1、巨磁電阻實驗報告【目的要求】1、 了解GMR效應的原理2、 測量GMR模擬傳感器的磁電轉換特性曲線3、 測量GMR的磁阻特性曲線4、 用GMR傳感器測量電流5、 用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移，了解GMR轉速（速度）傳感器的原理【原理簡述】根據導電的微觀機理，電子在導電時并不是沿電場直線前進，而是不斷和晶格中的原子產生碰撞（又稱散射），每次散射后電子都會改變運動方向，總的運動是電場對電子的定向加速與這種無規散射運動的疊加。稱電子在兩次散射之間走過的平均路程為平均自由程，電子散射幾率小，則平均自由程長，電阻率低。電阻定律 R=rl/S中，把電阻率r視為常數，與材料的幾何尺度無關，這是因為通常

2、材料的幾何尺度遠大于電子的平均自由程（例如銅中電子的平均自由程約34nm），可以忽略邊界效應。當材料的幾何尺度小到納米量級，只有幾個原子的厚度時（例如，銅原子的直徑約為0.3nm），電子在邊界上的散射幾率大大增加，可以明顯觀察到厚度減小，電阻率增加的現象。電子除攜帶電荷外，還具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁場兩種可能取向。早在1936年，英國物理學家，諾貝爾獎獲得者N.F.Mott指出，在過渡金屬中，自旋磁矩與材料的磁場方向平行的電子，所受散射幾率遠小于自旋磁矩與材料的磁場方向反平行的電子。總電流是兩類自旋電流之和;總電阻是兩類自旋電流的并聯電阻，這就是所謂的兩電流模型。在圖2所示的

3、多層膜結構中，無外磁場時，上下兩層磁性材料是反平行（反鐵磁）耦合的。施加足夠強的外磁場后，兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向一致，外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合。電流的方向在多數應用中是平行于膜面的。圖3是圖2結構的某種GMR材料的磁阻特性。由圖可見，隨著外磁場增大，電阻逐漸減小，其間有一段線性區域。當外磁場已使兩鐵磁膜完全平行耦合后，繼續加大磁場，電阻不再減小，進入磁飽和區域。磁阻變化率 R/R 達百分之十幾，加反向磁場時磁阻特性是對稱的。注意到圖2中的曲線有兩條，分別對應增大磁場和減小磁場時的磁阻特性，這是因為鐵磁材料都具有磁滯特性。有兩類與自旋相關的散射對巨磁電阻效應有貢獻。其

4、一，界面上的散射。無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初始自旋狀態如何，從一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨狀態改變（平行反平行，或反平行平行），電子在界面上的散射幾率很大，對應于高電阻狀態。有外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，電子在界面上的散射幾率很小，對應于低電阻狀態。其二，鐵磁膜內的散射。即使電流方向平行于膜面，由于無規散射，電子也有一定的幾率在上下兩層鐵磁膜之間穿行。無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初始自旋狀態如何，在穿行過程中都會經歷散射幾率小（平行）和散射幾率大（反平行）兩種過程，兩類自旋電流的并聯電阻相似兩個中等阻值的電阻的并聯，對應于高

5、電阻狀態。有外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，自旋平行的電子散射幾率小，自旋反平行的電子散射幾率大，兩類自旋電流的并聯電阻相似一個小電阻與一個大電阻的并聯，對應于低電阻狀態。多層膜GMR結構簡單，工作可靠，磁阻隨外磁場線性變化的范圍大，在制作模擬傳感器方面得到廣泛應用。在數字記錄與讀出領域，為進一步提高靈敏度，發展了自旋閥結構的GMR。【實驗裝置】巨磁電阻實驗儀；基本特性組件；電流測量組件；角位移測量組件；磁讀寫組件；【實驗內容】一、GMR模擬傳感器的磁電轉換特性測量在將GMR構成傳感器時，為了消除溫度變化等環境因素對輸出的影響，一般采用橋式結構。 a 幾何結構 b電路連接GMR模擬傳感

6、器結構圖對于電橋結構，如果4個GMR電阻對磁場的影響完全同步，就不會有信號輸出。圖17-9中，將處在電橋對角位置的兩個電阻R3, R4覆蓋一層高導磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁場對它們的影響，而R1，R2阻值隨外磁場改變。設無外磁場時4個GMR電阻的阻值均為R， R1、R2在外磁場作用下電阻減小R，簡單分析表明，輸出電壓：U=U (2R-R) (2)屏蔽層同時設計為磁通聚集器，它的高導磁率將磁力線聚集在R1、R2電阻所在的空間，進一步提高了R1，R2的磁靈敏度。從幾何結構還可見，巨磁電阻被光刻成微米寬度迂回狀的電阻條，以增大其電阻至k數量級，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。GMR模擬

7、傳感器的磁電轉換特性模擬傳感器磁電轉換特性實驗原理圖將GMR模擬傳感器置于螺線管磁場中，功能切換按鈕切換為“傳感器測量”。實驗儀的4V電壓源接至基本特性組件“巨磁電阻供電”，恒流源接至“螺線管電流輸入”，基本特性組件“模擬信號輸出”接至實驗儀電壓表。按表1數據，調節勵磁電流，逐漸減小磁場強度，記錄相應的輸出電壓于表格“減小磁場”列中。由于恒流源本身不能提供負向電流，當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流i，此時流經螺線管的電流與磁感應強度的方向為負，從上到下記錄相應的輸出電壓。電流至-100mA后，逐漸減小負向電流，電流到0時同樣需要交換恒流輸出的極性。從下到上記錄數

8、據于表一“增大磁場”列中。 理論上講，外磁場為零時，GMR傳感器的輸出應為零，但由于半導體工藝的限制，4個橋臂電阻值不一定完全相同，導致外磁場為零時輸出不一定為零，在有的傳感器中可以觀察到這一現象。根據螺線管上表明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內的磁感應強度B。以磁感應強度B作橫坐標，電壓表的讀數為縱坐標作出磁電轉換特性曲線。不同外磁場強度時輸出電壓的變化反映了GMR傳感器的磁電轉換特性，同一外磁場強度下輸出電壓的差值反映了材料的磁滯特性。表1 GMR模擬傳感器磁電轉換特性的測量（電橋電壓4V）磁感應強度/高斯輸出電壓/mV勵磁電流/mA磁感應強度/高斯減小磁場增大磁場100231233

9、9023123380230232702292306022322250202195.040167.2154.630129.8114.7209275.71056.743.2540.415.3024.319.3511.236.91039.452.82073.488.130110.5125.940150.416450189.620060220224702302318023223290233233100233234二、GMR磁阻特性測量磁阻特性測量原理圖為加深對巨磁電阻效應的理解，我們對構成GMR模擬傳感器的磁阻進行測量。將基本特性組件的功能切換按鈕切換為“巨磁阻測量”，此時被磁屏蔽的兩個電橋電阻R3、

10、R4被短路，而R1、R2并聯。將電流表串連進電路中，測量不同磁場時回路中電流的大小，就可以計算磁阻。實驗裝置：巨磁阻實驗儀，基本特性組件。 將GMR模擬傳感器置于螺線管磁場中，功能切換按鈕切換為“巨磁阻測量”。實驗儀的4伏電壓源串連電流表后，接至基本特性組件“巨磁電阻供電”，恒流源接至“螺線管電流輸入”。按表2數據，調節勵磁電流，逐漸減小磁場強度，記錄相應的磁阻電流于表格“減小磁場”列中。由于恒源流本身不能提供負向電流，當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時流經螺線管的電流與磁感應強度的方向為負，從上到下記錄相應的輸出電壓。 電流至一100mA后，逐漸減小負向電

11、流，電流到0時同樣需要交換恒流輸出接線的極性。從下到上記錄數據于“增大磁場”列中。根據螺線管上表明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內的磁感應強度B。由歐姆定律R=U/I 計算磁阻。以磁感應強度B作橫坐標，磁阻為縱坐標做出磁阻特性曲線。應該注意，由于模擬傳感器的兩個磁阻是位于磁通聚集器中，與圖3相比，我們作出的磁阻曲線斜率大了約10倍，磁通聚集器結構使磁阻靈敏度大大提高。 不同外磁場強度時磁阻的變化反映了GMR的磁阻特性，同一外磁場強度的差值反映了材料的磁滯特性。表2 GMR磁阻特性的測量（磁阻兩端電壓4V）磁感應強度/高斯磁阻/減小磁場增大磁場勵磁電流/mA磁感應強度/高斯磁阻電流/mA磁

12、阻/磁阻電流/mA磁阻/1001.9121.910901.9111.910801.9111.909701.9101.900601.9081.892501.8911.876401.8521.831301.8071.786201.7631.748101.7251.71351.7091.69601.6921.67651.6781.699101.7041.716201.7381.752301.7761.793401.8181.838501.8641.882601.8961.905701.9061.909801.9091.910901.9101.9101001.9101.910三、 GMR開關（數字）傳

13、感器的磁電轉換特性曲線測量將GMR模擬傳感器與比較電路，晶體管放大電路集成在一起，就構成GMR開關（數字）傳感器，結構如圖14所示。比較電路的功能是，當電橋電壓低于比較電壓時，輸出低電平。當電橋電壓高于比較電壓時，輸出高電平。選 擇適當的GMR電橋并結合調節比較電壓，可調節開關傳感器開關點對應的磁場強度。圖15是某種GMR開關傳感器的磁電轉換特性曲線。當磁場強度的絕對值從低增加到12高斯時，開關打開（輸出高電平），當磁場強度的絕對值從高減小到10高斯時，開關關閉（輸出低電平）。實驗裝置：巨磁阻實驗儀，基本特性組件。將GMR模擬傳感器置于螺線管磁場中，功能切換按鈕切換為“傳感器測量”。實驗儀的4

14、伏電壓源接至基本特性組件“巨磁電阻供電”，“電路供電”接口接至基本特性組件對應的“電路供電”輸入插孔，恒流源接至“螺線管電流輸入”，基本特性組件“開關信號輸出”接至實驗儀電壓表。從50mA逐漸減小勵磁電流，輸出電壓從高電平（開）轉變為低電平（關）時記錄相應的勵磁電流于表3“減小磁場”列中。當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時流經螺線管的電流與磁感應強度的方向為負，輸出電壓從低電平（關）轉變為高電平（開）時記錄相應的負值勵磁電流于表3“減小磁場”列中。將電流調至50mA。逐漸減小負向電流，輸出電壓從高電平（開）轉變為低電平（關）時記錄相應的負值勵磁電流于表3“增

15、大磁場”列中，電流到0時同樣需要交換恒流輸出接線的極性。輸出電壓從低電平（關）轉變為高電平（開）時記錄相應的正值勵磁電流于表3“增大磁場”列中。表3 GMR開關傳感器的磁電轉換特性測量 高電平 V 低電平 V減小磁場增大磁場開關動作勵磁電流/mA磁感應強度/高斯開關動作勵磁電流/mA磁感應強度/高斯關關開開根據螺線管上標明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內的磁感應強度B。以磁感應強度B作橫座標，電壓讀數為縱座標作出開關傳感器的磁電轉換特性曲線。利用GMR開關傳感器的開關特性已制成各種接近開關，當磁性物體（可在非磁性物體上貼上磁條）接近傳感器時就會輸出開關信號。廣泛應用在工業生產及汽車，家電

16、等日常生活用品中，控制精度高，惡劣環境（如高低溫，振動等）下仍能正常工作。由于儀器故障原因，此步驟無法進行。四、用GMR模擬傳感器測量電流GMR模擬傳感器在一定的范圍內輸出電壓與磁場強度成線性關系，且靈敏度高，線性范圍大，可以方便的將GMR制成磁場計，測量磁場強度或其它與磁場相關的物理量。作為應用示例，我們用它來測量電流。由理論分析可知，通有電流I的無限長直導線，與導線距離為r的一點的磁感應強度為：B = 0I/2r =2 I×10-7/r （3）磁場強度與電流成正比，在r已知的條件下，測得B，就可知I。在實際應用中，為了使GMR模擬傳感器工作在線性區，提高測量精度，還常常預先給傳感

17、器施加一固定已知磁場，稱為磁偏置，其原理類似于電子電路中的直流偏置。 模擬傳感器測量電流實驗原理圖實驗裝置：巨磁阻實驗儀，電流測量組件實驗儀的4伏電壓源接至電流測量組件“巨磁電阻供電”，恒流源接至“待測電流輸入”，電流測量組件“信號輸出”接至實驗儀電壓表。將待測電流調節至0。將偏置磁鐵轉到遠離GMR傳感器，調節磁鐵與傳感器的距離，使輸出約25mV。將電流增大到300mA，按表4數據逐漸減小待測電流，從左到右記錄相應的輸出電壓于表格“減小電流”行中。由于恒流源本身不能提供負向電流，當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時電流方向為負，記錄相應的輸出電壓。逐漸減小負向

18、待測電流，從右到左記錄相應的輸出電壓于表格“增加電流”行中。當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時電流方向為正，記錄相應的輸出電壓。將待測電流調節至0。將偏置磁鐵轉到接近GMR傳感器，調節磁鐵與傳感器的距離，使輸出約150mV。用低磁偏置時同樣的實驗方法，測量適當磁偏置時待測電流與輸出電壓的關系。表4 用GMR模擬傳感器測量電流 待測電流/mA3002001000100200300輸出電壓/mV低磁偏置(約25mV)減小電流26.726.225.625.024.523.923.3增加電流26.726.225.625.024.423.923.3適當磁偏置(約130

19、.1mV)減小電流132.7131.9131.1130.3129.5128.6127.7增加電流132.8131.9131.1130.1129.4128.6127.7以電流讀數作橫坐標，電壓表的讀數為縱坐標作圖。分別作出4條曲線。由測量數據及所作圖形可以看出，適當磁偏置時線性較好，斜率（靈敏度）較高。由于待測電流產生的磁場遠小于偏置磁場，磁滯對測量的影響也較小，根據輸出電壓的大小就可確定待測電流的大小。用GMR傳感器測量電流不用將測量儀器接入電路，不會對電路工作產生干擾，既可測量直流，也可測量交流，具有廣闊的應用前景。五、GMR梯度傳感器的特性及應用將GMR電橋兩對對角電阻分別置于集成電路兩端

20、，4個電阻都不加磁屏蔽，即構成梯度傳感器，如圖17所示。這種傳感器若置于均勻磁場中，由于4個橋臂電阻阻值變化相同，電橋輸出為零。如果磁場存在一定的梯度，各GMR電阻感受到的磁場不同，磁阻變化不一樣，就會有信號輸出。圖18以檢測齒輪的角位移為例，說明其應用原理。將永磁體放置于傳感器上方，若齒輪是鐵磁材料，永磁體產生的空間磁場在相對于齒牙不同位置時，產生不同的梯度磁場。a位置時，輸出為零。b位置時，R1、R2 感受到的磁場強度大于R3、R4，輸出正電壓。c位置時，輸出回歸零。d位置時，R1、R2 感受到的磁場強度小于R3、R4，輸出負電壓。于是,在齒輪轉動過程中,每轉過一個齒牙便產生一個完整的波形

21、輸出。這一原理已普遍應用于轉速（速度）與位移監控，在汽車及其它工業領域得到廣泛應用。實驗裝置：巨磁阻實驗儀、角位移測量組件。將實驗儀4V電壓源接角位移測量組件“巨磁電阻供電”，角位移測量組件“信號輸出”接實驗儀電壓表。逆時針慢慢轉動齒輪，當輸出電壓為零時記錄起始角度，以后每轉3度記錄一次角度與電壓表的讀數。轉動48度齒輪轉過2齒，輸出電壓變化2個周期。表4 齒輪角位移的測量起始角度/度03691215182124轉動角度/度018.331.431.319.94.7-9.8-15.1-2.0輸出電壓/mV2730333639424548起始角度/度1732.231.520.24.4-9.8-15

22、.4-2.2以齒輪實際轉過的度數為橫坐標，電壓表的讀數為縱向坐標作圖。六、磁記錄與讀出磁記錄是當今數碼產品記錄與儲存信息的最主要方式，由于巨磁阻的出現，存儲密度有了成百上千倍的提高。在當今的磁記錄領域，為了提高記錄密度，讀寫磁頭是分離的。寫磁頭是繞線的磁芯，線圈中通過電流時產生磁場，在磁性記錄材料上記錄信息。巨磁阻讀磁頭利用磁記錄材料上不同磁場時電阻的變化讀出信息。磁讀寫組件用磁卡做記錄介質，磁卡通過寫磁頭時可寫入數據，通過讀磁頭時將寫入的數據讀出來。同學可自行設計一個二進制碼，按二進制碼寫入數據，然后將讀出的結果記錄下來。實驗裝置：巨磁阻實驗儀，磁讀寫組件，磁卡。實驗儀的4伏電壓源接磁讀寫組

23、件“巨磁電阻供電”， “電路供電”接口接至基本特性組件對應的“電路供電”輸入插孔，磁讀寫組件“讀出數據”接至實驗儀電壓表。將需要寫入與讀出的二進制數據記入表6第2行。將磁卡插入，“功能選擇”按鍵切換為“寫”狀態。緩慢移動磁卡，根據磁卡上的刻度區域切換“寫0”“寫1”；將“功能選擇”按鍵切換為“讀”狀態，移動磁卡至讀磁頭處，根據刻度區域在電壓表上讀出電壓，記錄于表6第4行。表6 二進制數字的寫入與讀出十進制數字85二進制數字01010101磁卡區域號12345678讀出電平3.1mV1.983V3.1mV1.983V3.1mV1.983V3.1mV1.983V此實驗演示了磁記錄與磁讀出的原理與過

24、程。【實驗數據處理】1.GMR模擬傳感器的磁電轉換特性測量 磁感應強度/高斯輸出電壓/mV勵磁電流/mA磁感應強度/高斯減小磁場增大磁場10030.159289472312339027.143360532312338024.127431582302327021.111502632292306018.095573682232225015.07964474202195.04012.06371579167.2154.6309.047786842129.8114.7206.0318578959275.7103.01592894756.743.251.50796447440.415.30024.319.

25、35-1.50796447411.236.910-3.01592894739.452.820-6.03185789573.488.130-9.047786842110.5125.940-12.06371579150.416450-15.07964474189.620060-18.0955736822022470-21.1115026323023180-24.1274315823223290-27.14336053233233100-30.15928947233234以B為橫坐標，輸出電壓U為縱坐標，作圖得：磁感應強度B與輸出電壓U之間的關系曲線. GMR的磁阻特性曲線的測量磁感應強度/高斯磁阻

26、/減小磁場增大磁場勵磁電流/mA磁感應強度/高斯磁阻電流/mA磁阻/磁阻電流/mA磁阻/10030.159289471.9912009.041.9722028.399027.143360531.9902010.051.9722028.398024.127431581.9892011.061.9712029.427021.111502631.9882012.071.9692031.486018.095573681.9822018.161.9632037.695015.079644741.9612039.771.9362066.114012.063715791.9262076.841.8982107.48309.0477868421.8882118.641.8602150.53206.0318578951.8522159.821.8242192.98103.0159289471.8182200.221.79