巨磁电阻效应及其应用实验报告docx.docx
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巨磁电阻效应及其应用实验报告docx
巨磁电阻效应及其应用
【实验目的】
1、了解GMR效应的原理
2、测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线
3、测量GMR的磁阻特性曲线
4、用GMR传感器测量电流
5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感
器的原理
【实验原理】
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），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。
;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。
在图2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。
电流的方向
在多数应用中是平行于膜面的。
图3是图2结构的某种GMR材料的磁阻特性。
由图可见，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R/R达
百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。
注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。
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。
多层膜GMR结构简单，工作可靠，磁阻随外磁场线性变化的范围大，在
制作模拟传感器方面得到广泛应用。
在数字记录与读出领域，为进一步提高
灵敏度，发展了自旋阀结构的GMR。
【实验仪器】
主要包括：
巨磁电阻实验仪、基本特性组件、电流测量组件、角位移测量组
件、磁读写组件。
基本特性组件由GMR模拟传感器，螺线管线圈及比较电路，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
（1）
式中n为线圈密度，I为流经线圈的电流强度，
0410
7H/m为真空中的
磁导率。
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）。
【实验内容及实验结果处理】
一、GMR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。
a几何结构b电路连接
GMR模拟传感器结构图
对于电桥结构，如果4个GMR电阻对磁场的影响完全同步，就不会有信
号输出。
图17-9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△R，简单分析表明，输出电压：
OUT
（2）
U=UIN（2R-R）
屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在R1、R2电阻所在的空间，进一步提高了R1，R2的磁灵敏度。
从几何结构还可见，巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至k数量级，使其在较小工作电流下得到合
适的电压输出。
GMR模拟传感器的磁电转换特性
模拟传感器磁电转换特性实验原理图
将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“传感器测量”。
实验仪的4V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。
按表1数据，调节励磁电流，逐渐减小磁场强度，记录相应的输出电压于表格“减小磁场”列中。
由于恒流源本身不能提供负向电流，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i，此时
流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，从上到下记录相应的输出电
压。
电流至-100mA后，逐渐减小负向电流，电流到0时同样需要交换恒流
输出的极性。
从下到上记录数据于表一“增大磁场”列中。
理论上讲，外磁场为零时，GMR传感器的输出应为零，但由于半导体工
艺的限制，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，在有的传感器中可以观察到这一现象。
根据螺线管上表明的线圈密度，由公式
（1）计算出螺线管内的磁感
应强度B。
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。
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。
表1GMR模拟传感器磁电转换特性的测量（电桥电压4V，线圈密度为24000匝/米）
磁感应强度/高斯
输出电压/mV
磁感应强度
减小磁场
增大磁场
励磁电流/mA
/高斯
100
228
228
90
228
228
80
227
227
70
227
226
60
226
224
50
222
215
40
196
180
30
147
132
20
96
81
10
50
40
5
31
21
0
12
10
-5
20
30
-10
39
50
-20
80
93
-30
129
144
-40
179
194
-50
215
222
-60
224
226
-70
226
227
-80
227
227
-90
228
228
-100
228
228
二、GMR磁阻特性测量
磁阻特性测量原理图
为加深对巨磁电阻效应的理解，我们对构成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，就可以计算磁阻。
实验装置：
巨磁阻实验仪，基本特性组件。
将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，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”。
按表2数据，调节励磁电流，逐渐减小磁场强度，记录相应的磁阻电流于表格“减小磁场”列中。
由于恒源流本身不能提供负向电流，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，从上到下记录相应的输出电压。
电流至一100mA后，逐渐减小负向电流，电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。
从下到上记录数据于“增大磁场”列中。
根据螺线管上表明的线圈密度，由公式
（1）计算出螺线管内的磁感
应强度B。
由欧姆定律R=U/I计算磁阻。
以磁感应强度B作横坐标，磁阻为纵坐标做出磁阻特性曲线。
应该注意，由于模拟传感器的两个磁阻是位于磁通聚集器中，与图3
相比，我们作出的磁阻曲线斜率大了约10倍，磁通聚集器结构使磁阻灵敏
度大大提高。
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
度的差值反映了材料的磁滞特性。
表2GMR磁阻特性的测量（磁阻两端电压
4V）
磁感应强度/高斯
磁阻/Ω
减小磁场
增大磁场
励磁电流/mA
磁感应强度/高斯
磁阻电流/mA
磁阻/Ω
磁阻电流/mA
磁阻/Ω
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
0
-5
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
三、GRM开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量
表3GRM开关传感器的磁电转换特性测量高电平=1V低电平=0V
减小磁场增大磁场
开关动励磁电流磁感应强度/高开关动励磁电流磁感应强度/高
作/mA斯作/mA斯
关关
开开
四、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，且灵
敏度高，线性范围大，可以方便的将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，我们用它来测量电流。
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
（3）
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
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
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