磁电阻与巨磁电阻实验报告

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1、磁电阻与巨磁电阻磁电阻与巨磁电阻姓名：刘一宁 班级:核 32指导教师：王合英 实验日期：2015.03.13【摘要】：本实验使用了由基本电路原理配合巨磁电阻原件制作的一套巨磁电阻实验仪，通过改变巨磁电阻处的磁场测量了巨磁电阻的磁阻特性曲线、磁电转换特性曲线，并在体验了其在测量电流、测量转速、磁读写等方面的应用。最后获得了巨磁电阻词组特性曲线、GMR 模拟传感器的磁电转换曲线、GMR 开关传感器的磁电转换特性曲线、巨磁电阻测量电流的数据、齿轮旋转过程中巨磁电阻梯度传感器输出电压曲线、磁信号读出情况，自旋阀磁电阻两个不同角度的磁阻特性曲线。发现巨磁电阻的磁阻随磁场变大而减小，且与方向无关，但是其存

2、在磁滞现象。而自旋阀磁电阻则在磁场由一个方向磁饱和变化到另一个方向磁饱和的过程中磁电阻不断减小或增加，这与磁电阻和磁场的角度有关，且在 0 磁场附近变化特别明显。关键词：巨磁电阻、自旋阀磁电阻、磁阻特性曲线、磁电转换特性一、 引言：1988 年法国巴黎大学的肯特教授研究小组首先在 Fe/Cr 多层膜中发现了巨磁电 阻效应，在国际上引起了很大的反响。20 世纪 90 年代，人们在 Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag 和 Co/Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显 著的巨磁阻效应。 1994 年，IBM 公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子 提高了 17

3、倍，达 5Gbit/in2，最近达到 11Gbit/in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外同 样可应用于测量位移，角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床，汽车测速，非 接触开关，旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积 小，能工作于恶劣的工作条件等优点。利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不 同电阻值的特点，可以制成随机存储器（MRAM） ，其优点是在无电源的情况下可 继续保留信息。 巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器。随着纳 米电子学的飞速发展，电子元件的微型化和高度集成化要求测

4、量系统也要微型化。 在 21 世纪，超导量子相干器件、超微霍耳探测器和超微磁场探测器将成为纳米电 子学中的主要角色。其中以巨磁电阻效应为基础设计超微磁场传感器，要求能探测 10-2T 至 10-6T 的磁通密度。如此低的磁通密度在过去是无法测量的，特别是在超 微系统测量如此微弱的磁通密度十分困难，纳米结构的巨磁电阻器件可以完成这个 任务。 瑞典皇家科学院 9 日宣布，将 2007 年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿尔 贝费尔和德国科学家彼得格林贝格尔，以表彰他们发现了“巨磁电阻”效应。 瑞典皇家科学院说：“今年的物理学奖授予用于读取硬盘数据的技术，得益于这项 技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小。

5、 ” 最近，中国学者比较关注巨磁电阻在工程方面的具体应用，比如电子测量技 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”一文介绍自 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。而大学物理 2014 年 02 期 “基于巨磁电阻效应的杨氏模量测量装置”一文介绍了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.

6、我认为，本实验最主要的目的是让我们理解巨磁电阻的原理、技术，及其对科 学技术发展的贡献。这个实验可以让我们可以体验到基于测试目的的实验的设计方 法及实施过程，在这个过程中体验科学发现的精髓与快乐，藉此提高我们对物理科 学的兴趣和独立查阅科学文献的能力。二、 实验：本实验使用了巨磁电阻实验仪、基本特性测量组件、GMR 传感器、电流测量组件、角位移组件、磁卡读写组件等实验装置。其中巨磁电阻实验仪包括稳压电源、恒流源、电压表、电流表。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 的磁阻特性和磁电转换特性进行测量。在这个实验中使用螺线管线圈提供变化磁场，G

7、MR 传感器置于螺线管的中央。而在将 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。但是对于电桥结构，如果 4 个 GMR 电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。故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。分析表明，输出电压：UOUT = UINR/（2R-R） 。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。同时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

8、较小工作电流下得到合适的电压输出。电流测量组件将导线置于 GMR 模拟传感器近旁，用 GMR 传感器测量导线通过不同大小电流时导线周围的磁场变化，就可确定电流大小。角位移测量组件用巨磁阻梯度传感器作传感元件，铁磁性齿轮转动时，齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场的分布，使梯度传感器输出发生变化，每转过一齿，就输出类似正弦波一个周期的波形。磁读写组件用于演示磁记录与读出的原理。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。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。巨磁阻读磁头利用磁记录材料上不同磁场时电阻的变化读出信息。最后采用四端接线法接自

9、旋阀磁电阻，放置于线圈中央，调整其与线圈轴线的夹角可以测量自旋阀磁电阻在不同外磁场方向时的的磁阻特性曲线。三、 实验结果及讨论：由于篇幅限制，各原始实验数据记录表格请见附件。数据处理如下：1、 巨磁电阻磁阻特性曲线测量与分析：（1） 、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。-35 -30 -25 -20 -15 -10-50510152025303520002100220023002400R/B/GS传 传 传 传传 传 传 传GMR传 传 传 传 传 传传 1（2） 、由公式式中 R(0)为外加磁场为零时样品电阻，R(H )为不同外加磁场下样品电阻，R ( Hs )为外加

10、磁场使薄膜磁化饱和时样品的电阻。计算得到 0 磁场时 GMR=（(2369.668+2368.265)/2-2051.282）/2051.282=15.5%.（3） 、观察曲线可以发现，磁场强度越弱则巨磁电阻的电阻值越大，而且，在趋于饱和之前，其电阻值随磁场变化的关系接近一条直线，为什么电阻值会与磁场强度有关呢？这可以用双电流模型解释：按照Mott的双电流模型，传导电子分为自旋向上和自旋向下的电子，多层膜中非磁性层对这两种状态的传导电子的影响是相同的，而磁层的影响却完全不同。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

11、 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到强散射， 宏观上表现为高电阻状态（图解3-1） ；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（图解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。图 3-1和图 3-2中右侧的图表示对应高阻态和低阻态的

12、等效电路图。图解 3-1 零磁场时传导电子的运动状态图 解 3-2 磁场使磁性层磁化饱和时传导电子的运动状态2-1、GMR 模拟传感器的磁电转换特性测量：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。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。-35 -30 -25 -20 -15 -10-5051015202530350100200300U/mvB/GS传 传 传 传传 传 传 传传 传 传 传 传 传 传 传 传 传 传传 2-12-2、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量：以磁感应强度B作横坐标，电压读数为纵坐标作开关传感器的磁电转换特性曲线并进

13、行分析。以2V表示高电平，0V表示低电平：-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -50510 15 20 25 30 35012U/VB/GS传 传 传 传传 传 传 传传 传 传 传 传 传 传 传 传 传 传传 2-23、 用GMR模拟传感器测量电流：（1） 、以电流读数作横坐标，电压表的读数为纵坐标作图。低磁偏置：-400-2000200400242628U/mVI/mA传 传 传 传传 传 传 传GMR传 传 传 传 传 传 传 传 传 传 传 传 传 传 传传 3-1适当磁偏置：-400-2000200400150152154156U/mVI/mA传 传 传 传传

14、传 传 传GMR传 传 传 传 传 传 传 传 传传 3-2 （2） 、由图可以看出，低磁偏置的时候，随着电流的变化，纵坐标的变化较小，在误差的值一定的情况下，相对误差比起适当磁偏置的情况会高6倍左右.4、 GMR梯度传感器的特性及应用：（1） 、以齿轮转动角度为横坐标，输出电压为纵坐标，做曲线如下：-50510152025303540455055100200300400传 传 传 传 /mV传 传 传 传 /传 传 传 传 /mVGMR传 传 传 传 传 传 传 传传 4（2） 、为什么会是这样的图形呢？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

15、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。在真实的实验中，由于仪器限制，不能将输出电压降至0，但是其随转动角度的变化仍然具有周期性。5、 磁记录与读出：十进制数字85二进制数字01010101磁卡区域号12345678读出电平/mv0.0031.9170.0031.9170.0031.9170.0031.9176、 自旋阀磁电阻的测量装置与方法：（1） 、自旋阀的磁电阻曲线:取向角度：90-5000500255260265270275R/B/GS传 传 传 传 传 传 传 传传 传

16、 传 传 传 传 传 传 传 90传传 6-1（2） 、自旋阀的磁电阻曲线:取向角度：180-5000500264266268270R/B/GS传 传 传 传传 传 传 传传 传 传 传 传 传 传 传 传 180传传 6-2（3） 、发现自旋阀磁电阻在0磁场附近随磁场强度变化非常剧烈，这是因为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，同时也非常容易达到磁饱和，所以磁场稍大时电阻值变化就不再明显。（4） 、还发现自旋阀磁电阻与多层膜磁电阻不同，它在磁场从一个方向的饱和降至零再到反方向饱和的过程中，电阻值持续上升或下降（而不是像多层膜磁电阻一样电阻0时阻值最大） 。这是因为制造时，使自由层的初始磁化方向与被钉扎层垂直导致的，这也造成了磁场方向与自旋阀磁电阻不同夹角时其灵敏度的变化。四、总结：本实验的主要目的是测量巨磁电阻的特性曲线。在实验中使用了由基本电路原理配合巨磁电阻原件制作的一套巨磁电阻实验仪，通过改变巨磁电阻处的磁场测量了巨磁电阻的磁阻特性曲线、磁电转