巨磁阻效应实验报告.docx

1、基础物理实验研究性实验报告巨磁电阻效应及其应用目录摘要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

2、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115.5 GMR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基础物理实验研究性报告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

3、，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=rl/S中，把电阻率r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

4、，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

5、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，

6、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

7、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=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， 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

8、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

9、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R，简单分析表明，输出电压：Uout=UINR/(2R-R)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

10、“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

11、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

12、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

13、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 = 0I/2r =2 I10-7/r磁场强度与电流成正比，在r已知

14、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

15、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

16、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：

17、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

18、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5.1 GMR模拟传感器的磁电转换特性测量5.1.1公式推导Uout=UINR/(2R-R)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R。Ub=UINR/(2R-R)Ua=UIN(R-R)/(2R-R)Uout=Uba=Ub-Ua= UINR/(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

19、=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/mA1009080706050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/G12.0

20、649.0486.0323.0160-3.016励磁电流/mA-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

21、读数为纵坐标，作出磁电转换特性曲线如下：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/mA4030

22、20100-10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

23、.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作横坐标，磁阻为

24、纵坐标，作出磁阻特性曲线如下：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50mA0mA0mA-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-50mA0mA0mA50mA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：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/mA3002001000输出电压/

25、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：（1）低磁偏置（约25mV）时（2）适当磁偏置（约150mV）时5.5 GM

26、R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：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

27、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

28、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=0nI，当电流的绝对值减小，磁感应强度减小，R也减小，根据公式Uout=UINR/(2R-R)，分子分母同时除以R，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，R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 R/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