巨磁電阻效應(yīng)及應(yīng)用 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與操作

PAGEPAGE6巨磁電阻效應(yīng)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與操作一、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測(cè)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)，圖10是某型號(hào)傳感器的結(jié)構(gòu)。 對(duì)于電橋結(jié)構(gòu)，如果4個(gè)GMR電阻對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)完全同步，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(chǎng)對(duì)它們的影響，而R1、R2阻值隨外磁場(chǎng)改變。設(shè)無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)4個(gè)GMR電阻的阻值均為R，R1、R2在外磁場(chǎng)作用下電阻減小ΔR，簡(jiǎn)單分析表明，輸出電壓：UOUT=UINΔR/（2R-ΔR）（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R1、R2電阻所在的空間,進(jìn)一步提高了R1、R2的磁靈敏度。從圖10的幾何結(jié)構(gòu)還可見(jiàn)，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(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(cè)量原理圖。圖12模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性實(shí)驗(yàn)原理圖實(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(chǎng)中，功能切換按鈕切換為“傳感器測(cè)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(chǎng)強(qiáng)度，記錄相應(yīng)的輸出電壓于表格“減小磁場(chǎng)”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－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(chǎng)”列中。理論上講，外磁場(chǎng)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(chǎng)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(cè)量（電壓取4V）磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯輸出電壓/mV勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯減小磁場(chǎng)增大磁場(chǎng)10025625690256255802562547025425060242731502121954017015030128110209074105441536240209－51429－103446－206680－30101119－40140160－50183200－60224236－70246252－80252255－90255256－100256256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B。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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(cè)量原理圖圖13磁阻特性測(cè)量原理圖二、GMR磁阻特性測(cè)量為加深對(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(cè)量。將基本特性組件的功能切換按鈕切換為“巨磁阻測(cè)量”，此時(shí)被磁屏蔽的兩個(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(cè)量不同磁場(chǎng)時(shí)回路中電流的大小，就可計(jì)算磁阻。測(cè)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(chǎng)中，功能切換按鈕切換為“巨磁阻測(cè)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”。按表2數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，逐漸減小磁場(chǎng)強(qiáng)度，記錄相應(yīng)的磁阻電流于表格“減小磁場(chǎng)”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－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(chǎng)”列中。表2GMR磁阻特性的測(cè)量（磁阻兩端電壓取4V）磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯磁阻/Ω減小磁場(chǎng)增大磁場(chǎng)勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)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(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B。由歐姆定律R=U/I計(jì)算磁阻。以磁感應(yīng)強(qiáng)度B作橫座標(biāo)，磁阻為縱座標(biāo)作出磁阻特性曲線。應(yīng)該注意，由于模擬傳感器的兩個(gè)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(jié)構(gòu)使磁阻靈敏度大大提高。不同外磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)磁阻的變化反映了GMR的磁阻特性，同一外磁場(chǎng)強(qiáng)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(cè)量電流從圖11可見(jiàn)，GMR模擬傳感器在一定的范圍內(nèi)輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性關(guān)系，且靈敏度高，線性范圍大，可以方便的將GMR制成磁場(chǎng)計(jì)，測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度或其它與磁場(chǎng)相關(guān)的物理量。作為應(yīng)用示例，我們用它來(lái)測(cè)量電流。由理論分析可知，通有電流I的無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線，與導(dǎo)線距離為r的一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B=μ0I/2πr=2I×10-7/r（3）磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流成正比，在r已知的條件下，測(cè)得B，就可知I。在實(shí)際應(yīng)用中，為了使GMR模擬傳感器工作在線性區(qū)，提高測(cè)量精度，還常常預(yù)先給傳感器施加一固定已知磁場(chǎng)，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(cè)量電流實(shí)驗(yàn)原理圖實(shí)驗(yàn)裝置：巨磁阻實(shí)驗(yàn)儀，電流測(cè)量組件實(shí)驗(yàn)儀的4伏電壓源接至電流測(cè)量組件“巨磁電阻供電”，恒流源接至“待測(cè)電流輸入”，電流測(cè)量組件“信號(hào)輸出”接至實(shí)驗(yàn)儀電壓表。將待測(cè)電流調(diào)節(jié)至0。將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)離GMR傳感器，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(cè)電流，從左到右記錄相應(yīng)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(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)電流方向?yàn)樨?fù)，記錄相應(yīng)的輸出電壓。逐漸減小負(fù)向待測(cè)電流，從右到左記錄相應(yīng)的輸出電壓于表格“增加電流”行中。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)電流方向?yàn)檎涗浵鄳?yīng)的輸出電壓。將待測(cè)電流調(diào)節(jié)至0。將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到接近GMR傳感器，調(diào)節(jié)磁鐵與傳感器的距離，使輸出約150mV。用低磁偏置時(shí)同樣的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量適當(dāng)磁偏置時(shí)待測(cè)電流與輸出電壓的關(guān)系。表3用GMR模擬傳感器測(cè)量電流待測(cè)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(dāng)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(biāo)，電壓表的讀數(shù)為縱坐標(biāo)作圖。分別作出4條曲線。由測(cè)量數(shù)據(jù)及所作圖形可以看出，適當(dāng)磁偏置時(shí)線性較好，斜率（靈敏度）較高。由于待測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)遠(yuǎn)小于偏置磁場(chǎng)，磁滯對(duì)測(cè)量的影響也較小，根據(jù)輸出電壓的大小就可確定待測(cè)電流的大小。用GMR傳感器測(cè)量電流不用將測(cè)量?jī)x器接入電路，不會(huì)對(duì)電路工作產(chǎn)生干擾，既可測(cè)量直流，也可測(cè)量交流，具有廣闊的應(yīng)用前景。四、GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用將GMR電橋兩對(duì)對(duì)角電阻分別置于集成電路兩端，4個(gè)電阻都不加磁屏蔽，即構(gòu)成梯度傳感器，如圖17所示。 這種傳感器若置于均勻磁場(chǎng)中，由于4個(gè)橋臂電阻阻值變化相同，電橋輸出為零。如果磁場(chǎng)存在一定的梯度，各GMR電阻感受到的磁場(chǎng)不同，磁阻變化不一樣，就會(huì)有信號(hào)輸出。圖18以檢測(cè)齒輪的角位移為例，說(shuō)明其應(yīng)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(chǎng)在相對(duì)于齒牙不同位置時(shí)，產(chǎn)生不同的梯度磁場(chǎng)。a位置時(shí)，輸出為零。b位置時(shí)，R1、R2感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于R3、R4，輸出正電壓。c位置時(shí)，輸出回歸零。d位置時(shí)，R1、R2感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度小于R3、R4，輸出負(fù)電壓。于是,在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒牙便產(chǎn)生一個(gè)完整的波形輸出。這一原理已普遍應(yīng)用于轉(zhuǎn)速（速度）與位移監(jiān)控，在汽車及其它工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)裝置：巨磁阻實(shí)驗(yàn)儀、角位移測(cè)量組件。將實(shí)驗(yàn)儀4V電壓源接角位移測(cè)量組件“巨磁電阻供電”，角位移測(cè)量組件“信號(hào)輸出”接實(shí)驗(yàn)儀電壓表。逆時(shí)針慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，當(dāng)輸出電壓為零時(shí)記錄起始角度，以后每轉(zhuǎn)3度記錄一次角度與電壓表的讀數(shù)。轉(zhuǎn)動(dòng)48度齒輪轉(zhuǎn)過(guò)2齒，輸出電壓變化2個(gè)周期。 以齒輪實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的度數(shù)為橫坐標(biāo)，電壓表的讀數(shù)為縱向坐標(biāo)作圖。表4齒輪