巨磁阻效应试验报告材料.docx

1、巨磁阻效应试验报告材料实用文档基础物理实验研究性实验报告巨磁电阻效应及其应用实用文档摘要 11.基本原理 12.实验仪器 22.1实验仪主机 22.2基本特性组件模块 32.3电流测量组件 32.4角位移测量组件 32.5磁读写组件 43.实验内容 43.1GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 43.2GMR磁阻特性测量 53.3GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 53.4用 GMR模拟传感器测量电流 63.5GMR梯度传感器的特性及应用 73.6磁记录与读出 74.注意事项 85.数据处理 85.1 GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 85.1.1 公式推导 85.1.2GMR 模

2、拟传感器的磁电转换特性数据处理 95.2 GMR 磁阻特性测量 105.3 GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 115.4用 GMR模拟传感器测量电流 115.5GMR梯度传感器的特性及应用 125.6磁记录与读出 136.误差分析 137.结果讨论 148.实验总结 14 参考文献 15附录 15实用文档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

3、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 3

4、4nm），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

5、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。无外磁场时顶层磁场方向顶层铁磁膜 中间导电层底层铁磁膜无外磁场时底层磁场方向图 1 多层膜 GMR 结构图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，对应于高实用文档电阻状态。 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

6、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：

7、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实用文档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

8、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=0nI 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， 0 4 10 7 H /m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

9、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。角位移测量组件实用文档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。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。图 9 GMR 模拟传感器结

10、构图对于电桥结构，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 R，简 单分析表明，输出电压：Uout =UIN R/(2R- R)磁电转换特性的测量原理图实用文档实验装置：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

11、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

12、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

13、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。实用文档/高 20 10 0 10 20 30图 13 GMR 开关传感器结构图 图 14 GMR 开关传感器磁电转换特性实验装置：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

14、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 GM

15、R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 = 0I/2 r =2 I 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用文档实验装置：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

16、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

17、。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。图 17 GMR 梯度传感器结构图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”

18、，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”接实用文档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

19、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

20、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5.1 GMR 模拟传感器的磁电转换特性测量5.1.1 公式推导电路连接图如上图所示，其中 Uba=Uout ，R1=R2=R3=R4=R实用文档当通电时， R1与 R2均减小 R。Ub=UINR/(2R- R)Ua=UIN(R- R)/(2R- R)Uout=Uba=Ub-Ua= UIN R/(2R- R)5.1.2GMR 模拟传感器的磁电转换特性数据处理根据 B=0nI ，其中 0=410-7N/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 /mA100908

21、0706050输出电压 /V （电流减小）0.2820.2810.2780.2640.2350.199输出电压 /V （电流增大）0.280.2780.2730.2550.2260.1867磁感应强度 /G30.15927.14324.12721.11218.09615.080励磁电流 /mA403020100-10输出电压 /V （电流减小）0.16050.12090.08350.04810.01620.0339输出电压 /V （电流增大）0.1480.10990.07360.040.01290.0441磁感应强度 /G12.0649.0486.0323.0160-3.016励磁电流 /mA

22、-20-30-40-50-60-70输出电压 /V （电流减小）0.06680.10330.14110.17950.2180.251输出电压 /V （电流增大）0.07870.11520.15280.1910.2280.257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）0.2710.2780.28输出电压 /V （电流增大）0.2740.2790.28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

23、下：实用文档5.2 GMR 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 /mA1009080706050磁感应强度 /G30.15927.14324.12721.11218.09615.080磁阻电流 /mA（电流减小）1.821.8191.8151.8021.7761.742磁阻/K2.19782.19902.20392.21982.25232.2962磁阻电流 /mA（电流增大）1.821.8181.8131.7961.7671.734磁阻/K2.19782.20022.20632.22722.26372.3068励磁电流 /mA403020100-

24、10磁感应强度 /G12.0649.0486.0323.0160-3.016磁阻电流 /mA（电流减小）1.7081.6741.6421.6121.5851.6磁阻/K2.34192.38952.43612.48142.52372.5磁阻电流 /mA（电流增大）1.6991.6651.6341.6061.5831.609磁阻/K2.35432.40242.44802.49072.52682.4860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）1.6271.6581

25、.6911.7261.7611.792磁阻/K2.45852.41252.36552.31752.27142.2321磁阻电流 /mA（电流增大）1.6381.6691.7031.7371.771.797磁阻/K2.44202.39662.34882.30282.25992.2259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）1.811.8171.818磁阻/K2.20992.20142.2002磁阻电流 /mA（电流增大）1.8131.8181.819磁阻/K2.20632.20022.1990以磁感应强度 B 作

26、横坐标，磁阻为纵坐标，作出磁阻特性曲线如下：实用文档5.3 GMR 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 0mA0mA-50mA状态变化1V -1V-1V1V状态变化点11.4mA-15.9mA磁感应强度3.438G-4.795G电流变化-50mA0mA0mA 50mA状态变化1V -1V-1V1V状态变化点-14.2mA14.9mA磁感应强度-4.283G4.494G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：电流减小电流增大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

27、系表格如下：待测电流 /mA3002001000输出电压 /mV低磁偏置（约 25mV）减小电流26.826.325.725.2增大电流26.726.125.625适当磁偏置（约 150mV）减小电流152.2151.6151150.3增大电流152.5151.9151.2150.4待测电流 /mA-100-200-300输出电压 /mV低磁偏置（约 25mV）减小电流24.523.923.4增大电流24.423.923.4适当磁偏置（约 150mV）减小电流149.6149148.3增大电流149.7149148.3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

28、：实用文档1）低磁偏置（约 25mV）时2）适当磁偏置（约 150mV）时减小电流 增大电流 线性 （减小电流 ） 线性 （增大电流 ）5.5GMR 梯度传感器的特性及应用角度/2932353841444750电压 /mV0.0-39.3-43.0-21.32.831.454.343.3角度/5356596265687174电压 /mV-3.1-40.7-41.9-19.74.432.455.744.4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：实用文档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01011010磁卡区号12345678读出电平 /mV3.819443.9194419443.919463.96.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