磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告思考題

磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告思考題2007年10月，法國(guó)科學(xué)家阿爾貝.費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家彼得.格林貝格爾因分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)而共同獲得了2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由磁場(chǎng)引起材料電阻變化的現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)。目前發(fā)現(xiàn)的磁電阻效應(yīng)有：正常磁電阻效應(yīng)（OMR）、各向異性磁電阻效應(yīng)（AMR）、巨磁電阻效應(yīng)（GMR）、龐磁電阻效應(yīng)（CMR）及隧穿磁電阻效應(yīng)（TMR）等。磁電阻傳感器可廣泛的應(yīng)用于家用電器、汽車工業(yè)和自動(dòng)控制技術(shù)中，對(duì)角度、轉(zhuǎn)速、加速度、位移等物理量進(jìn)行測(cè)量和控制。特別是巨磁電阻材料在數(shù)據(jù)讀出磁頭、磁隨機(jī)存儲(chǔ)器上有廣泛的應(yīng)用前景。本儀器提供三種磁電阻傳感器，分別為多層膜巨磁電阻傳感器、自旋閥巨磁電阻傳感器、各向異性磁電阻傳感器。幫助學(xué)生了解不同磁電阻效應(yīng)的原理及應(yīng)用，儀器安全可靠，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富。可用于高校、中專的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)、近代物理實(shí)驗(yàn)及綜合性設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．了解不同磁電阻效應(yīng)原理，測(cè)量不同磁場(chǎng)下三種材料磁電阻阻值，作

關(guān)系圖，求電阻相對(duì)變化率

的最大值；2.學(xué)習(xí)磁電阻傳感器定標(biāo)方法，計(jì)算三種磁電阻傳感器靈敏度；3．測(cè)量三種磁電阻傳感器輸出電壓

與通電導(dǎo)線電流I的關(guān)系；4．作自旋閥巨磁電阻傳感器磁滯回線?！緦?shí)驗(yàn)原理】（一）多層膜巨磁電阻效應(yīng)早在1856年，英國(guó)物理學(xué)家W.湯姆孫就發(fā)現(xiàn)了磁電阻效應(yīng)。通常以電阻率的相對(duì)變化率

來(lái)表示磁電阻的大小，，其中

和

分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度為和零時(shí)的電阻率。也可以用

來(lái)表示，其中和分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度為B和零時(shí)的電阻。目前發(fā)現(xiàn)的磁電阻效應(yīng)有：正常磁電阻效應(yīng)（OMR）、各向異性磁電阻效應(yīng)（AMR）、巨磁電阻效應(yīng)（GMR）、龐磁電阻效應(yīng)（CMR）及隧穿磁電阻效應(yīng)（TMR）等。1988年法國(guó)巴黎大學(xué)阿爾貝.費(fèi)爾教授和德國(guó)優(yōu)利西研究所的彼得.格林貝格爾教授分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，因而共同獲得了2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。巨磁電阻材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)大幅度減小，

比各向異性磁電阻效應(yīng)高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。磁場(chǎng)的微弱變化將導(dǎo)致巨磁電阻材料電阻值產(chǎn)生明顯改變，從而能夠用來(lái)探測(cè)微弱信號(hào)。一般材料的值都很小，通常小于1%；各向異性磁電阻材料（例如坡莫合金），可達(dá)到3%；而巨磁電阻材料

通常都在-10%以上，有些可達(dá)到-100%以上。因此，巨磁電阻材料受到了世界各國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的巨大關(guān)注，在短時(shí)間內(nèi)取得了令人矚目的理論及實(shí)驗(yàn)成果，并迅速進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域獲得巨大成功。多層膜巨磁電阻是一種層狀結(jié)構(gòu)，由厚度為幾個(gè)納米的鐵磁金屬層（Fe,Co,Ni等）和非磁性金屬層（Cr,Cu,Ag等）交替制成的，相鄰鐵磁金屬層的磁矩方向相反。這種多層膜的電阻隨外磁場(chǎng)變化而顯著變化。當(dāng)外磁場(chǎng)為零時(shí)，材料電阻最大；當(dāng)外磁場(chǎng)足夠大時(shí)，原本反平行的各層磁矩都沿外場(chǎng)方向排列，材料電阻最小。多層膜巨磁電阻效應(yīng)可以由二流體模型來(lái)解釋。在鐵磁金屬中，導(dǎo)電的s電子要受到磁性原子磁矩的散射作用，散射的幾率取決于導(dǎo)電的s電子自旋方向與薄膜中磁性原子磁矩方向的相對(duì)取向。即自旋方向與磁矩方向一致的電子受到的散射作用很弱，自旋方向與磁矩方向相反的電子則受到強(qiáng)烈的散射作用，而傳導(dǎo)電子受到的散射作用的強(qiáng)弱直接影響到材料電阻的大小。根據(jù)二流體模型，傳導(dǎo)電子分成自旋向上和自旋向下兩種，由于多層膜中非磁性金屬層對(duì)兩組自旋狀態(tài)不同的傳導(dǎo)電子的影響是相同的，所以只考慮磁層的影響。外加磁場(chǎng)為零時(shí)，相鄰鐵磁金屬層的磁矩方向相反，如圖1a所示，兩種電子都在穿過(guò)與其自旋方向相同的磁層后，在下一磁層受到強(qiáng)烈的散射，宏觀上，材料處于高電阻狀態(tài)。當(dāng)外加磁場(chǎng)足夠大時(shí)，如圖1b所示，原本反平行排列的各磁層磁矩都沿外磁場(chǎng)方向排列，一半電子可以穿過(guò)許多磁層只受到很弱的散射，另一半在每一層都受到很強(qiáng)的散射，宏觀上，材料處于低電阻狀態(tài)。這樣就產(chǎn)生了巨磁電阻現(xiàn)象。本儀器所用多層膜巨磁電阻傳感器采用惠斯登電橋和磁通屏蔽技術(shù)。傳感器基片上鍍了一層很厚的磁性材料，這層材料對(duì)其下方的巨磁電阻形成屏蔽，不讓任何外加磁場(chǎng)進(jìn)入被屏蔽的電阻器?；菟沟请姌颍ㄒ?jiàn)圖2）由四只相同的巨磁電阻組成，其中和在磁性材料的上方，受外磁場(chǎng)作用時(shí)電阻減小，而和在磁性材料的下方，被屏蔽而不受外磁場(chǎng)影響，電阻不變。（二）自旋閥巨磁電阻效應(yīng)目前，巨磁電阻效應(yīng)的主要應(yīng)用是在信息存儲(chǔ)系統(tǒng)中作為讀出磁頭。自旋閥巨磁電阻材料具有低飽和場(chǎng)、單位磁場(chǎng)電阻變化率高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于硬盤磁頭，使存儲(chǔ)單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使磁盤存儲(chǔ)密度得到大幅度的提高。自旋閥巨磁電阻材料主要由釘扎層（一般由FeMn層和NiFe層構(gòu)成）、自由層（NiFe層）和隔離層（Cu）構(gòu)成，為了防止氧化，一般再鍍一層保護(hù)層（見(jiàn)圖3）。在釘扎層中，F(xiàn)eMn和NiFe之間存在交換耦合作用，這導(dǎo)致NiFe層中出現(xiàn)單向各向異性。因此，釘扎層的磁滯回線將以一非零場(chǎng)HB為中心（HB為磁偏場(chǎng)）。自由層通過(guò)隔離層與釘扎層中的NiFe層存在很弱的耦合，所以自由層的磁滯回線基本上是以零場(chǎng)為中心的。因此，類似于多層膜中GMR的起因，在這樣的結(jié)構(gòu)中也存在較大的磁致電阻。在偏置場(chǎng)的作用下，釘扎層的磁矩方向在外場(chǎng)小于HB時(shí)不發(fā)生改變，而自由層磁矩的方向則隨外場(chǎng)方向變化而改變。當(dāng)自由層磁矩與釘扎層磁矩平行時(shí)，體系處于低電阻狀態(tài)，當(dāng)兩者反平行時(shí)，體系處于高電阻狀態(tài)。由于體系的電阻隨自由層磁矩方向的變化而改變，所以形象的稱這種結(jié)構(gòu)為自旋閥。本儀器所用自旋閥巨磁電阻傳感器采用惠斯登電橋結(jié)構(gòu)，惠斯登電橋（見(jiàn)圖4）由四只相同的巨磁電阻組成，其中R1和R3受外磁場(chǎng)作用時(shí)電阻增大，而R2和R4電阻減小。（三）各向異性磁電阻效應(yīng)各向異性磁電阻是指鐵磁金屬和合金體中，磁場(chǎng)方向平行電流方向的電阻率ρ∥與磁場(chǎng)方向垂直于電流方向的電阻率ρ⊥發(fā)生變化的效應(yīng)。由于AMR具有小的飽和磁場(chǎng)，以及高的磁場(chǎng)靈敏度，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類傳感器中，AMR效應(yīng)強(qiáng)烈地依賴于自發(fā)的磁化方向，它是由于鐵磁性磁疇在外磁場(chǎng)的作用下各向異性運(yùn)動(dòng)造成的。本儀器所用各向異性磁電阻傳感器由長(zhǎng)而薄的坡莫合金(鐵鎳合金)制成一維磁阻微電路集成芯片。它利用通常的半導(dǎo)體工藝，將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上，如圖5所示。薄膜的電阻率依賴于磁化強(qiáng)度M和電流I方向間的夾角，具有以下關(guān)系式其中、

分別是電流I平行于M和垂直于M時(shí)的電阻率。當(dāng)沿著鐵鎳合金帶的長(zhǎng)度方向通以一定的直流電流，而垂直于電流方向施加一個(gè)外界磁場(chǎng)時(shí)，合金帶自身的阻值會(huì)生較大的變化，利用合金帶阻值這一變化，可以測(cè)量磁場(chǎng)大小和方向。同時(shí)制作時(shí)還在硅片上設(shè)計(jì)了鋁制電流帶，用來(lái)置位與復(fù)位，該傳感器遇到強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)時(shí)，將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)象，可以用來(lái)置位或復(fù)位極性。傳感器由四條鐵鎳合金磁電阻組成惠斯登電橋結(jié)構(gòu)（與圖4結(jié)構(gòu)相同），由于適當(dāng)配置的四個(gè)磁電阻電流方向不相同，當(dāng)存在外界磁場(chǎng)時(shí)，引起電阻值變化有增有減。（四）磁電阻測(cè)量原理因?yàn)槿N傳感器均采用惠斯登電橋結(jié)構(gòu)，由四只相同的磁電阻

組成，只能輸出差分電壓，不能充分反映各自磁電阻特性。本儀器采用如下結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量不同種類傳感器的。將惠斯登電橋中處于對(duì)角位置的兩只電阻短路，即將電橋中與連成一點(diǎn)，同時(shí)將與0連成一點(diǎn)，則惠斯登電橋變?yōu)閳D6中結(jié)構(gòu)，將其等效成一只電阻，則。在圖7中，將一已知阻值的精密電阻與串聯(lián)，施加一已知恒壓（本儀器為5V），在兩端并聯(lián)一數(shù)字電壓表，便可以得到惠斯登電橋中單元電阻的磁電阻特性。由圖7可得其中V為數(shù)字電壓表讀數(shù)，則當(dāng)磁場(chǎng)為0時(shí)，有其中為磁電阻在磁場(chǎng)為0時(shí)的阻值，為數(shù)字電壓表在磁場(chǎng)為0時(shí)的讀數(shù)，則【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】實(shí)驗(yàn)一了解多層膜巨磁電阻效應(yīng)原理，測(cè)量不同磁場(chǎng)下巨磁電阻阻值，作關(guān)系圖，求電阻相對(duì)變化率

的最大值1.亥姆霍茲線圈樣品模塊換成多層膜巨磁電阻傳感器，用航空線連接主機(jī)和實(shí)驗(yàn)裝置，將亥姆霍茲線圈用紅黑藍(lán)導(dǎo)線串聯(lián)起來(lái)，與主機(jī)上的線圈電源相連，機(jī)箱面板上的白色按鍵分別選擇線圈電源及MR比測(cè)量；2.打開(kāi)主機(jī)，將線圈電流調(diào)零，逐漸升高線圈電流，可以看見(jiàn)電壓表的輸出逐漸增大，將線圈電流歸零；3．記下線圈電流為0時(shí)電壓表的數(shù)值V0，從0開(kāi)始逐漸升高線圈電流。每隔0.05A左右記一次測(cè)量電壓表的輸出值V；4.計(jì)算不同磁場(chǎng)下的磁電阻阻值，作

關(guān)系圖，求的最大值。實(shí)驗(yàn)二學(xué)習(xí)多層膜巨磁電阻傳感器定標(biāo)方法，計(jì)算傳感器靈敏度1．機(jī)箱面板上的白色按鍵分別選擇線圈電源及傳感器測(cè)量；2.打開(kāi)主機(jī)，將線圈電流調(diào)零，將傳感器輸出調(diào)零。逐漸升高線圈電流，可以看見(jiàn)傳感器輸出逐漸增大，將線圈電流和傳感器輸出再次歸零；3．將線圈電流由零開(kāi)始逐漸增大，每隔0.05A左右記一次傳感器輸出電壓；4．以傳感器輸出電壓為Y軸，磁場(chǎng)B為X軸作圖，得到傳感器的靈敏度K。實(shí)驗(yàn)三

測(cè)量多層膜巨磁電阻傳感器輸出電壓與通電導(dǎo)線電流I的關(guān)系1．用紅黑導(dǎo)線將實(shí)驗(yàn)裝置黑色底板上的插座與主機(jī)上的被測(cè)電流相連，機(jī)箱面板上的白色按鍵分別選擇待測(cè)電流及傳感器測(cè)量；2．將被測(cè)電流調(diào)零，傳感器輸出調(diào)零，逐漸升高被測(cè)電流，可以看見(jiàn)傳感器輸出逐漸增大，將被測(cè)電流和傳感器輸出再次歸零；3．將被測(cè)電流由零開(kāi)始逐漸增大，每隔0.5A左右記一次傳感器輸出電壓，以傳感器輸出電壓為Y軸，被測(cè)電流值I為X軸作圖。實(shí)驗(yàn)四

作自旋閥巨磁電阻傳感器磁滯回線1．亥姆霍茲線圈樣品模塊換成自旋閥巨磁電阻傳感器，機(jī)箱面板上的白色按鍵分別選擇線圈電源及傳感器測(cè)量；2．打開(kāi)主機(jī)，將線圈電流調(diào)零，將傳感器輸出調(diào)零。將線圈電流由零開(kāi)始逐漸增大，每隔0.1A左右記一次傳感器輸出電壓，從零升至1.2A后再逐漸減小至零，將線圈電源調(diào)換方向，從零升至-1.2A，再逐漸減小至零，再次調(diào)換方向，從零升至1.2A，記下對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電壓；3．以傳感器輸出電壓為Y軸，磁場(chǎng)B為X軸作圖，得到自旋閥巨磁電阻傳感器磁滯回線。實(shí)驗(yàn)五

自旋閥巨磁電阻傳感器和各向異性磁電阻傳感器實(shí)驗(yàn)1．按照實(shí)驗(yàn)一至三完成自旋閥巨磁電阻傳感器其它實(shí)驗(yàn)；2．亥姆霍茲線圈樣品模塊換成各向異性磁電阻傳感器，按照實(shí)驗(yàn)一至三完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】（注：僅供實(shí)驗(yàn)時(shí)參考）實(shí)驗(yàn)二由傳感器技術(shù)指標(biāo)知多層膜巨磁電阻傳感器線性范圍為0.15mT－1.05mT，只取此部分?jǐn)?shù)據(jù)由最小二乘法擬合得到=0.172B，相關(guān)系數(shù)為0.999。傳感器工作電壓為5V，得到傳感器靈敏度為34.4mV/V/mT（傳感器技術(shù)指標(biāo)中多層膜巨磁電阻傳感器靈敏度為30.0mV/V/mT－42.0mV/V/mT）。實(shí)驗(yàn)三由最小二乘法擬合得到=0.0038I，相關(guān)系數(shù)為0.999，即多層膜巨磁電阻傳感器的輸出電壓與被測(cè)電流I成正比。因此，可以用來(lái)測(cè)量未知電流。實(shí)驗(yàn)四由傳感器技術(shù)指標(biāo)知自旋閥巨磁電阻傳感器線性范圍為-0.81mT－0.87mT，只取此部分?jǐn)?shù)據(jù)由最小二乘法擬合得到=0.07B，相關(guān)系數(shù)為0.999。傳感器工作電壓為5V，得到傳感器靈敏度為14.0mV/V/mT（傳感器技術(shù)指標(biāo)中自旋閥巨磁電阻傳感器靈敏度為13.0mV/V/mT－16.0mV/V/mT）。實(shí)驗(yàn)五由最小二乘法擬合得到

=0.0015I，相關(guān)系數(shù)為0.999，即自旋閥巨磁電阻傳感器的輸出電壓與被測(cè)電流I成正比。因此，可以用來(lái)測(cè)量未知電流。注：各向異性磁電阻傳感器在±2mT的磁場(chǎng)范圍內(nèi)輸出會(huì)發(fā)生重復(fù)，即在某一場(chǎng)強(qiáng)輸出達(dá)到最大值后，再增大磁場(chǎng)，傳感器輸出轉(zhuǎn)而減?。ú幌窳韮煞N傳感器會(huì)飽和），且磁場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，傳感器靈敏度會(huì)降低，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)試到傳感器輸出最大值時(shí)即可，不用測(cè)到線圈電流最大值。由傳感器技術(shù)指標(biāo)知各向異性磁電阻傳感器線性范圍為-0.6mT－0.6mT，只取此部分?jǐn)?shù)據(jù)由最小二乘法擬合得到=0.045B，相關(guān)系數(shù)為0.999。傳感器工作電壓為5V，得到傳感器靈敏度為9.0mV/V/mT（傳感器技術(shù)指標(biāo)中各向異性磁電阻傳感器靈敏度為8.0mV/V/mT－12.0mV/V/mT）。注：各向異性磁電阻傳感器遇到較強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，其靈敏度會(huì)降低，需要按機(jī)箱面板上的紅色復(fù)位鍵使其恢復(fù)原來(lái)的靈敏度，另外兩種傳感器不需要此類操作。由最小二乘法擬合