巨磁電阻效應及應用 實驗內容與操作

PAGEPAGE6巨磁電阻效應及應用實驗內容與操作一、GMR模擬傳感器的磁電轉換特性測量在將GMR構成傳感器時，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，圖10是某型號傳感器的結構。 對于電橋結構，如果4個GMR電阻對磁場的響應完全同步，就不會有信號輸出。圖10中，將處在電橋對角位置的兩個電阻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GMR電阻的阻值均為R，R1、R2在外磁場作用下電阻減小ΔR，簡單分析表明，輸出電壓：UOUT=UINΔR/（2R-ΔR）（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。從圖10的幾何結構還可見，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kΩ數(shù)量級，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換特性曲線。圖12是磁電轉換特性的測量原理圖。圖12模擬傳感器磁電轉換特性實驗原理圖實驗裝置：巨磁阻實驗儀，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“傳感器測量”。實驗儀的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“模擬信號輸出”接至實驗儀電壓表。按表1數(shù)據(jù)，調節(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，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。理論上講，外磁場為零時，GMR傳感器的輸出應為零，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。表1GMR模擬傳感器磁電轉換特性的測量（電壓取4V）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10025625690256255802562547025425060242731502121954017015030128110209074105441536240209－51429－103446－206680－30101119－40140160－50183200－60224236－70246252－80252255－90255256－100256256根據(jù)螺線管上標明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內的磁感應強度B。以磁感應強度B作橫座標，電壓表的讀數(shù)為縱座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GMR傳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。圖13磁阻特性測量原理圖圖13磁阻特性測量原理圖二、GMR磁阻特性測量為加深對巨磁電阻效應的理解，我們對構成GMR模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，就可計算磁阻。測量原理如圖13所示。實驗裝置：巨磁阻實驗儀，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。表2GMR磁阻特性的測量（磁阻兩端電壓取4V）磁感應強度/高斯磁阻/Ω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/Ω磁阻電流/mA磁阻/Ω1001.9381.938901.9381.937801.9381.935701.9361.931601.9251.913501.8941.881401.8541.834301.8111.799201.7761.763101.7441.73451.7281.71901.7141.704－51.7131.722－101.7271.737－201.7561.768－301.7881.804－401.8251.844－501.8671.885－601.9051.918－701.9281.934－801.9361.937－901.9371.938－1001.9381.938根據(jù)螺線管上標明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內的磁感應強度B。由歐姆定律R=U/I計算磁阻。以磁感應強度B作橫座標，磁阻為縱座標作出磁阻特性曲線。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的磁阻特性，同一外磁場強度下磁阻的差值反映了材料的磁滯特性。三、用GMR模擬傳感器測量電流從圖11可見，GMR模擬傳感器在一定的范圍內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制成磁場計，測量磁場強度或其它與磁場相關的物理量。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=μ0I/2πr=2I×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GMR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。圖16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。將待測電流調節(jié)至0。將偏置磁鐵轉到遠離GMR傳感器，調節(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。將待測電流調節(jié)至0。將偏置磁鐵轉到接近GMR傳感器，調節(jié)磁鐵與傳感器的距離，使輸出約150mV。用低磁偏置時同樣的實驗方法，測量適當磁偏置時待測電流與輸出電壓的關系。表3用GMR模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26.726.225.625.024.423.923.3增加電流26.726.225.624.924.423.823.2適當磁偏置(約150mV)減小電流152.1151.4150.7149.9149.1148.4147.6增加電流152.5151.7151.0149.8149.1148.3147.6以電流讀數(shù)作橫坐標，電壓表的讀數(shù)為縱坐標作圖。分別作出4條曲線。由測量數(shù)據(jù)及所作圖形可以看出，適當磁偏置時線性較好，斜率（靈敏度）較高。由于待測電流產(chǎn)生的磁場遠小于偏置磁場，磁滯對測量的影響也較小，根據(jù)輸出電壓的大小就可確定待測電流的大小。用GMR傳感器測量電流不用將測量儀器接入電路，不會對電路工作產(chǎn)生干擾，既可測量直流，也可測量交流，具有廣闊的應用前景。四、GMR梯度傳感器的特性及應用將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，即構成梯度傳感器，如圖17所示。 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，R1、R2感受到的磁場強度大于R3、R4，輸出正電壓。c位置時，輸出回歸零。d位置時，R1、R2感受到的磁場強度小于R3、R4，輸出負電壓。于是,在齒輪轉動過程中,每轉過一個齒牙便產(chǎn)生一個完整的波形輸出。這一原理已普遍應用于轉速（速度）與位移監(jiān)控，在汽車及其它工業(yè)領域得到廣泛應用。實驗裝置：巨磁阻實驗儀、角位移測量組件。將實驗儀4V電壓源接角位移測量組件“巨磁電阻供電”，角位移測量組件“信號輸出”接實驗儀電壓表。逆時針慢慢轉動齒輪，當輸出電壓為零時記錄起始角度，以后每轉3度記錄一次角度與電壓表的讀數(shù)。轉動48度齒輪轉過2齒，輸出電壓變化2個周期。 以齒輪實際轉過的度數(shù)為橫坐標，電壓表的讀數(shù)為縱向坐標作圖。表4齒輪