巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用試驗(yàn)報(bào)告記錄

1、巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)報(bào) 告記錄作者:日期:巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解GM效應(yīng)的原理2、測(cè)量GM模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線3、測(cè)量GM的磁阻特性曲線4、用GM傳感器測(cè)量電流5、用GMI梯度傳感器測(cè)量齒輪的角位移，了解GM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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)，電阻率低。電阻定律R=J/S中，把電阻率視為常數(shù)，與材料

2、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 34nn）,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0.3nm），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(chǎng)兩種可能取向。 早在1936年，英國(guó)物理學(xué)家，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 N.F.Mott指出，在過渡金屬中，自旋磁矩與材 料的磁場(chǎng)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(chǎng)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

3、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(chǎng)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(chǎng)后，兩層鐵磁膜的方向都與外磁場(chǎng)方向一致，外磁場(chǎng)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。電阻歐姆刊工an£5004KD25CSCO磁場(chǎng)強(qiáng)度/高斯無外磁場(chǎng)時(shí)頂層磁場(chǎng)方向無外磁場(chǎng)時(shí)底層磁場(chǎng)方向圖2多層膜GMR結(jié)構(gòu)圖圖3 某種GMR材料的磁阻特性圖3是圖2結(jié)構(gòu)的某種GM材料的磁阻特性。由圖可見，隨著外磁場(chǎng)增大，電阻逐漸減小， 其間有一段線性區(qū)域。當(dāng)外磁場(chǎng)已使兩鐵磁膜完全平行耦合后，繼續(xù)加大磁場(chǎng)，電阻不再減小，進(jìn)入磁飽和區(qū)域。

4、磁阻變化率 R/R達(dá)百分之十幾，加反向磁場(chǎng)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(chǎng)和減小磁場(chǎng)時(shí)的磁阻特性，這是因?yàn)殍F磁材 料都具有磁滯特性。3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(chǎng)時(shí)， 上下兩層鐵磁膜的磁場(chǎng)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-反平行，或反平行-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(chǎng)時(shí)，上下兩層鐵 磁膜的磁場(chǎng)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

5、下兩層鐵磁膜之間穿行。無外磁場(chǎng)時(shí)，上下兩層鐵磁膜的磁場(chǎng)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﹥?種過程，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)于高電阻狀態(tài)。 有外磁場(chǎng)時(shí)，上下兩層鐵磁膜的磁場(chǎng)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GM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，磁阻隨外磁場(chǎng)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

6、實(shí)驗(yàn)儀、基本特性組件、電流測(cè)量組件、角位移測(cè)量組件、磁讀寫組件?；咎匦越M件由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(duì) GM的磁電轉(zhuǎn)換特性，磁阻特性進(jìn)行測(cè)量。GM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(chǎng)，由理論分析可知，無限長(zhǎng)直螺線管內(nèi)部軸線上任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B =卩 Onl（1）式中n為線圈密度，I為流經(jīng)線圈的電流強(qiáng)度，山=4二10/m為真空中的磁導(dǎo)率。采用國(guó)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）?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理】一、GMR莫擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測(cè)量在將GMR勾成傳感器時(shí)，為了消除溫度變化

7、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)GMF電阻對(duì)磁場(chǎng)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(chǎng)對(duì)它們的影響，而 R1，R2阻值隨外磁場(chǎng)改變。設(shè)無外磁場(chǎng)時(shí)4個(gè)GMF電阻的阻值均 為R, R1、R2在外磁場(chǎng)作用下電阻減小 R,簡(jiǎn)單分析表明，輸出電壓:OUTU=UIN (2R- : R) (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。從幾何結(jié)構(gòu)還可見， 巨磁電阻被

8、光刻成微米寬度迂回狀的電阻條，以增大其電阻至k11數(shù)量級(jí)，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。GMR莫擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性實(shí)驗(yàn)原理圖將GMR莫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 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。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

9、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(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。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(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。表1 GMR模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性

10、的測(cè)量（電橋電壓4V,線圈密度為24000匝/米）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)10030.15842282289027.14262282288024.12672272277021.11092272266018.09502262245015.07922222154012.0634196180309.0475147132206.03179681103.0158504051.50793121600.00001210-5-1.50792030-10-3.01583950-20-6.03178093-30-9.0475129144-40-12.063417

11、9194-50-15.0792215222-60-18.0950224226-70-21.1109226227-80-24.1267227227-90-27.1426228228-100-30.1584228228GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測(cè)量系列i斯甘斯度強(qiáng)應(yīng)感磁200150100系列21020304040-30-20-10 0輸出電壓/MV、GMR磁阻特性測(cè)量7磁阻特性測(cè)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(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

12、不同磁場(chǎng)時(shí)回路中電流的大小，就可以計(jì)算 磁阻。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。由于恒源流本身不能提供負(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

13、上記錄數(shù)據(jù)于“增大磁場(chǎng)”列中。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。由歐姆定律 R=U/I計(jì)算磁阻。以磁感應(yīng)強(qiáng)度 B作橫坐標(biāo)，磁阻為縱坐標(biāo)做出磁阻特性曲線。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勺磁阻特性，同一外磁場(chǎng)強(qiáng)度的差值反映了材料的磁滯特性。表2 GMR磁阻特性的測(cè)量（磁阻兩端電壓4V）磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯磁阻/ Q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/ Q磁阻電流/mA磁阻/ Q10030.

14、15841.8822125.39851.882127.65969027.14261.8822125.39851.882127.65968024.12671.8812126.52841.882127.65967021.11091.882127.65961.8792128.79196018.09501.8792128.79191.8772131.06025015.07921.8752133.33331.872139.03744012.06341.852162.16221.8372177.4633309.04751.8052216.06651.7892235.8860206.03171.758227

15、5.31291.7462290.9507103.01581.7182328.28871.7092340.550051.50791.72352.94121.6922364.066200.00001.6852373.88721.6822378.1213-5-1.50791.6942361.27511.6992354.3261-10-3.01581.7092340.55001.7172329.6447-20-6.03171.7452292.26361.7552279.2023-30-9.04751.7882237.13651.8022219.7558-40-12.06341.8342181.0251

16、1.8482164.5022-50-15.07921.8692140.18191.8742134.4717-60-18.09501.8772131.06021.8782129.9255-70-21.11091.8792128.79191.8792128.7919-80-24.12671.882127.65961.882127.6596-90-27.14261.882127.65961.882127.6596-100-30.15841.882127.65961.882127.6596GMR磁阻特性的測(cè)量系列i系列22400.0000磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯2100.0000-40. 0000-30. 0

17、000-20. 0000 -10. 00000. 000010. 0 00 020. 000030. 00004 0. 00 00三、GRM開關(guān)（數(shù)字）傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測(cè)量表3GRM開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測(cè)量高電平=1V 低電平=0V減小磁場(chǎng)增大磁場(chǎng)開關(guān)動(dòng) 作勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高 斯開關(guān)動(dòng) 作勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高 斯關(guān)20.46.1525關(guān)20.76.2430開23.67.1176開23.37.02719四、用GM模擬傳感器測(cè)量電流GM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 GM制成磁場(chǎng)計(jì)，測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度或其它與磁場(chǎng)

18、相關(guān)的物理量。作為應(yīng)用 示例，我們用它來測(cè)量電流。由理論分析可知，通有電流I的無限長(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 =卩 0I/2 n r =2 I X 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 GM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。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

19、調(diào)節(jié)至0。將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)離 GM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?記錄相應(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 GM傳感器，調(diào)節(jié)磁鐵與傳感器的距離，使輸出約150mV用低磁

20、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4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27.72726.225.524.723.923增加電流28.127.326.425.724.924.12310適當(dāng)磁偏置（約 150mV）減小電流154.2153.4152.4151.5150.5149.4148.2增加電流154.4153.3152.2151.2150.2149.2148.2用GMR模擬傳感器測(cè)量電流-1 000100待測(cè)電流/MA卩置偏磁低-400-300-200200300400用GMR模擬傳感器測(cè)量電流*系歹y i _（系歹y 2羅約偏磁低11五、GM梯度傳感器的特性及應(yīng)用將GM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。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 GM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)，Ri