1、巨磁电阻效应及其应用实验报告巨磁电阻效应及其应用【实验目的】1、 了解 GMR效应的原理2、 测量 GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线3、 测量 GMR的磁阻特性曲线4、 用GMR传感器测量电流5、 用 GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解 GMR转速（速度）传感 器的原理【实验原理】 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
2、 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 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） ，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。; 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。 在图2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。电流的方向在多数应用中是平行于
3、膜面的图3是图2结构的某种 GMR材料的磁阻特性。 由图可见，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。 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
4、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
5、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 GM模R 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 = 0nI （ 1）式中 n
6、 为线圈密度， I 为流经线圈的电流强度， 0 4 10 7 H / m 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
7、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：OUTU =UIN (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
8、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
9、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 1 GMR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磁感应强度/ 高斯减小磁场增大磁场1002282289022822880227227702272
10、26602262245022221540196180301471322096811050405312101210-52030-103950-208093-30129144-40179194-50215222-60224226-70226227-80227227-90228228-100228228二、 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
11、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
12、数据于“增大磁场”列中。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。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 2 GMR 磁阻特性的测量（磁阻两端电压 4V）磁感应强度 / 高斯磁阻/减小磁场增大磁场励磁电流 /mA磁感应强度 / 高斯磁阻电流 /mA磁阻/磁阻电流
13、/mA磁阻/10090807060504030201050-5-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100三、GRM开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量表 3 GRM开关传感器的磁电转换特性测量 高电平 = 1 V 低电平 = 0 V减小磁场增大磁场开关动 作励磁电流 /mA磁感应强度 / 高 斯开关动 作励磁电流 /mA磁感应强度 / 高 斯关关开开四、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。
14、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 （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 实验装置：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
15、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。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， 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
16、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 /mA3002001000-100-200-300输出电压 /mV低磁偏置（ 约 25mV）减小电流2723增加电流23适当磁偏置（ 约 150mV）减小电流增加电流五、 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 轮的角位移为例，
17、说明其应用原理。将永磁体放置于传感器上方，若 轮是铁磁材料，永磁体产生的空间磁 在相对于齿牙不同位置时，产生不同 梯度磁场。 a位置时，输出为零。 b位 时， R1、 R2 感受到的磁场强度大于 R3、 输出正电压。 c位置时，输出回归零。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实验装置：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394245485154576063输出电压 /mV0-11-44转动角度/度666972757881848790输出电压 /mV6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10010011磁卡区域号12345678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。
