磁阻效應(yīng)-課件第1頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月一、概述（一）、磁阻概念：材料的電阻會因外加磁場而增加或減少，電阻的變化量稱為磁阻(Magnetoresistan-ce)。物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)是1857年由英國物理學(xué)家威廉·湯姆森發(fā)現(xiàn)的。它在金屬中可以忽略，在半導(dǎo)體中則可能由小到中等。從一般磁阻開始，磁阻發(fā)展經(jīng)歷了巨磁阻（GMR）、龐磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直沖磁阻（BMR）和異常磁阻（EMR）。第2頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、磁阻應(yīng)用：目前，磁阻效應(yīng)廣泛用于磁傳感、磁力計(jì)、電子羅盤、位置和角度傳感器、車輛探測、GPS導(dǎo)航、儀器儀表、磁存儲(磁卡、硬盤)等領(lǐng)域。磁阻器件的特點(diǎn)：靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)。在眾多的磁阻器件中，銻化銦（InSb）傳感器最為典型，它是一種價(jià)格低廉、靈敏度高的磁阻器件，在生產(chǎn)生活應(yīng)用廣泛。第3頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、磁阻分類：若外加磁場與外加電場垂直，稱為橫向磁阻效應(yīng)；若外加磁場與外加電場平行，稱為縱向磁阻效應(yīng)。一般情況下，縱向磁感強(qiáng)度不引起載流子偏移，因此一般不考慮縱向磁阻效應(yīng)。

2007年諾貝爾物理學(xué)獎授予來自法國國家科學(xué)研究中心的物理學(xué)家艾爾伯·費(fèi)爾和來自德國尤利希研究中心的物理學(xué)家皮特·克魯伯格，以表彰他們發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)的貢獻(xiàn)。第4頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月*巨磁阻效應(yīng)（附加材料）所謂巨磁阻效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有無外磁場作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。上下兩層為鐵磁材料，中間夾層是非鐵磁材料。巨磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來就被用于開發(fā)研制硬磁盤的數(shù)據(jù)讀出頭（ReadHead）。這使得存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減小，從而使得磁盤的存儲能力得到大幅度的提高。第一個(gè)商業(yè)化數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場的，到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。第5頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解磁阻效應(yīng)的基本原理及測量磁阻效應(yīng)的方法。2、測量銻化銦傳感器的電阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。3、學(xué)習(xí)用磁阻傳感器測量磁場的方法。第6頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月三、實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，當(dāng)導(dǎo)電體處于磁場中時(shí)（電流方向與磁場方向垂直），導(dǎo)電體內(nèi)的載流子將在洛侖茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩端產(chǎn)生積聚電荷并產(chǎn)生霍爾電場。如果霍爾電場作用和某一速度的載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，則小于此速度的電子將沿霍爾電場作用的方向偏轉(zhuǎn)，而大于此速度的電子則沿相反方向偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場方向運(yùn)動的載流子數(shù)量將減少，即沿電場方向的電流密度減小，電阻增大，也就是由于磁場的存在，增加了電阻，此現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。如果將圖1中UH短路，磁阻效應(yīng)更明顯。第7頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月電子受力分析：重力（豎直向下）、電場力1（外加電壓產(chǎn)生）、電場力2（霍爾效應(yīng)產(chǎn)生）、洛倫茨力（帶電粒子在磁場中運(yùn)動產(chǎn)生，左手法則）。左手法則：伸出左手，四指并攏，大拇指與四指指向垂直，讓磁感應(yīng)線穿過手心，四指指向電流方向，大拇指所指方向?yàn)槭芰Ψ较颉?/p>

第8頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月通常以電阻率的相對改變量來表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ(0)表示。其中ρ(0)為零磁場時(shí)的電阻率，ρ(B)為在磁場強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率，則Δρ=ρ(B)

－ρ(0)

。由于磁阻傳感器電阻的相對變化率ΔR/R(0)

正比于Δρ/ρ(0)

，這里ΔR=R(B)－R(0)

，R(0)

、R(B)分別為磁場強(qiáng)度為0和B下磁阻傳感器的電阻阻值。因此也可以用磁阻傳感器電阻的相對改變量ΔR/R(0)來表示磁阻效應(yīng)的大小。

測量磁電阻電阻值R與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置及線路如圖2所示。

第9頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

盡管不同的磁阻裝置有不同的靈敏度，但其電阻的相對變化率ΔR/R(0)與外磁場的關(guān)系都是相似的。實(shí)驗(yàn)證明，磁阻效應(yīng)對外加磁場的極性不靈敏，就是同強(qiáng)度正負(fù)磁場的磁阻效應(yīng)相同。一般情況下外加磁場較弱時(shí)，電阻相對變化率ΔR/R(0)正比于磁場強(qiáng)度B的二次方；隨磁場強(qiáng)度的加強(qiáng)，ΔR/R(0)與磁場強(qiáng)度B呈線性函數(shù)關(guān)系；當(dāng)外加磁場超過特定值時(shí)，ΔR/R(0)與磁場強(qiáng)度B的響應(yīng)會趨于飽和。另外，ΔR/R(0)對總磁場的方向很靈敏，總磁場為外磁場與內(nèi)磁場之和，而內(nèi)磁場與磁阻薄膜的性質(zhì)和幾何形狀有關(guān)。

第11頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月四、實(shí)驗(yàn)儀器介紹實(shí)驗(yàn)采用DH4510磁阻效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀，研究銻化銦（InSb）磁阻傳感器的磁阻特性，DH4510磁阻效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀由信號源和測試架兩部分組成。圖3為該儀器示意圖。圖4為該儀器線路連接圖。第12頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、在銻化銦磁阻傳感器工作電流保持不變的條件下，測量銻化銦磁阻傳感器的電阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。作ΔR/R(0)與B的關(guān)系曲線，并進(jìn)行曲線擬合。

2、用磁阻傳感器測量一個(gè)未知的磁場強(qiáng)度，與毫特計(jì)測得的磁場強(qiáng)度相比較，估算測量誤差。

第15頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月六、實(shí)驗(yàn)操作步驟儀器開機(jī)前須將IM調(diào)節(jié)電位器、Is電流調(diào)節(jié)電位器逆時(shí)針方向旋到底。1、信號源的“IM直流源”端用導(dǎo)線接至測試架的“勵(lì)磁電流”輸入端，紅導(dǎo)線與紅接線柱相連，黑導(dǎo)線與黑接線柱相連。調(diào)節(jié)“IM電流調(diào)節(jié)”電位器可改變輸入勵(lì)磁線圈電流的大小，從而改變電磁鐵間隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。2、將實(shí)驗(yàn)儀信號源背部的插座通過專用的連接線接至測試架的控制輸入端，這是一路提供繼電器工作的12V直流控制電源，作為繼電器的控制電壓。3、信號源上“Is直流恒流源”輸出用導(dǎo)線接至工作電流切換繼電器K1接線柱的中間兩端，紅導(dǎo)線與紅接線柱相連，黑導(dǎo)線與黑接線柱相連。第16頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月4、信號源的“信號輸入”兩端用導(dǎo)線接至輸出信號切換繼電器K2接線柱的中間兩端，紅導(dǎo)線與紅接線柱相連，黑導(dǎo)線與黑接線柱相連。5、將繼電器K1接線柱的下面兩端與繼電器K2接線柱的下面兩端相連，紅導(dǎo)線與紅接線柱相連，黑導(dǎo)線與黑接線柱相連。6、將銻化銦（InSb）磁阻傳感器（藍(lán)、綠引出線）的兩端與工作電流切換繼電器K1接線柱的下面兩端相連，紅的香蕉插接紅接線柱，黑的香蕉插接黑接線柱。即藍(lán)引出線接至紅接線柱，綠引出線接至黑接線柱。7、砷化鎵（GaAs）霍爾傳感器的的四引出線按線的長短已分成兩組，紅、灰為一組（為工作電流輸入端），橙、黃為一組（為霍爾電壓輸出端），紅、灰這一組線接至工作電流切換繼電器K1接線柱的上面兩端，橙、黃這一組線接至輸出信號切換繼電器K2接線柱的上面兩端。紅的香蕉插接紅接線柱，黑的香蕉插接黑接線柱。

第17頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月8、確認(rèn)接線正確完成后，接通電源，將信號源上左邊的“信號選擇”切換開關(guān)處于彈起狀態(tài)，此時(shí)勵(lì)磁信號為直流信號；將信號源右邊的“信號選擇”切換開關(guān)處于按下狀態(tài)，測試架的切換開關(guān)也處于按下狀態(tài)，這時(shí)將測試架上取出的霍爾電壓信號輸入到信號源，經(jīng)內(nèi)部處理轉(zhuǎn)換成磁場強(qiáng)度由表頭顯示。9、調(diào)節(jié)Is調(diào)節(jié)電位器讓Is表頭顯示為1.00mA，然后調(diào)節(jié)IM，使磁場強(qiáng)度顯示為0.xmT，記下勵(lì)磁電流值的大小。10、彈起信號源右邊的切換開關(guān)和測試架上的切換開關(guān)，測量并記錄該磁場強(qiáng)度下對應(yīng)的磁阻電壓。注意：這時(shí)的Is表頭顯示應(yīng)為1.00mA。11、將測試架上及信號源右邊的切換開關(guān)按下，再調(diào)節(jié)IM調(diào)節(jié)電位器，使磁場強(qiáng)度顯示為20mT，記下該磁場強(qiáng)度及對應(yīng)的勵(lì)磁電流值。測量并記錄該磁場強(qiáng)度下對應(yīng)的磁阻電壓。

第18頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月12、重復(fù)以上10～11步驟，測量出磁場強(qiáng)度大小分別為0，20，40，60，80，100，150，200，250，300，350，400，450，500mT，分別記錄電磁鐵的勵(lì)磁電流IM/mA和InSb兩端的電壓UR/mV

。13、在B>0.12T時(shí)對ΔR/R(0)作曲線擬合，求出R與B的關(guān)系。14、調(diào)節(jié)IM電流，使電磁鐵產(chǎn)生一個(gè)未知的磁場強(qiáng)度。測量磁阻傳感器的磁阻電壓，根據(jù)求得的ΔR/R(0)與B的關(guān)系曲線，求得磁場強(qiáng)度。15、用儀器所配的毫特計(jì)測量該磁場強(qiáng)度，將測得的磁場強(qiáng)度作為準(zhǔn)確值與磁阻傳感器測得的磁場強(qiáng)度值相比較，估算測量誤差。

第19頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄作出ΔR/R與B關(guān)系曲線數(shù)據(jù)表:

第20頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)節(jié)IM電流，使電磁鐵產(chǎn)生一個(gè)未知的磁場強(qiáng)度。測量磁阻傳感器的磁阻電壓，根據(jù)求得的ΔR/R(0)與B的關(guān)系曲線，求得磁場強(qiáng)度。用儀器所配的毫特計(jì)測量該磁場強(qiáng)度，將測得的磁場強(qiáng)度作為準(zhǔn)確值與磁阻傳感器測得的磁場強(qiáng)度值相比較，估算測量誤差。第21頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題：1、磁阻效應(yīng)是怎樣產(chǎn)生的？磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)有何內(nèi)部聯(lián)系？2、實(shí)驗(yàn)時(shí)為何要保持霍爾工作電流和流過磁阻元件的電流不變？3、不同的磁場強(qiáng)度時(shí)，磁阻傳感器的電阻值與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系有何變化？4、磁阻傳感器的電阻值與磁場的極性和方向有何關(guān)系？5、你能解釋在低頻交流磁場激勵(lì)下，勵(lì)磁信號和磁阻傳感器輸出信號構(gòu)成的李薩如圖形如“蝴蝶”的原因嗎？

第22頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)據(jù)處理示例：第23頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)表1數(shù)據(jù)畫圖：第24頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月對B>0.12T的8組數(shù)據(jù)用最小二乘法處理：第25頁，課件共27頁，創(chuàng)作