巨磁電阻效應及其應用實驗報告

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯巨磁電阻效應及其應用實驗報告 巨磁電阻效應及其應用 【試驗目的】 1 1、 了解 M GM 效應的原理 2 2、 測量 M GM 模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線 3 3、 測量 M GM 的磁阻特性曲線 4 、 用 GM 傳感器測量電流 5 5、 用 M GM 梯度傳感器測量齒輪的角位移，了解 M GM 轉(zhuǎn)速（速度）傳感器的原理 【試驗原理】 依據(jù)導電的微觀機理， 電子在導電時并不是沿電場直線前進， 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轉(zhuǎn)變運動方向，總的運動是電場對電子的定向 加速與這種無規(guī)散射運動的疊加。 稱電子在兩次散射之間走過

2、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 S R=J/S 中，把電阻率視為常數(shù)， 與材料的幾何尺度無關(guān)， 這是由于通常材料的幾何尺度遠大于電子的平均自由程 （例如銅中 電子的平均自由程約 34nn）,可以忽視邊界效應。當材料的幾何尺度小到納米量級，只有幾 個原子的厚度時（例如，銅原子的直徑約為 0.3nm），電子在邊界上的散射幾率大大增加，可 以明顯觀看到厚度減小，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 6 1936 年，英國物理學家，諾貝爾獎獲得者 t N.F.Mott 指出，在過渡金屬中

3、，自旋磁矩與材 料的磁場方向平行的電子，所受散射幾率遠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 2 所示的多層膜結(jié)構(gòu)中，無外磁場時，上下兩層磁性材料是反平行（反鐵磁）耦合 的。施加足夠強的外磁場后， 兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向全都， 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)應用中是平行于膜面的。 圖 3 3 是圖 2 2 結(jié)構(gòu)的某種 M GM 材料的磁阻特性。由圖可見，隨著外磁場增大，電阻漸漸減小， 其間有一段線性區(qū)域。當外磁場已使兩鐵磁膜完全平行耦合后， 連續(xù)加大磁

4、場，電阻不再減 小，進入磁飽和區(qū)域。磁阻變化率 R R/R 達百分之十幾，加反向磁場時磁阻特性是對稱的。 留意到圖 2 2 中的曲線有兩條，分別對應增大磁場和減小磁場時的磁阻特性，這是由于鐵磁材 料都具有磁滯特性。 有兩類與自旋相關(guān)的散射對巨磁電阻效應有貢獻。 其一，界面上的散射。無外磁場時， 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，從一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨狀態(tài)轉(zhuǎn)變 （平行-反平行，或反平 行-平行），電子在界面上的散射幾率很大，對應于高電阻狀態(tài)。有外磁場時，上下兩層鐵 磁膜的磁場方向全都，電子在界面上的散射幾率很小，對應于低電阻狀態(tài)。 其二，鐵磁膜內(nèi)的散射。

5、即使電流方向平行于膜面，由于無規(guī)散射，電子也有肯定的幾 率在上下兩層鐵磁膜之間穿行。 無外磁場時，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，在穿行過程中都會經(jīng)受散射幾率?。ㄆ叫校┖蜕⑸鋷茁蚀螅ǚ雌叫校﹥?種過程，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相像兩個中等阻值的電阻的并聯(lián)， 對應于高電阻狀態(tài)。 有 外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向全都， 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)電阻相像一個小電阻與一個大電阻的并聯(lián)， 對應于低電 阻狀態(tài)。 多層膜 M GM 結(jié)構(gòu)簡潔，工作牢靠，磁阻隨外磁場線性變化的范圍大，在制作模擬傳感器 方面得到廣泛應用。在數(shù)字

6、記錄與讀出領(lǐng)域，為進一步提高靈敏度，進展了自旋閥結(jié)構(gòu)的 GMR 【試驗儀器】 主要包括：巨磁電阻試驗儀、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 M GM 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 M GM 的磁電轉(zhuǎn)換特性，磁阻特性進行測量。 M GM 傳感器置于螺線管的.。 螺線管用于在試驗過程中產(chǎn)生大小可計算的磁場， 由理論分析可知，無限長直螺線管內(nèi) 部軸線上任一點的磁感應強度為： B = =卩 Onl （1 1） 式中 n n 為線圈密度，I I 為流經(jīng)線圈的電流強度， 山 =4 二10 /m為真空中的磁導率。 采納國際單位制時，由上式計

7、算出的磁感應強度單位為特斯拉（ 1 1 特斯拉=0 10000 高斯）。 【試驗內(nèi)容及試驗結(jié)果處理】 一、R GMR 莫擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量 在將 R GMR 勾成傳感器時，為了消退溫度變化等環(huán)境因素對輸出的影響，一般采納橋式 結(jié)構(gòu)。 a a 幾何結(jié)構(gòu) b b 電路連接 R GMR 模擬傳感器結(jié)構(gòu)圖 對于電橋結(jié)構(gòu)，假如 4 4 個 F GMF 電阻對磁場的影響完全同步， 就不會有信號輸出。圖 17- -9 9 中，將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€電阻 4 R3, R4 掩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 R1，2 R2 阻值隨外磁場轉(zhuǎn)變。設無外磁場時 4 4 個 F

8、 GMF 電阻的阻值均 為 R, R1、2 R2 在外磁場作用下電阻減小 R,簡潔分析表明，輸出電壓： OUT U U =UIN (2R- - : R) (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、2 R2 電阻所在的空間， 進一步提高了 R1，2 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 k11 數(shù)量級，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。 R GMR 莫擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性 模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性試驗原理圖 將 R GMR 莫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

9、9; 。試驗儀的 V 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"模擬信號輸出'接至試驗儀電壓表。 按表 1 1 數(shù)據(jù)，調(diào)整勵磁電流，漸漸減小磁場強度，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供應負向電流，當電流減至 0 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 i，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 - -A 100mA 后，漸漸減小負向電流，電流到 0 0 時同樣需 要交換恒流輸出

10、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， R GMR 傳感器的輸出應為零，但由于半導體工藝的限制， 4 4 個橋臂電阻值不肯定完全相同，導致外磁場為零時輸出不肯定為零，在有的傳感器中可以 觀看到這一現(xiàn)象。 依據(jù)螺線管上表明的線圈密度，由公式（ 1 ）計算出螺線管內(nèi)的磁感應強度 B B。 以磁感應強度 B B 作橫坐標，電壓表的讀數(shù)為縱坐標作出磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。 不同外磁場強度時輸出電壓的變化反映了 R GMR 傳感器的磁電轉(zhuǎn)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。 表 1 R GMR 模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性的測量（電橋

11、電壓 4V,線圈密度為 0 24000 匝/ /米） 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 100 30.1584 228 228 90 27.1426 228 228 80 24.1267 227 227 70 21.1109 227 226 60 18.0950 226 224 50 15.0792 222 215 40 12.0634 196 180 30 9.0475 147 132 20 6.0317 96 81 10 3.0158 50 40 5 1.5079 31 21 0 0.0000 12 10 -5 -1.5079 20

12、30 -10 -3.0158 39 50 -20 -6.0317 80 93 -30 -9.0475 129 144 -40 -12.0634 179 194 -50 -15.0792 215 222 -60 -18.0950 224 226 -70 -21.1109 226 227 -80 -24.1267 227 227 -90 -27.1426 228 228 -100 -30.1584 228 228 GMR 模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量 、R GMR 磁阻特性測量 磁阻特性測量原理圖 為加深對巨磁電阻效應的理解，我們對構(gòu)成 R GMR 莫擬傳感器的磁阻進行測量。將基本特 性組件的功能

13、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 4 R3R4 被短路， 而 R1、2 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，就可以計算 磁阻。 試驗裝置：巨磁阻試驗儀，基本特性組件。 將 R 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' 。試驗儀的 4 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 2 數(shù)據(jù)，調(diào)整勵磁電流，漸漸減小磁場強度，記錄相應的磁阻電流于表格"減小 磁場'列中

14、。由于恒源流本身不能供應負向電流，當電流減至 0 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。 電流至一 A 100mA 后，漸漸減小負向電流，電流到 0 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。 依據(jù)螺線管上表明的線圈密度，由公式（ 1 ）計算出螺線管內(nèi)的磁感應強度 B B。 由歐姆定律 I R=U/I 計算磁阻。 以磁感應強度 B B 作橫坐標，磁阻為縱坐標做出磁阻特性曲線。 應當留意，由于模擬傳感器的兩個磁阻是位于磁通聚集器中， 與圖 3 3 相

15、比，我們作出 的磁阻曲線斜率大了約 0 10 倍，磁通聚集器結(jié)構(gòu)使磁阻靈敏度大大提高。 不同外磁場強度時磁阻的變化反映了 R GMR 勺磁阻特性，同一外磁場強度的差值反映了 材料的磁滯特性。 表 2 R GMR 磁阻特性的測量（磁阻兩端電壓 4V） 磁感應強度/高斯 磁阻/ Q 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/ Q 磁阻電流/mA 磁阻/ Q 100 30.1584 1.882 2125.3985 1.88 2127.6596 90 27.1426 1.882 2125.3985 1.88 2127.6596 80 24.1267 1.881 212

16、6.5284 1.88 2127.6596 70 21.1109 1.88 2127.6596 1.879 2128.7919 60 18.0950 1.879 2128.7919 1.877 2131.0602 50 15.0792 1.875 2133.3333 1.87 2139.0374 40 12.0634 1.85 2162.1622 1.837 2177.4633 30 9.0475 1.805 2216.0665 1.789 2235.8860 20 6.0317 1.758 2275.3129 1.746 2290.9507 10 3.0158 1.718 2328.2887

17、 1.709 2340.5500 5 1.5079 1.7 2352.9412 1.692 2364.0662 0 0.0000 1.685 2373.8872 1.682 2378.1213 -5 -1.5079 1.694 2361.2751 1.699 2354.3261 -10 -3.0158 1.709 2340.5500 1.717 2329.6447 -20 -6.0317 1.745 2292.2636 1.755 2279.2023 -30 -9.0475 1.788 2237.1365 1.802 2219.7558 -40 -12.0634 1.834 2181.0251

18、 1.848 2164.5022 -50 -15.0792 1.869 2140.1819 1.874 2134.4717 -60 -18.0950 1.877 2131.0602 1.878 2129.9255 -70 -21.1109 1.879 2128.7919 1.879 2128.7919 -80 -24.1267 1.88 2127.6596 1.88 2127.6596 -90 -27.1426 1.88 2127.6596 1.88 2127.6596 -100 -30.1584 1.88 2127.6596 1.88 2127.6596 GMR 磁阻特性的測量 Series

19、 1 Senes 2 三、M GRM 開關(guān)(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量 表 3 3M GRM 開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量 高電平 =1V 低電平 =0V 減小磁場 增大磁場 開關(guān)動 作 勵磁電流 /mA 磁感應強度/高 斯 開關(guān)動 作 勵磁電流 /mA 磁感應強度/高 斯 關(guān) 20.4 6.1525 關(guān) 20.7 6.2430 開 23.6 7.1176 開 23.3 7.0271 四、用 M GM 模擬傳感器測量電流 M GM 模擬傳感器在肯定的范圍內(nèi)輸出電壓與磁場強度成線性關(guān)系，且靈敏度高，線性范 圍大，可以便利的將 M GM 制成磁場計，測量磁場強度或其它與磁場相關(guān)的物理量。作

20、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 I 的無限長直導線，與導線距離為 r r 的一點的磁感應強度為: B = =卩 0I/2 n r =2 I X 10- - 7/r ( 3 3 ) 磁場強度與電流成正比，在 r r 已知的條件下，測得 B B,就可知 I I。 在實際應用中，為了使 M GM 模擬傳感器工作在線性區(qū)，提高測量精度，還經(jīng)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。 模擬傳感器測量電流試驗原理圖 試驗裝置：巨磁阻試驗儀，電流測量組件 試驗儀的 4 4 伏電壓源接至電流測量組件 "巨磁電阻供電'，

21、恒流源接至"待測電流輸入'， 電流測量組件"信號輸出'接至試驗儀電壓表。 將待測電流調(diào)整至 0 0。 將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到遠離 M GM 傳感器，調(diào)整磁鐵與傳感器的距離，使輸出約 25mV 將電流增大到 A 300mA 按表 4 4 數(shù)據(jù)漸漸減小待測電流， 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供應負向電流，當電流減至 0 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。 漸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。

22、當電 流減至 0 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(diào)整至 0 0。 將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到接近 M GM 傳感器，調(diào)整磁鐵與傳感器的距離，使輸出約 150mV 用低磁偏置時同樣的試驗方法，測量適當磁偏置時待測電流與輸出電壓的關(guān)系。 表 4 4 用 R GMR 模擬傳感器測量電流 待測電流/mA 300 200 100 0 -100 -200 -300 輸出電壓 /mV 低磁偏置 （約 25mV） 減小電 流 27.7 27 26.2 25.5 24.7 23.9 23 增加電 流 28.1 27.3 26.4 25.7 24

23、.9 24.1 23 適當磁偏 置 （約 150mV） 減小電 流 154.2 153.4 152.4 151.5 150.5 149.4 148.2 增加電 流 154.4 153.3 152.2 151.2 150.2 149.2 148.2 川 GMR 模擬傳感器測笊電流 用 GMR 模擬傳感器測量電流 五、M GM 梯度傳感器的特性及應用 將 M GM 電橋兩對對角電阻分別置于集成電路兩端, 傳感器。 這種傳感器若置于勻稱磁場中，由于 4 4 個橋臂電阻阻值變化相同，電橋輸出為零。假如 磁場存在肯定的梯度，各 M GM 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 8 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, 不同位置時，產(chǎn)生不同的梯度磁場。 a a 位置時，輸 出為零。b b 位置時，R R i 、F F 2 感受到的磁場強度大于 2 2、 R R 4 ,輸出正電壓。c c 位置時，輸出回歸零。d d 位置時， R R