800542.86728.512.1904257.39138.512.1795256.11051600482.54868.512.1903257.37968.512.1794256.098

23、71400422.23018.512.1901257.35618.512.1792256.07521200361.91158.512.1900257.34438.512.1891257.23851000301.59298.512.1900257.34438.512.1793256.087800241.27438.512.1906257.41488.512.1798256.1457600180.95578.512.1907257.42668.512.1815256.3455400120.63728.512.1980258.28448.512.1861256.88620060.318588.512

24、.2105259.75328.512.2008258.613410030.159298.512.2227261.18688.512.2297262.00945015.079648.512.2314262.20928.512.2533264.7826008.512.2406263.29028.512.2679266.4982-50-15.07968.512.2566265.17048.512.2884268.9072-100-30.15938.512.3120271.68048.512.3164272.1974-200-60.31868.512.3368274.59468.512.3250273

25、.208-400-120.6378.512.3453275.59348.512.3406275.0411-600-180.9568.512.3477275.87548.512.3436275.3937-800-241.2748.512.3479275.89898.512.3448275.5347-1000-301.5938.512.3480275.91078.512.3463275.7109-1200-361.9118.512.3480275.91078.512.3468275.7697-1400-422.238.512.3480275.91078.512.3470275.7932-1600-

26、482.5498.512.3484275.95778.512.3472275.8167-1800-542.8678.512.3479275.89898.512.3474275.8402-2000-603.1868.512.3481275.92248.512.3467275.7579表6.2 測量自旋閥的磁電阻曲線:取向角度：180磁感應(yīng)強度/高斯磁阻/減小磁場增大磁場勵磁電流/mA磁感應(yīng)強度/高斯磁阻電流/uA電壓/mv電阻/磁阻電流/uA電壓/mv電阻/2000603.18588.512.2937269.538.512.2935269.5064631800542.86728.512.2937269.538.512.2936269.51821391600482.54868.512.2937269.538.512.2941269.57696831400422.23018.512.2939269.55358.512.2945269.62397181200361.91158.512.2942269.58878.512.2949269.67097531000301.59298.512.2945269.6248.512.2950269.6827262800241.27438.512.2951269.69458.512.2954269.7297297600