巨磁阻效應(yīng)實驗(1)1

PAGE近代物理實驗報告專業(yè)應(yīng)用物理學(xué)班級11級指導(dǎo)教師姓名實驗時間2013年12月23日實驗地點K7-402實驗名稱巨磁阻效應(yīng)實驗實驗三巨磁阻效應(yīng)實驗【實驗?zāi)康摹?．了解巨磁阻效應(yīng)原理，了解巨磁阻傳感器的原理及其使用方法；2．學(xué)習(xí)巨磁阻傳感器定標(biāo)方法，用巨磁阻傳感器測量弱磁場；3．測定巨磁阻傳感器敏感軸與被測磁場間夾角與傳感器靈敏度的關(guān)系；4．測定巨磁阻傳感器的靈敏度與其工作電壓的關(guān)系；5．用巨磁阻傳感器測量通電導(dǎo)線的電流大小。【實驗原理】巨磁阻效應(yīng)1988年,法國巴黎大學(xué)的研究小組首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)，在國際上引起很大的反響。巨磁阻（GiantMagnetoResistance）是一種層狀結(jié)構(gòu)，外層是超薄的鐵磁材料（Fe,Co,Ni等），中間層是一個超薄的非磁性導(dǎo)體層（Cr,Cu,Ag等），這種多層膜的電阻隨外磁場變化而顯著變化。通常情況下，Cr,Cu,Ag等是良好的導(dǎo)體，但當(dāng)它的厚度只有幾個原子時，導(dǎo)體的電阻率會顯著增加。在塊狀導(dǎo)體材料中，導(dǎo)體內(nèi)電子由于會和其它微粒碰撞，所以在“散射”改變運動方向之前都要運動很長一段距離。在電子散射之前運動的距離的平均長度稱為平均自由程。然而，在非常薄的材料中，電子的運動無法達到最大平均自由程。電子很可能直接運動到材料的表面并直接在那里產(chǎn)生散射，這導(dǎo)致了在非常薄的材料中平均自由程較短。因此導(dǎo)體中的電子要在這種材料中運動更加困難，導(dǎo)致導(dǎo)體電阻率的增大。巨磁阻的磁性層是用來抗鐵磁耦合的。當(dāng)沒有外界磁場作用時，這兩層材料的磁化是相互對立的?？梢约僭O(shè)為兩根“頭尾相連”的條形磁鐵（兩個磁鐵是平行的，其中一個的北極與另一個的南極同向），中間隔著一張薄塑料紙。巨磁阻材料中磁性層的磁化方向也是“頭尾相連”的，中間是非磁性層。下圖顯示的是GMR材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些電子的射程。兩個箭頭指明了抗磁耦合。圖1抗磁耦合圖示注意：電子是散射到兩個GMR材料的表面。這是因為電子從上層自旋試圖進入下層自旋，反之亦然。由于電子自旋的不同，電子比較有可能散射到兩個表面。這種情況的結(jié)局是導(dǎo)電電子的平均自由程的長度相當(dāng)短，從而導(dǎo)致了材料具有相對高的電阻率。如果外加在GMR材料上的外界磁場足夠大，它就能夠克服兩個磁性層之間磁化的抗磁耦合。這種條件下，兩個薄層的電子都會做同樣的自旋。這時，電子便容易在巨磁阻材料中運動，電子的平均自由程增長，導(dǎo)致巨磁阻材料的電阻率降低。圖2順磁耦合圖示這種電阻隨外磁場變化而顯著變化的現(xiàn)象即為巨磁阻效應(yīng)。巨磁阻材料在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有廣泛的應(yīng)用前景，美國、日本和西歐都對發(fā)展巨磁阻材料及其在高新技術(shù)上的應(yīng)用投入了很大的力量。IBM公司研制成巨磁阻讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍，從而使磁盤在與光盤的競爭中重新處于領(lǐng)先地位。利用巨磁阻效應(yīng)在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點，可以制成隨機存儲器（MRAM），其優(yōu)點是在無電源的情況下可繼續(xù)保留信息。由于巨磁阻效應(yīng)易使器件小型化，廉價化，可應(yīng)用于測量位移，角度等傳感器中，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床，汽車測速，非接觸開關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，它具有功耗小，可靠性高，體積小，能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點。2．巨磁阻傳感器本儀器所用巨磁阻傳感器采用惠斯登電橋，磁通屏蔽和磁通集中器。在傳感器基片上鍍一層很厚的磁性材料，這塊材料對其下方的巨磁阻電阻器形成屏蔽，不讓任何外加磁場進入被屏蔽的電阻器。惠斯登電橋中的兩個電阻器（在橋的兩個相反的支路上）在磁性材料的上方，受外界場強的作用，而另外兩個電阻器在磁性材料的下方，從而受到屏蔽而不受外界磁場作用。當(dāng)外界磁場作用時，前兩個電阻器的電阻值下降，而后兩個電阻值保持不變，這樣在電橋的終端就有一個信號輸出。DCBADCBA圖3惠斯登電橋圖示傳感器輸出U輸出=Uout+-Uout-=V＋·RBC/(RAB+RBC)-V＋·RCD/(RAD+RCD)若RAB=RBC=RCD=RAD，在無加場強時，U輸出=Uout+-Uout-＝0當(dāng)存在外場強時，未被屏蔽的巨磁電阻器RBC，RAD電阻值減小，而受屏蔽的巨磁阻電阻器RAB，RCD電阻值不變。則U輸出=V＋·RBC/(RAB+RBC)-V＋·RCD/(RAD+RCD)＝V＋即在相同場強條件下，傳感器輸出與傳感器的工作電壓成正比，即傳感器靈敏度與其工作電壓成正比。另外，鍍層還可以使磁通集中器放置在基片上。磁通集中器使原來的傳感器靈敏度增大了2—100倍。它收集垂直于傳感器管腳方向上的磁通量并把他們聚集在芯片中心的GMR電橋的電阻器上。如圖所示，垂直于傳感器管腳的方向為巨磁阻傳感器的敏感軸方向。當(dāng)外磁場方向平行于傳感器敏感軸方向時，傳感器的輸出信號最大。在相同場強下，當(dāng)外場強方向平行于傳感器敏感軸方向時，傳感器輸出最大。當(dāng)外場強方向偏離傳感器敏感軸方向時，傳感器輸出與偏離角度成余弦關(guān)系。即傳感器靈敏度與偏離角度成余弦關(guān)系。S(θ)=S(0)COSθ圖4巨磁阻傳感器圖示巨磁阻傳感器應(yīng)用廣泛，可用來測量磁場、位移、角度、電流等，可制成測速儀、定向儀，也可用于車輛監(jiān)控、航運、驗鈔等方面，另外巨磁阻傳感器在醫(yī)療方面也有很大應(yīng)用。本儀器主要介紹了巨磁阻傳感器在測量電流方面的應(yīng)用。GMR磁場傳感器能有效的檢測有電流產(chǎn)生的磁場。下圖所示的傳感器封裝是用來檢測通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場。導(dǎo)線可放在芯片的上方或下方，但必須垂直于敏感軸。通電導(dǎo)線在導(dǎo)線周圍輻射狀地布滿磁場。當(dāng)傳感器中的GMR材料感應(yīng)到磁場，傳感器的輸出引腳就產(chǎn)生一個差分輸出。磁場強度與通過導(dǎo)線的電流成正比。當(dāng)電流增大時，周圍的磁場增大，傳感器的輸出也增大。同樣，當(dāng)電流減小時，周圍磁場和傳感器輸出都減小。圖5傳感器測電流圖示【實驗儀器】FD-GMR-A巨磁阻效應(yīng)實驗儀，包括實驗主機、亥姆霍茲線圈實驗裝置、連接導(dǎo)線等【實驗過程】將巨磁阻傳感器調(diào)整到亥姆霍茲線圈公共軸的中點，旋轉(zhuǎn)傳感器內(nèi)盤，使外盤的刻度線對準(zhǔn)內(nèi)盤0°，調(diào)整傳感器外盤，使傳感器管腳方向與磁感應(yīng)強度方向垂直（此時巨磁阻傳感器敏感軸與磁場方向平行），用水平儀調(diào)整轉(zhuǎn)盤水平，用5芯航空線連接主機和實驗裝置。實驗一學(xué)習(xí)巨磁阻傳感器定標(biāo)方法，用巨磁阻傳感器測量弱磁場1．將主機恒流源用波段開關(guān)扳向線圈電流方向，將亥姆霍茲線圈用紅黑導(dǎo)線串聯(lián)起來，并與主機上的線圈用恒流源相連；2．打開主機，將線圈電流調(diào)零，傳感器工作電壓調(diào)為5V，將傳感器放大倍數(shù)檔調(diào)至×1檔，將傳感器輸出調(diào)零。逐漸升高線圈電流，可以看見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．將線圈電流由零開始逐漸增大，每隔0.05A記一次傳感器輸出，以傳感器輸出為Y軸，線圈電流值為X軸作圖；4．用亥姆霍磁線圈產(chǎn)生磁場作為已知量，得到巨磁阻傳感器（傳感器敏感軸與磁感應(yīng)強度方向平行且傳感器工作電壓為5V時）的靈敏度。實驗二測定巨磁阻傳感器敏感軸與被測磁場夾角與傳感器靈敏度的關(guān)系步驟1，2同實驗一3．將線圈電流調(diào)高至0.6A，記下零度時傳感器的輸出（即傳感器敏感軸與磁感應(yīng)強度方向平行時），旋轉(zhuǎn)傳感器轉(zhuǎn)盤，每隔5°記一次傳感器輸出。以傳感器輸出為Y軸，角度為X軸作圖，得到傳感器敏感軸與被測磁場夾角與傳感器靈敏度的關(guān)系；4．若時間充足，可改變傳感器工作電壓或改變線圈電流再測幾組數(shù)據(jù)（注意，每次改變巨磁阻工作電壓后，傳感器輸出要重新調(diào)零）。實驗三測定巨磁阻傳感器的靈敏度與其工作電壓的關(guān)系步驟1同實驗一2．將線圈電流調(diào)零，將傳感器工作電壓調(diào)為2V，將傳感器放大倍數(shù)檔調(diào)至×1檔，巨磁阻傳感器輸出調(diào)零，將線圈電流逐漸增大，每隔0.05A記一次傳感器輸出，作圖，得到傳感器工作電壓為2V時傳感器的靈敏度；3．將傳感器的工作電壓調(diào)高，可每隔1V或2V測一次靈敏度，以傳感器靈敏度為Y軸，傳感器工作電壓為X軸作圖，得到傳感器的靈敏度與其工作電壓的關(guān)系。實驗四用巨磁阻傳感器測量通電導(dǎo)線的電流大小1．將主機恒流源用波段開關(guān)扳向被測電流方向，用紅黑導(dǎo)線將實驗裝置黑色底板上的被測電流插座與主機上的對應(yīng)插座相連；2．將被測電流調(diào)零，將傳感器工作電壓調(diào)為5V，將傳感器放大倍數(shù)檔調(diào)至×10檔，巨磁阻傳感器輸出調(diào)零，逐漸升高被測電流，可以看見傳感器輸出逐漸增大，將被測電流和傳感器輸出再次歸零；3．將被測電流由零開始逐漸增大，每隔0.1A或0.2A記一次傳感器輸出，以傳感器輸出為Y軸，被測電流值為X軸，作圖，得到被測電流大小與傳感器輸出的關(guān)系4．若時間充足，可改變傳感器工作電壓再測幾組數(shù)據(jù)（注意，每次改變巨磁阻工作電壓后，傳感器輸出要重新調(diào)零）【實驗數(shù)據(jù)】1.實驗一學(xué)習(xí)巨磁阻傳感器定標(biāo)方法，用巨磁阻傳感器測量弱磁場線圈電流/A0.000.050.100.150.200.250.30傳感器輸出/V0.0000.0270.0560.0860.1160.1460.177線圈電流/A0.350.400.450.500.550.60傳感器輸出/V0.2080.2370.2660.2870.3000.306表一傳感器工作電壓為5V時，傳感器輸出隨線圈電流變化數(shù)值表由擬合直線方程可知：傳感器工作電壓為5V時，磁阻傳感器的靈敏度=0.54602，實驗二測定巨磁阻傳感器敏感軸與被測磁場夾角與傳感器靈敏度的關(guān)系表2線圈電流為0.6A時，傳感器輸出隨敏感軸與被測磁場夾角變化數(shù)值表角度/°傳感器輸出/V角度/°傳感器輸出/V角度/°傳感器輸出/V角度/°傳感器輸出/V00.306250.294500.206750.05550.306300.285550.178800.022100.305350.271600.149850.017150.303400.253650.117900.011200.300450.231700.0861000.0063.實驗三測定巨磁阻傳感器的靈敏度與其工作電壓的關(guān)系表3不同工作電壓下，傳感器輸出隨線圈電流變化數(shù)值表工作電壓/V線圈電流/A2V5V8V10V00.0000.0000.0000.0000.050.0030.0270.0560.0730.100.0150.0560.1010.1340.150.0270.0860.1470.1950.200.0390.1160.1940.2540.250.0510.1460.2430.3170.300.0640.1770.2920.3750.350.0760.2080.3390.4390.400.0880.2370.3850.4970.450.1000.2660.4300.5480.500.1110.2870.4640.5880.550.1190.3000.4870.6110.600.1230.3060.4960.6214.實驗四用巨磁阻傳感器測量通電導(dǎo)線的電流大小表4靈敏度隨工作電壓變化關(guān)系表工作電壓/V擬合直線方程靈敏度K2y=0.0112x-0.01580.01125y=0.0273x-0.02100.02738y=0.0435x-0.02470.043510y=0.0544x-0.02290.0544表5巨磁阻傳感器工作電壓為5V時，傳感器輸出隨被測電流變化數(shù)值表被測電流/A傳感器輸出V/被測電流/A傳感器輸出/V被測電流/A傳感器輸出/V被測電流/A傳感器輸出/V0.00.0001.30.0682.60.1393.90.1660.10.0051.40.0742.70.1464.00.160.20.0101.50.0792.80.1524.10.1550.30.0151.60.0852.90.1584.20.1500.40.0211.70.093.00.1644.30.1450.50.0261.80.0953.10.1684.40.1410.60.0311.90.2003.20.1714.50.1360.70.0362.00.1053.30.1734.60.1320.80.0442.10.1113.40.1744.70.1280.90.0482.20.1163.50.1744.80.1241.00.0532.30.1213.60.1724.90.1201.10.0582.40.1273.70.1715.00.1151.20.0632.50.1333.80.168Y1=0.0535X—0.0006 R^2=0.9988Y2=-0.0418X—0.3250 R^2=0.9903實驗總結(jié)通過本次實驗，我和我的組員們在了解了巨磁阻效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，做了測定巨磁阻傳感器敏感軸與被測磁場間夾角與傳感器靈