巨磁電阻的測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

精選公文范文 巨磁電阻的測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告篇一：巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)報(bào)告巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解GMR效應(yīng)的原理2、 測量GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線3、測量GMR的磁阻特性曲線4、用GMR傳感器測量電流5、用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移，了解GMR轉(zhuǎn)速（速度）傳感器的原理實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)導(dǎo)電的微觀機(jī)理，電子在導(dǎo)電時(shí)并不是沿電場直線前進(jìn)，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(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向，總的運(yùn)動(dòng)是電場對(duì)電子的定向加速與這種無規(guī)散射運(yùn)動(dòng)的疊加。稱電子在兩次散射 精選公文范文 1 精選公文范文 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(guān)，這是因?yàn)橥ǔ２牧系膸缀纬叨冗h(yuǎn)大于電子的平均自由程（例如銅中電子的平均自由程約34nm），可以忽略邊界效應(yīng)。當(dāng)材料的幾何尺度小到納米量級(jí)，只有幾個(gè)原子的厚度時(shí)（例如，銅原子的直徑約為），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(xué)家，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者指出，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(yuǎn)小于自旋磁矩與材料的磁場方向反平行的電子?？傠娏魇莾深愖孕娏髦?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。 精選公文范文 在圖2所示的多層膜結(jié)構(gòu)中，無外磁場時(shí)，上下兩層磁性材料是反平行（反鐵磁）耦合的。施加足夠強(qiáng)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(yīng)用中是平行于膜面的。電阻歐姆無外磁場時(shí)頂層磁場方向無外磁場時(shí)底層磁場方向\磁場強(qiáng)度/高斯圖3某種GMR材料的磁阻特性圖2多層膜GMR結(jié)構(gòu)圖圖3是圖2結(jié)構(gòu)的某種GMR材料的磁阻特性。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(dāng)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(jìn)入磁飽和區(qū)域。磁阻變化率AR/R達(dá)百分之十幾，加反向磁場時(shí)磁阻特性是對(duì)稱的。注意到圖2中的曲線有兩條，分 精選公文范文 3 精選公文范文 別對(duì)應(yīng)增大磁場和減小磁場時(shí)的磁阻特性，這是因?yàn)殍F磁材料都具有磁滯特性。有兩類與自旋相關(guān)的散射對(duì)巨磁電阻效應(yīng)有貢獻(xiàn)。其一，界面上的散射。無外磁場時(shí),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(jìn)入另一層鐵磁膜時(shí)都面臨狀態(tài)改變（平行一反平行，或反平行一平行），電子在界面上的散射幾率很大，對(duì)應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場時(shí)，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(duì)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，電子也有一定的幾率在上下兩層鐵磁膜之間穿行。無外磁場時(shí)，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，在穿行過程中都會(huì)經(jīng)歷散射幾率?。ㄆ叫校┖蜕⑸鋷茁蚀螅ǚ雌叫校﹥煞N過程，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個(gè)中等阻值的電阻的并聯(lián)，對(duì) 精選公文范文 4 精選公文范文 應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場時(shí)，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(gè)小電阻與一個(gè)大電阻的并聯(lián)，對(duì)應(yīng)于低電阻狀態(tài)。多層膜GMR結(jié)構(gòu)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(yīng)用。在數(shù)字記錄與讀出領(lǐng)域，為進(jìn)一步提高靈敏度，發(fā)展了自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR。實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：巨磁電阻實(shí)驗(yàn)儀、基本特性組件、電流測量組件、角位移測量組件、磁讀寫組件。基本特性組件由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(duì)GMR的磁電轉(zhuǎn)換特性，磁阻特性進(jìn)行測量。GMR傳感器置于螺線管的中央。螺線管用于在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生大小可計(jì)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(diǎn)的磁感應(yīng) 精選公文范文 強(qiáng)度為：B=pOnl(1)?7式中n為線圈密度，I為流經(jīng)線圈的電流強(qiáng)度,0?4??10H/m為真空中的磁導(dǎo)率。采用國際單位制時(shí)，由上式計(jì)算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位為特斯拉(1特斯拉=10000高斯)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理一、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量在將GMR構(gòu)成傳感器時(shí)，為了消除溫度變化等環(huán)境因素對(duì)輸出的影響，一般采用橋式結(jié)構(gòu)。a幾何結(jié)構(gòu)b電路連接GMR模擬傳感器結(jié)構(gòu)圖對(duì)于電橋結(jié)構(gòu)，如果4個(gè)GMR電阻對(duì)磁場的影響完全同步，就不會(huì)有信號(hào)輸出。圖17-9中，將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€(gè)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(duì)它們 精選公文范文 6 精選公文范文 的影響，而Rl,R2阻值隨外磁場改變。設(shè)無外磁場時(shí)4個(gè)GMR電阻的阻值均為R,Rl、R2在外磁場作用下電阻減小壓，簡單分析表明，輸出電壓：U=UIN屏蔽層同時(shí)設(shè)計(jì)為磁通聚集器，它的高導(dǎo)磁率將磁力線聚集在Rl、R2電阻所在的空間，進(jìn)一步提高了Rl，R2的磁靈敏度。從幾何結(jié)構(gòu)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k?數(shù)量級(jí)，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。OUTGMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性實(shí)驗(yàn)原理圖將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”。實(shí)驗(yàn)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(hào)輸出”接至實(shí)驗(yàn)儀電壓表。 精選公文范文 精選公文范文 按表1數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，逐漸減小磁場強(qiáng)度，記錄相應(yīng)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(fù)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i，此時(shí)流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)樨?fù)，從上到下記錄相應(yīng)的輸出電壓。電流至-100mA后，逐漸減小負(fù)向電流，電流到0時(shí)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(shí)，GMR傳感器的輸出應(yīng)為零，但由于半導(dǎo)體工藝的限制，4個(gè)橋臂電阻值不一定完全相同，導(dǎo)致外磁場為零時(shí)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(jì)算出螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。以磁感應(yīng)強(qiáng)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。不同外磁場強(qiáng)度時(shí)輸出電壓的變化反映了GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性，同 精選公文范文 8 精選公文范文 一外磁場強(qiáng)度下輸出電壓的差值反映了材料的磁滯特性。表1GMR模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性的測量（電橋電壓4V,線圈密度為24000匝/米）二、GMR磁阻特性測量篇二：巨磁電阻實(shí)驗(yàn)報(bào)告巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用婁恩豪2010301510012實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釭MR效應(yīng)的原理測量GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量GMR的磁阻特性曲線測量GMR開關(guān)（數(shù)字）傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線用GMR傳感器測量電流用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移，了解GMR轉(zhuǎn)速（速度）傳感器的原理通過實(shí)驗(yàn)了解磁記錄與讀出的原理實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)導(dǎo)電的微觀機(jī)理，電子在導(dǎo)電 精選公文范文 時(shí)并不是沿電場直線前進(jìn)，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(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向，總的運(yùn)動(dòng)是電場對(duì)電子的定向加速與這種無規(guī)散射運(yùn)動(dòng)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(guān)，這是因?yàn)橥ǔ２牧系膸缀纬叨冗h(yuǎn)大于電子的平均自由程（例如銅中電子的平均自由程約34nm），可以忽略邊界效應(yīng)。當(dāng)材料的幾何尺度小到納米量級(jí)，只有幾個(gè)原子的厚度時(shí)（例如，銅原子的直徑約為），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(xué)家，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者指出，在過渡金屬中，自旋磁矩與材料的磁場方向平行 精選公文范文 io 精選公文范文 的電子，所受散射幾率遠(yuǎn)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所示的多層膜結(jié)構(gòu)中，無外磁場時(shí)，上下兩層磁性材料是反平行（反鐵磁）耦合的。施加足夠強(qiáng)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(yīng)用中是平行于膜面的。無外磁場時(shí)頂層磁場方向無外磁場時(shí)底層磁場方向電阻歐姆\圖2多層膜GMR結(jié)構(gòu)圖磁場強(qiáng)度/高斯圖3某種GMR材料的磁阻特性圖3是圖2結(jié)構(gòu)的某種GMR材料的磁阻特性。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。 精選公文范文 ii 精選公文范文 當(dāng)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(jìn)入磁飽和區(qū)域。磁阻變化率AR/R達(dá)百分之十幾，加反向磁場時(shí)磁阻特性是對(duì)稱的。注意到圖2中的曲線有兩條，分別對(duì)應(yīng)增大磁場和減小磁場時(shí)的磁阻特性，這是因?yàn)殍F磁材料都具有磁滯特性。有兩類與自旋相關(guān)的散射對(duì)巨磁電阻效應(yīng)有貢獻(xiàn)。其一，界面上的散射。無外磁場時(shí),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(jìn)入另一層鐵磁膜時(shí)都面臨狀態(tài)改變（平行一反平行，或反平行一平行），電子在界面上的散射幾率很大，對(duì)應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場時(shí)，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(duì)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，電子也有一定的幾率在上下兩層鐵磁膜之間穿行。無外磁場時(shí)，上下兩層鐵磁膜的 精選公文范文 12 精選公文范文 磁場方向相反，無論電子的初始自旋狀態(tài)如何，在穿行過程中都會(huì)經(jīng)歷散射幾率?。ㄆ叫校┖蜕⑸鋷茁蚀螅ǚ雌叫校﹥煞N過程，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個(gè)中等阻值的電阻的并聯(lián)，對(duì)應(yīng)于咼電阻狀態(tài)。有外磁場時(shí)，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(gè)小電阻與一個(gè)大電阻的并聯(lián)，對(duì)應(yīng)于低電阻狀態(tài)。多層膜GMR結(jié)構(gòu)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(yīng)用。在數(shù)字記錄與讀出領(lǐng)域，為進(jìn)一步提高靈敏度，發(fā)展了自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR。如圖4所示。自旋閥結(jié)構(gòu)的SV-GMR由釘扎層，被釘扎層，中間導(dǎo)電層和自由層構(gòu)成。其中，釘扎層使用反鐵磁材料，被釘扎層使用硬鐵磁材料，鐵磁和反鐵磁材料在交換耦合作用下形成一個(gè)偏轉(zhuǎn)場，此 精選公文范文 13 精選公文范文 偏轉(zhuǎn)場將被釘扎層的磁化方向固定，不隨外磁場改變。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(dòng)。這樣,很弱的外磁場就會(huì)改變自由層與被釘扎層磁場的相對(duì)取向，對(duì)應(yīng)于很高的靈敏度。制造時(shí)，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相同或相反（對(duì)應(yīng)于0或1），當(dāng)感應(yīng)到磁記錄材料的磁場時(shí)，自由層的磁化方向就向與被釘扎層磁化方向相同（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，硬盤所用的GMR磁頭就采用這種結(jié)構(gòu)。圖4自旋閥SV-GMR結(jié)構(gòu)圖實(shí)驗(yàn)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GMR構(gòu)成傳感器時(shí)，為了消除溫度變化等環(huán)境因素對(duì)輸出的影響，一般采用橋式結(jié)構(gòu)，對(duì)于電橋結(jié)構(gòu),如果4個(gè)GMR電阻對(duì)磁場的響應(yīng)完全同 精選公文范文 14 精選公文范文 步，就不會(huì)有信號(hào)輸出。圖10中，將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€(gè)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(duì)它們的影響，而R1、R2阻值隨外磁場改變。設(shè)無外磁場時(shí)4個(gè)GMR電阻的阻值均為R，Rl、R2在外磁場作用下電阻減小AR，簡單分析表明，輸出電壓：1UOUT=UINAR/(2R-AR) (2)屏蔽層同時(shí)設(shè)計(jì)為磁通聚集器，它的高導(dǎo)磁率將磁力線聚集在Rl、R2電阻所在的空間，進(jìn)一步提高了Rl、R2的磁靈敏度。從圖10的幾何結(jié)構(gòu)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kQ數(shù)量級(jí)，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。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。輸出/V 精選公文范文 15 精選公文范文 磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯圖11GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性將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”。實(shí)驗(yàn)儀的4伏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(hào)輸出”接至實(shí)驗(yàn)儀電壓表。按表1數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，逐漸減小磁場強(qiáng)度，記錄相應(yīng)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(fù)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(shí)流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)樨?fù)，從上到下記錄相應(yīng)的輸出電壓。電流至一100mA后，逐漸減小負(fù)向電流，電流到0時(shí)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(shí)，GMR傳 精選公文范文 16 精選公文范文 感器的輸出應(yīng)為零，但由于半導(dǎo)體工藝的限制，4個(gè)橋臂電阻值不一定完全相同，導(dǎo)致外磁場為零時(shí)輸出不一定為零,在有的傳感器中可以觀察到這一現(xiàn)象。表1GMR模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性的測量電橋電壓4V2以磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度時(shí)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(qiáng)度下輸出電壓的差值反映了材料的磁滯特性。根據(jù)螺線管上標(biāo)明的線圈密度，由公式（1）計(jì)算出螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bo二、GMR磁阻特性測量圖13磁阻特性測量原理圖為加深對(duì)巨磁電阻效應(yīng)的理解，我們對(duì)構(gòu)成GMR模擬傳感器的磁阻進(jìn)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(shí)被磁屏蔽的 精選公文范文 17 精選公文范文 兩個(gè)電橋電阻R3,R4被短路，而R1,R2并聯(lián)。將電流表串連進(jìn)電路中，測量不同磁場時(shí)回路中電流的大小，就可計(jì)算磁阻。測量原理如圖13所示。實(shí)驗(yàn)裝置：巨磁阻實(shí)驗(yàn)儀，基本特性組件。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”實(shí)驗(yàn)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”。3按表2數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，逐漸減小磁場強(qiáng)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提供負(fù)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(shí)流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)樨?fù)，從上到下記錄相應(yīng)的輸出電壓。電流至一100mA后，逐漸減小負(fù)向電流，電流到0時(shí)同樣需要交換恒流輸 精選公文范文 18 精選公文范文 出接線的極性。從下到上記錄數(shù)據(jù)于“增大