巨磁电阻效应及其应用实验报告Word格式.docx
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磁阻变化率ΔR/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,
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:
U
=U
(2R-
R)
(2)
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
励磁电流/mA
减小磁场
增大磁场
100
228
90
80
227
70
226
60
224
50
222
215
40
196
180
30
147
132
20
96
81
10
5
31
21
12
-5
-10
39
-20
93
-30
129
144
-40
179
194
-50
-60
-70
-80
-90
-100
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。
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)
磁阻/Ω
磁阻电流/mA
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
开关动作
关
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
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。
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。
表4用GMR模拟传感器测量电流
待测电流/mA
300
200
-200
-300
低磁偏置
减小电流
27
23
(约25mV)
增加电流
适当磁偏置
(约150mV)
五、GMR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。
图18以检测齿轮的角位移为例,说明其应用原理。
将永磁体放置于传感器上方,若齿轮是铁磁材料,永磁体产生的空间磁场在相对于齿牙不同位置时,产生不同的梯度磁场。
a位置时,输出为零。
b位置时,R1、R2感受到的磁场强度大于R3、R4,输出正电压。
c位置时,输出回归零。
d位置时,R1、R2感受到的磁场强度小于R3、R4,输出负电压。
于是,在齿轮转动过程中,每转过一个齿牙便产生一个完整的波形输出。
这一原理已普遍应用于转速(速度)与位移监控,在汽车及其它工业领域得到广泛应用。
巨磁阻实验仪、角位移测量组件。
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。
表4齿轮角位移的测量
转动角度/度
42
45
48
51
54
57
63
-11
-44
66
69
72
75
78
84
87
6
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。
六、磁记录与读出
二进制数字
1
磁卡区域号
2
3
4
7
8
读出电平(V)
此实验演示了磁记录与磁读出的原理与过程。
【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,恒流源只能单向调节,不可回调,否则测量数据将不准确。
2、测试卡组件不能长期处于“写”状态。
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- 磁电 效应 及其 应用 实验 报告