巨磁阻效应实验报告材料.docx
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巨磁阻效应实验报告材料
基础物理实验研究性实验报告
巨磁电阻效应及其应用
摘要
本文的主要内容包括对GMR模拟传感器的磁电转换特性、GMR磁阻特性、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性的测量及探究，对运用GMR模拟传感器测量电流的探究，对GMR梯度传感器的特性探究及应用，以及磁记录与磁读出的原理与过程。
通过具体实验数据处理，进一步理解实验的原理及步骤，并作出相应的误差分析与结果讨论。
最后，对本次实验进行总结并表达感想。
关键词：
GMR，传感器，实验，数据处理，总结
1.基本原理
根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。
称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。
电阻定律R=l/S中，把电阻率视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm），可以忽略边界效应。
当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为0.3nm），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。
电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。
实验证明，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。
总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。
下图所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。
施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。
有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献：
其一，界面上的散射。
无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行－反平行，或反平行－平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。
有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。
其二，铁磁膜内的散射。
即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁膜之间穿行。
无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态。
有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。
2.实验仪器
实验所用仪器与主要组件简介如下：
2.1实验仪主机
如图为巨磁阻实验仪系统的实验仪前面板图。
包括：
（1）输入部分
电流表部分：
可做为一个独立的电流表使用。
两个档位：
2mA档和200mA档，可通过电流量程切换开关选择合适的电流档位测量电流。
电压表部分：
可做为一个独立的电压表使用。
两个档位：
2V档和200mV档，可通过电压量程切换开关选择合适的电压档位。
（2）输出部分
恒流源部分：
可变恒流源，对外提供电流
恒压源部分：
提供GMR传感器工作所需的4V电源和运算放大器工作所需的±8V电源。
巨磁阻实验仪操作面板
2.2基本特性组件模块
基本特性组件由GMR模拟传感器、螺线管线圈、输入输出插孔组成，用以对GMR的磁电转换特性，磁阻特性进行测量。
GMR传感器置于螺线管的中央。
螺线管用于在实验过程中产生大小可计算的磁场，由理论分析可知，无限长直螺线管内部轴线上任一点的磁感应强度为：
B=μ0nI
式中n为线圈密度，I为流经线圈的电流强度，采用国际单位制时，由上式计算出的磁感应强度单位为特斯拉（1特斯拉＝10000高斯，
为真空中的磁导率）。
基本特性组件
2.3电流测量组件
电流测量组件将导线置于GMR模拟传感器近旁，用GMR传感器测量导线通过不同大小电流时导线周围的磁场变化，就可确定电流大小。
与一般测量电流需将电流表接入电路相比，这种非接触测量不干扰原电路的工作，具有特殊的优点。
电流测量组件
2.4角位移测量组件
角位移测量组件用巨磁阻梯度传感器作传感元件，铁磁性齿轮转动时，齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场的分布，使梯度传感器输出发生变化，每转过一齿，就输出类似正弦波一个周期的波形。
利用该原理可以测量角位移（转速，速度）。
汽车上的转速与速度测量仪就是利用该原理制成的。
角位移测量组件
2.5磁读写组件
磁读写组件用于演示磁记录与读出的原理。
磁卡做记录介质，磁卡通过写磁头时可写入数据，通过读磁头时将写入的数据读出来。
磁读写组件
3.实验内容
3.1GMR模拟传感器的磁电转换特性测量
在将GMR构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式结构，图9是某型号传感器的结构。
对于电桥结构，如果4个GMR电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。
图9中，将处在电桥对角位置的两个电阻R3、R4覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，而R1、R2阻值随外磁场改变。
设无外磁场时4个GMR电阻的阻值均为R，R1、R2在外磁场作用下电阻减小ΔR，简单分析表明，输出电压：
Uout=UIN·ΔR/（2R-ΔR）
磁电转换特性的测量原理图
实验装置：
巨磁阻实验仪，基本特性组件。
主要步骤：
将基本特性组件的功能切换按钮切换为“传感器测量”，实验仪的4伏电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“模拟信号输出”接至实验仪电压表。
调节励磁电流，从100mA开始逐渐减小，每隔10mA记录相应的输出电压于表格中。
当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。
再次增大电流，并记录相应的输出电压。
电流至－100mA后，逐渐减小负向电流，记录相应的输出电压，当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。
再次增大电流，记录相应的输出电压，直到100mA。
3.2GMR磁阻特性测量
为对构成GMR模拟传感器的磁阻进行测量。
将基本特性组件的功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”，此时被磁屏蔽的两个电桥电阻R3,R4被短路，而R1,R2并联。
将电流表串连进电路中，测量不同磁场时回路中电流的大小，就可计算磁阻。
磁阻特性测量原理图
实验装置：
巨磁阻实验仪，基本特性组件。
主要步骤：
将基本特性组件功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”，实验仪的4伏电压源串连电流表后接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“螺线管电流输入”。
调节励磁电流，从100mA开始逐渐减小磁场强度，每隔10mA记录相应的磁阻电流到表格中。
当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。
再次增大电流，并记录相应的输出电压。
电流至－100mA后，逐渐减小负向电流，记录相应的磁阻电流，直到电流100mA。
电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。
3.3GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量
将GMR模拟传感器与比较电路，晶体管放大电路集成在一起，就构成GMR开关（数字）传感器。
实验装置：
巨磁阻实验仪，基本特性组件。
主要步骤：
将基本特性组件的功能按钮切换为“传感器测量”，实验仪的4伏电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，“电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”输入插孔，恒流源接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“开关信号输出”接至实验仪电压表。
从50mA逐渐减小励磁电流，输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的励磁电流。
当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。
再次增大电流，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的负值励磁电流。
将电流调至－50mA，逐渐减小负向电流，输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的负值励磁电流，电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。
输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的正值励磁电流。
3.4用GMR模拟传感器测量电流
GMR模拟传感器在一定的范围内输出电压与磁场强度成线性关系，可将GMR制成磁场计，测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量。
作为应用示例，用它来测量电流。
由理论分析可知，通有电流I的无限长直导线，与导线距离为r的一点的磁感应强度为：
B=μ0I/2πr=2I×10-7/r
磁场强度与电流成正比，在r已知的条件下，测得B，就可知I。
在实际应用中，为了使GMR模拟传感器工作在线性区，提高测量精度，还常常预先给传感器施加一固定已知磁场，称为磁偏置，其原理类似于电子电路中的直流偏置。
模拟传感器测量电流实验原理图
实验装置：
巨磁阻实验仪，电流测量组件
主要步骤：
实验仪的4伏电压源接至电流测量组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“待测电流输入”，电流测量组件“信号输出”接至实验仪电压表。
将待测电流调节至0，将偏置磁铁转到远离GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约25mV。
将电流增大到300mA，按表4数据逐渐减小待测电流，从左到右记录相应的输出电压于表格“减小电流”行中。
当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。
再次增大电流，此时电流方向为负，记录相应的输出电压。
逐渐减小负向待测电流，从右到左记录相应的输出电压于表格“增加电流”行中。
当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。
再次增大电流，此时电流方向为正，记录相应的输出电压。
将待测电流调节至0。
将偏置磁铁转到接近GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约150mV。
用低磁偏置时同样的实验方法，测量适当磁偏置时待测电流与输出电压的关系。
3.5GMR梯度传感器的特性及应用
将GMR电桥两对对角电阻分别置于集成电路两端，4个电阻都不加磁屏蔽，即构成梯度传感器。
这种传感器若置于均匀磁场中，由于4个桥臂电阻阻值变化相同，电桥输出为零。
如果磁场存在一定的梯度，各GMR电阻感受到的磁场不同，磁阻变化不一样，就会有信号输出。
实验装置：
巨磁阻实验仪、角位移测量组件。
主要步骤：
将实验仪4V电压源接角位移测量组件“巨磁电阻供电”，角位移测量组件“信号输出”接实验仪电压表。
逆时针慢慢转动齿轮，当输出电压为零时记录起始角度，以后每转3度记录一次角度与电压表的读数。
转动48度齿轮转过2齿，输出电压变化2个周期。
3.6磁记录与读出
磁读写组件用磁卡做记录介质，磁卡通过写磁头时可写入数据，通过读磁头时将写入的数据读出来。
自行设计一个二进制码，按二进制码写入数据，然后将读出的结果记录下来。
实验装置：
巨磁阻实验仪，磁读写组件，磁卡。
主要步骤：
实验仪的4伏电压源接磁读写组件“巨磁电阻供电”，“电路供电”接口接至磁读写组件对应的“电路供电”输入插孔，磁读写组件“读出数据”接至实验仪电压表。
同时按下“0/1转换”和“写确认”按键约2秒将读写组件初始化，初始化后才可以进行写和读。
将磁卡有刻度区域的一面朝前，沿着箭头标识的方向插入划槽，按需要切换写“0”或写“1”（按“0/1转换”按键，当状态指示灯显示为红色表示当前为“写1”状态，绿色表示当前为“写0”状态）按住“写确认”按键不放，缓慢移动磁卡，根据磁卡上的刻度区域线。
完成写数据后，松开“写确认”按键，此时组件就处于读状态了，将磁卡移动到读磁头出，根据刻度区域在电压表上读出的电压。
4.注意事项
（1）由于巨磁阻传感器具有磁滞现象，因此，在实验中，恒流源只能单方向调节，不可回调。
否则测得的实验数据将不准确。
（2）测试卡组件不能长期处于“写”状态。
5.数据处理
5.1GMR模拟传感器的磁电转换特性测量
5.1.1公式推导
Uout=UIN·ΔR/（2R-ΔR）
电路连接图
如上图所示，其中Uba=Uout，R1=R2=R3=R4=R
当通电时，R1与R2均减小ΔR。
Ub=UIN·R/（2R-ΔR）
Ua=UIN·（R-ΔR）/（2R-ΔR）
Uout=Uba=Ub-Ua=UIN·ΔR/（2R-ΔR）
5.1.2GMR模拟传感器的磁电转换特性数据处理
根据B=µ0nI，其中µ0=4π×10-7N/A2，n=24000匝/米，1特斯拉=104高斯，可得每个电流值I对应的磁感应强度，有如下表格：
励磁电流/mA
100
90
80
70
60
50
输出电压/V（电流减小）
0.282
0.281
0.278
0.264
0.235
0.199
输出电压/V（电流增大）
0.28
0.278
0.273
0.255
0.226
0.1867
磁感应强度/G
30.159
27.143
24.127
21.112
18.096
15.080
励磁电流/mA
40
30
20
10
0
-10
输出电压/V（电流减小）
0.1605
0.1209
0.0835
0.0481
0.0162
0.0339
输出电压/V（电流增大）
0.148
0.1099
0.0736
0.04
0.0129
0.0441
磁感应强度/G
12.064
9.048
6.032
3.016
0
-3.016
励磁电流/mA
-20
-30
-40
-50
-60
-70
输出电压/V（电流减小）
0.0668
0.1033
0.1411
0.1795
0.218
0.251
输出电压/V（电流增大）
0.0787
0.1152
0.1528
0.191
0.228
0.257
磁感应强度/G
-6.032
-9.048
-12.064
-15.080
-18.096
-21.112
励磁电流/mA
-80
-90
-100
输出电压/V（电流减小）
0.271
0.278
0.28
输出电压/V（电流增大）
0.274
0.279
0.28
磁感应强度/G
-24.127
-27.143
-30.159
以磁感应强度B作横坐标，电压表的读数为纵坐标，作出磁电转换特性曲线如下：
5.2GMR磁阻特性测量
根据R=U/I，可得到每个磁阻电流对应的磁阻，有如下表格：
励磁电流/mA
100
90
80
70
60
50
磁感应强度/G
30.159
27.143
24.127
21.112
18.096
15.080
磁阻电流/mA（电流减小）
1.82
1.819
1.815
1.802
1.776
1.742
磁阻/KΩ
2.1978
2.1990
2.2039
2.2198
2.2523
2.2962
磁阻电流/mA（电流增大）
1.82
1.818
1.813
1.796
1.767
1.734
磁阻/KΩ
2.1978
2.2002
2.2063
2.2272
2.2637
2.3068
励磁电流/mA
40
30
20
10
0
-10
磁感应强度/G
12.064
9.048
6.032
3.016
0
-3.016
磁阻电流/mA（电流减小）
1.708
1.674
1.642
1.612
1.585
1.6
磁阻/KΩ
2.3419
2.3895
2.4361
2.4814
2.5237
2.5
磁阻电流/mA（电流增大）
1.699
1.665
1.634
1.606
1.583
1.609
磁阻/KΩ
2.3543
2.4024
2.4480
2.4907
2.5268
2.4860
励磁电流/mA
-20
-30
-40
-50
-60
-70
磁感应强度/G
-6.032
-9.048
-12.064
-15.080
-18.096
-21.112
磁阻电流/mA（电流减小）
1.627
1.658
1.691
1.726
1.761
1.792
磁阻/KΩ
2.4585
2.4125
2.3655
2.3175
2.2714
2.2321
磁阻电流/mA（电流增大）
1.638
1.669
1.703
1.737
1.77
1.797
磁阻/KΩ
2.4420
2.3966
2.3488
2.3028
2.2599
2.2259
励磁电流/mA
-80
-90
-100
磁感应强度/G
-24.127
-27.143
-30.159
磁阻电流/mA（电流减小）
1.81
1.817
1.818
磁阻/KΩ
2.2099
2.2014
2.2002
磁阻电流/mA（电流增大）
1.813
1.818
1.819
磁阻/KΩ
2.2063
2.2002
2.1990
以磁感应强度B作横坐标，磁阻为纵坐标，作出磁阻特性曲线如下：
5.3GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量
根据实测数据记录表格如下：
电流变化
50mA→0mA
0mA→-50mA
状态变化
1V→-1V
-1V→1V
状态变化点
11.4mA
-15.9mA
磁感应强度
3.438G
-4.795G
电流变化
-50mA→0mA
0mA→50mA
状态变化
1V→-1V
-1V→1V
状态变化点
-14.2mA
14.9mA
磁感应强度
-4.283G
4.494G
以磁感应强度B作横坐标，电压读数为纵坐标作出开关传感器的磁电转换特性曲线如下：
5.4用GMR模拟传感器测量电流
作出低磁偏置、适当磁偏置时待测电流与输出电压的关系表格如下：
待测电流/mA
300
200
100
0
输出电压/mV
低磁偏置（约25mV）
减小电流
26.8
26.3
25.7
25.2
增大电流
26.7
26.1
25.6
25
适当磁偏置（约150mV）
减小电流
152.2
151.6
151
150.3
增大电流
152.5
151.9
151.2
150.4
待测电流/mA
-100
-200
-300
输出电压/mV
低磁偏置（约25mV）
减小电流
24.5
23.9
23.4
增大电流
24.4
23.9
23.4
适当磁偏置（约150mV）
减小电流
149.6
149
148.3
增大电流
149.7
149
148.3
以电流读数作横坐标，电压表的读数为纵坐标作图。
分别作出4条拟合直线如下：
（1）低磁偏置（约25mV）时
（2）适当磁偏置（约150mV）时
5.5GMR梯度传感器的特性及应用
角度/°
29
32
35
38
41
44
47
50
电压/mV
0.0
-39.3
-43.0
-21.3
2.8
31.4
54.3
43.3
角度/°
53
56
59
62
65
68
71
74
电压/mV
-3.1
-40.7
-41.9
-19.7
4.4
32.4
55.7
44.4
角度/°
77
电压/mV
-4.9
以齿轮实际转过的度数为横坐标，电压表的读数为纵向坐标作图如下：
5.6磁记录与读出
根据“写1”“写0”状态读出的电平作出表格如下：
二进制数
0
1
0
1
1
0
1
0
磁卡区号
1
2
3
4
5
6
7
8
读出电平/mV
3.8
1944
3.9
1944
1944
3.9
1946
3.9
6.误差分析
（1）GMR模拟传感器的磁电转换特性测量：
4个臂桥初始阻值不一定完全相同；单向调节时电流不一定刚好调节到指定数值；存在磁滞现象；仪器自身系统误差；交换极性带来的影响。
（2）GMR磁阻特性测量：
存在磁滞现象；仪器自身系统误差；单向调节时不能刚好调到指定数值；交换极性测量带来的影响。
（3）GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量：
存在磁滞现象；仪器自身系统误差；输出电压变化时不能够做到立即停止调节电流，导致转变电流测得不准；交换极性测量带来的影响。
（4）用GMR模拟传感器测量电流：
仪器自身系统误差；交换极性带来的影响。
（5）GMR梯度传感器的特性及应用：
读数存在视差；初始电压没有刚好调到零；仪器自身系统误差。
（6）磁记录与读出：
磁读出时，读磁头没有完全对准磁记录区，存在一定偏差；仪器自身系统误差。
7.结果讨论
（1）GMR模拟传感器的磁电转换特性测量：
根据B=µ0nI，当电流的绝对值减小，磁感应强度减小，ΔR也减小，根据公式Uout=UIN·ΔR/（2R-ΔR），分子分母同时除以ΔR，根据数学关系可知，当电流绝对值减小，Uout也减小，当I=0，Uout理论上也为零；当电流绝对值增大，Uout也增大，但当电流增大到一定程度，磁感应强度随之变化缓慢，ΔR变化也十分小，导致Uout变化不再明显。
不同外磁场强度时输出电压的变化反映了GMR传感器的磁电转换特性，同一外磁场强度下输出电压的差值反映了材料的磁滞特性。
理论上，外磁场为零时，GMR传感器的输出应为零，但由于4个桥臂电阻值不一定完全相同，导致外磁场为零时输出不一定为零。
（2）GMR磁阻特性测量：
不同外磁场强度时磁阻的变化反映了GMR的磁阻特性，同一外磁场强度下磁阻的差值反映了材料的磁滞特性。
随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。
当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。
磁阻变化率ΔR/R达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。
（3）GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量：
比较电路的功能是，当电桥电压低于比较电压时，输出低电平。
当电桥电压高于比较电压时，输出高电平。
选择适当的GMR电桥并结合调节比较电压，可调节开关传感器开关点对应的磁场强度。
（4）用GMR模拟传感器测量电流：
适当磁偏置时线性较好，斜率（灵敏度）较高。
根据输出电压大小就可确定待测电流的大小。
（5）GMR梯度传感器的特性及应用：
每转过一个齿牙便产生一个完整的波形输出，总共转过48度，即转过两个齿牙，输出两个周期的波形。
（6）磁记录与读出：
由表格可知，“写1”的区域读出高电平，约1944mV；“写0”的区域读出低电平，约3.8mV。
8.实验总结
通过完成巨磁电阻效应的实验，我们对巨磁电阻效应的原理及其应用有了更进一步的了解，同时自己的实验操作技能也得到增强，自己发现问题、分析问题并解决问题的能力得到了提升。
在报告中，我们通过查阅相关资料，引用《巨磁阻效应及其应用实验指导书》中的部分内容，将实验的基本原理、实验仪器及主要实验步骤
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