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1、巨磁电阻效应及其应用一、实验目的1. 了解GMR效应的原理。 2. 测量GMR的磁阻特性曲线。 3. 了解GMR模拟传感器的结构、特点，采用GMR传感器测量电流。 二、实验仪器巨磁阻实验测试仪 基本特性组件 电流测量组件 三、实验原理1 GMR效应的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中，把电阻率视为常数，与材料的几何尺度无关，这是忽
2、略了边界效应。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0.3nm），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。 电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在1936年，就有理论指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。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，这就是所谓的两电流模型。 在图1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
3、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膜面的。 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
4、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。 图2是图1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
5、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。 2 GMR磁阻特性测量图3 磁阻特性测量实验原理图 将GMR置于螺线管磁场中，磁场方向平行于膜平面，磁阻两端加5伏电压。GMR铁磁膜初始磁化方向垂直于磁场方向，调节线圈电流，从负到正逐渐增大磁场强度，记录磁阻电流并计算磁阻。再逐渐减小磁场强度，记录对应数值。不同外磁场强度时电阻的变化反映了GMR的磁阻特性，同一外磁场强度下磁阻的差值反映了材料的磁滞特性。 3 GMR模拟传感器结构及电流测量在将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，图4是某型号传感器的结构。 对于电桥结构，如果4
6、个GMR电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。图4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。 GMR模拟传感器结构图 R2R1 R4 R3 输出输出输入 输入 b电路连接 a几何结构 磁通聚集器 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，且灵敏度高于其它磁传感器，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，可以用它来测量电流。用GMR传感器测量电流不用将测量仪器接入电路，不会对电路工作产生干扰，既可测量直流，也可测量交流，具有广阔的应用前景
7、。 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。 四、实验内容及步骤一、GMR磁阻特性测量1. 将GMR模拟传感器置于螺线管内中心位置，功能切换按钮切换为“巨磁阻测量” 2. 将测试仪“5V电压源”串接电流表后接基本特性组件“巨磁电阻供电”； 3. 调节“恒流调节旋钮”，使输出电流从100mA到0mA，反接插头后从0mA调到100mA，记录电流表读数；(从10
8、0mA到-100mA) 4. 调节“恒流调节旋钮”，使输出电流从100mA到0mA，反接插头后从0mA调到100mA，记录电流表读数；(从-100mA到100mA) 5. 由步骤3、4得出的数据根据公式B = 0nI 计算出螺线管内的磁场强度B；五、实验数据及处理1.GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 实验数据及由公式B = 0nI算得的磁感应强度如下表所示：（n=24000匝/m）励磁电流I1(mA)磁感应强度B输出电压U（V）励磁电流I1(mA)磁感应强度B输出电压U（V）10030.159289470.265-100-30.159289470.2639027.143360530.264-
9、90-27.143360530.2628024.127431580.258-80-24.127431580.2567021.111502630.242-70-21.111502630.2406018.095573680.216-60-18.095573680.2145015.079644740.184-50-15.079644740.1824012.063715790.1489-40-12.063715790.1469309.0477868420.1118-30-9.0477868420.1105206.0318578950.0741-20-6.0318578950.0738103.01592
10、89470.0389-10-3.0159289470.0387000.0088000.0085-10-3.0159289470.0273103.0159289470.0291-20-6.0318578950.0591206.0318578950.061-30-9.0477868420.0951309.0477868420.0966-40-12.063715790.13224012.063715790.1331-50-15.079644740.16885015.079644740.1691-60-18.095573680.2036018.095573680.204-70-21.111502630
11、.2337021.111502630.233-80-24.127431580.2528024.127431580.251-90-27.143360530.2609027.143360530.260-100-30.159289470.26310030.159289470.252以B为横坐标，输出电压U为纵坐标，作图得：2. GMR的磁阻特性曲线的测量根据实验数据由公式B = 0nI算得的磁感应强度，由R=U/I算得的电阻如下表所示： （磁阻两端电压U=4V）励磁电流I1(mA)磁感应强度B磁阻电流 I（mA）磁阻R（）10030.159289471.9852015.113359027.14336
12、0531.9822018.1634718024.127431581.9792021.222847021.111502631.9622038.7359846018.095573681.9352067.1834635015.079644741.9022103.0494224012.063715791.8682141.327623309.0477868421.8332182.214948206.0318578951.7982224.694105103.0159289471.7672263.723826001.7392300.172513-10-3.0159289471.7512284.408909-
13、20-6.0318578951.782247.191011-30-9.0477868421.8132206.287921-40-12.063715791.8482164.502165-50-15.0796447422123.142251-60-18.095573681.9182085.505735-70-21.111502631.952051.282051-80-24.127431581.972030.456853-90-27.143360531.9812019.182231-100-30.159289471.9812019.182231励磁电流 I1(mA)磁感应强度 B磁阻电流 I（mA）
14、磁阻R（）-100-30.159289471.9812019.182231-90-27.143360531.982020.20202-80-24.127431581.9722028.397566-70-21.111502631.9582042.900919-60-18.095573681.932072.53886-50-15.079644741.9012104.155708-40-12.063715791.8632147.074611-30-9.0477868421.8322183.406114-20-6.0318578951.7982224.694105-10-3.0159289471.7682262.443439001.7392300.172513103.0159289471.7592274.019329206.0318578951.7882237.136465309.0477868421.8212196.59527740
