预习报告-巨磁电阻汇编

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1、巨磁电阻与磁电阻 清华大学 工程物理系 核32班 刘一宁 学号：2013011816 磁电阻是怎么产生的？ 磁电阻是怎么产生的？将铁磁金属材料中电子按自旋取向分成两 类处理，与本体材料磁化方向平行与反平行的自旋电子在传输过 程是可以分辨的，且平行与反平行自旋通道以并联方式贡献电导 率，此效应称为双电流模型（the two-current model）。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。电流由 s 电子传递，其有效质量近于自由电子。然而电阻则取决于电子 从s 带跃迁到d 带的散射过程。因为铁磁金属 d 电子的两种自旋 取向的电子数目不等，散射过程必须保证自旋守恒，所以

2、s-d 电 子散射过程就与电子间自旋的相对取向有关，这个过程称为自旋 极化的电子输运过程。例如铁原子最外层为3d6 4S2 为什么是多层铁磁层？ 当相邻铁磁层反平行时，如果s 电子的自旋与第一铁磁层 中局域 d 电子的自旋平行，则几乎不受散射，但它与相 邻铁磁层中局域d 电子的自旋反平行，就受到强烈的散射 （即填充到空置的与自己自旋相同的态）。所以两相邻 磁层的磁矩方向相反时，两种自旋状态的传导电子， 或 者在第一个磁层即因磁矩与之相反而到强烈散射， 或者 在穿过磁矩与其自旋方向相同的磁层后，必然在下一个 磁层处遇到与其方向相反的磁矩，并受到强烈的散射作 用，这样两种自旋态的电子分别在某一层受

3、到强散射， 宏观上表现为高电阻状态。 外加磁场是怎么影响电阻的？ 如果施加足够大的外场，使得磁层的磁矩 都沿外场方向排列（图3-2），则自旋与 其磁矩方向相同的电子受到的散射小，只 有方向相反的电子受到的散射作用强，宏 观上表现出低电阻状态。 和非铁磁层有什么关系？ 在没有非铁磁层时：只有当当两原子靠近，电子云有交叠时才有 不等于零的交换积分 J， 因此这个交换作用是短程的，称为直接 交换作用。一般只能发生在固体中的最近邻原子之间，直接交换 作用的特征长度为0.10.3nm。若 J 0，存在交换作用的电子自 旋平行排列时系统能量低，表现为铁磁性。 若 J 0, 则电子自旋 反平行时系统能量低，

4、表现为反铁磁性。 而在过渡金属和稀土金属的化合物中，氧离子(或其他非金属离子 )作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作 用。局域电子之间通过传导电子作媒介产生间接交换作用的机制 由 Ruderman, Kittel, Kasuya 和 Yosida 各自独立建立的模型来描述 ，通常被称为RKKY模型。 RKKY模型？ 这一模型可以解释非磁性层的厚度对巨磁电阻效应的影响。磁性层间的交换 耦合作用随层间间距（即下文中的原子间距，因为非磁性层厚度为纳米量级 ）即非磁性层厚度而出现震荡衰减，导致巨磁电阻效应随非磁性层厚度出现 震荡衰减现象。 由于局域电子与传导电子的交换作用，使局域电

5、子所在处及其周围自旋向上 的电子密度与自旋向下的电子密度不同，导致传导电子的自旋产生极化（不 同自旋浓度差距）。如果以局域电子为中心，传导电子的自旋极化随距离的 变化振荡式衰减，这是一种长程振荡过程。自旋极化的传导电子又会和邻近 磁性原子中的局域电子发生波函数重叠，产生直接交换作用。这种直接交换 积分为一正值，所以参与直接交换作用的两个电子的自旋应平行取向。于是 第二个磁性原子中局域电子自旋的方向便由其所在位置决定：当它的位置在 为正的范围内时，它的自旋向上，与第一个磁性原子中的局域电子的自旋方 向相同，表现为铁磁性；反之，当它的位置在为负的范围内时，它的自旋方 向向下，与第一个磁性原子中的局

6、域电子自旋的方向相反，表现为反铁磁 性。这就是RKKY 交换作用的基本物理过程。 最新进展？ 电子测量技术2014年 第6期 “基于自旋阀巨磁电阻传感器 的直流电流测量”自旋阀巨磁阻（gian tmagne to resistive,GMR） 传感器具有灵敏度高、线性度好、体积小等显著的优点,在直流 电流测量中具有极大的发展潜力。 大学物理 2014年02期 “基于巨磁电阻效应的杨氏模量测量 装置”利用巨磁电阻传感器、磁钢片及电位差计组成的实验装 置,可精确测量微小长度变化量.将该装置应用于杨氏模量实验并 与光杠杆测量方法比较可知,应用巨磁电阻传感器的测量方法简 单,测量过程便捷,测量精度较高

7、. 巨磁电阻与磁电阻 【实验内容】 1、测量GMR的磁阻特性曲线。 2、分别测量GMR模拟传感器和GMR数字开关传感器的磁电转换特性曲线。 3、用GMR模拟传感器测量电流，分析偏置磁场对传感器应用的影响及原因。 4、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的结构和原理。 5、通过实验了解磁记录与读出的原理。 6、 测量自旋阀的磁电阻曲线，与多层膜磁电阻曲线比较，分析其异同及原因。 1、测量GMR的磁阻特性曲线。 原理：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

8、中电流的大小，就可计算磁 阻。 公式：由B = 0nI （ ）可计算出螺线管内的磁感应强度B。 接入4V电源，由R=U/I可以得到电阻； 以磁感应强度B作横坐标，电阻为纵坐标作出磁阻特性曲线。根据 计算GMR值。 注意事项：由于巨磁阻传感器具有磁滞现象，在实验中应注意恒流源只能单方向调节，不可回调。 2.1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 原理：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（如下左图）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。 公式：由B = 0nI（ ）

9、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。 注意事项：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。 2.2GMR数字开关传感器的磁电转换特性曲 线 原理：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 ，而比较电路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电桥并结合调节比较电压，可调节开关传感器开关点对应的磁场强度。 公式： 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

10、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，输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的负值励 磁电流。 应用：利用GMR开关传感器的开关特性已制成各种接近开关，当磁性物体（可在非磁性物体上贴上磁 条）接近传感器时就会输出开关信号。 3、用GMR模拟传感器测量电流 原理：如图，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。由于电流可以产 生磁场，故可以用于测量电流。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

11、器施加一固定已知磁场，称为磁偏置 公式：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 。 在r已知的条件下，测得B，就可知I。 以电流读数（待测电流）作横坐标，电压表读数（传感器输出电压）为纵坐标作图 ，分析不同磁偏置对灵敏度和磁滞的影响。 应用前景：不会对电路工作产生干扰，既可测量直流，也可测量交流 4、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移 原理：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 ，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。 将永磁体放置于

12、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。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。 公式：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。测量齿轮转动输出电压变化2个周期时齿轮转动度数与输出电压值。 应用前景：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。 5、通过实验了解磁记录与读出的原理。 原理：在当今的磁记录领域，为了提高记录密度，读写磁头是分离的。写磁头是绕线的磁芯，线圈中 通过电流时产生磁场，在磁性记录材料上记录信息。巨磁阻读磁头利用

13、磁记录材料上不同磁场时电阻 的变化读出信息。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。 步骤：验仪的4伏电压源接磁读写组件“巨磁电阻供电”， “电路供电”接口接至基本特性组件对应 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。 将磁卡插入，设置好写入区域的“0” 或“1”，按“写确认”键。为保证均匀磁化， 写确认时间可稍微长一些，并在区域内缓慢移动磁卡。 移动磁卡至读磁头处，根据刻度区域在电压表上读出电压，记录二进制数字与读出电压的关系 6、 测量自旋阀的磁电阻曲线 原理1：自旋阀结构的SV-GMR(Spin valve GMR

14、)由钉扎层，被钉扎层，中间导电层和自由层构成，其中 ，钉扎层使用反铁磁材料，被钉扎层使用硬铁磁材料，铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个 偏转场，此偏转场将被钉扎层的磁化方向固定，不随外磁场改变。自由层使用软铁磁材料，它的磁化 方向易于随外磁场转动。这样，很弱的外磁场就会改变自由层与被钉扎层磁场的相对取向，对应于很 高的灵敏度。 原理2：如果待测样品电阻率较低，导线电阻和接触电阻的影响变得突出，甚至比样品电阻本身还要 大，此时两端法不再适用，应采用四端法。压表V测量的电压只是由待测样品本身的电阻产生的，恒 流 在导线电阻和接触电阻上产生的电压降没有加到测量电压表上，对测量不产生影响。电压 除以恒 流 即为样品的电阻。 公式：接入4V电源，由R=U/I可以得到电阻； 由B = 0nI （ ）可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，电阻为纵坐标作出磁阻特性曲线。根据 计算GMR值 分别测量样品和磁场两种不同取向时自旋阀样品的磁电阻曲线 注意事项：由于巨磁阻传感器具有磁滞现象，在实验中应注意恒流源只能单方向调节，不可回调。 谢谢大家！ 本PPT参考了老师挂在网上的巨磁电阻效应及其应用一文， 谢谢。