巨磁电阻效应及应⽤实验
嘉应学院物理学院普通物理实验
实验报告
实验项⽬：巨磁电阻效应及应⽤实验
实验地点：
班级：
姓名：
座号：
实验时间：年⽉⽇
⼀、实验⽬的：
称重装置
1、了解GMR效应的原理
3、测量GMR的磁阻特性曲线
4、测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线
6、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
7、通过实验了解磁记录与读出的原理
⼆、实验仪器和⽤具：
三、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=ρl/S 中，把电阻率ρ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，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott 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膜⾯的。
⽆外磁场时顶层磁场⽅向
⽆外磁场时底层磁场⽅向
图2 多层膜GMR 结构图
图3 某种GMR 材料的磁阻特性
磁场强度 / ⾼斯电阻 \ 欧姆
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。如图4所⽰。
⾃旋阀结构的SV-GMR(Spin valve GMR)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。制造时，使⾃由层的初始磁
化⽅向与被钉扎层垂直，磁记录材料的磁化⽅向与被钉
扎层的⽅向相同或相反（对应于0或1），当感应到磁记
录材料的磁场时，⾃由层的磁化⽅向就向与被钉扎层磁
化⽅向相同（低电阻）或相反（⾼电阻）的⽅向偏转，
检测出电阻的变化，就可确定记录材料所记录的信息，硬盘所⽤的GMR磁头就采⽤这种结构。图4⾃旋阀SV-GMR结构图
⾃由层
中间导电层
被钉扎层
钉扎层
四、实验步骤：
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，图10是某型号传感器的结构。 图10 GMR 模拟传感器结构图
R 2
R 1
R 3 R 4
输出－输⼊＋
a ⼏何结构
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。图10中，将处在电桥对⾓位置的两个电阻R 3、R 4 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R 1、R 2 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 ，R 1、R 2 在外磁场作⽤下电阻减⼩ΔR ，简单分析表明，输出电压：
U OUT = U IN ΔR/（2R-ΔR ）
（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R 1、R 2电阻所在的空间，进⼀步提⾼了R 1、R 2 的磁灵敏度。从图10的⼏何结构还可见，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 Ω数量级，使其在较⼩⼯作电流下得到合适
的电压输出。
图11是某GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线。图12是磁电转换特性的测量原理图。
图12 模拟传感器磁电转换特性实验原理图
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“传感器测量”。实验仪的4伏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。
图11 GMR 模拟传感器的磁电转换特性输出/V 磁感应强度/⾼斯
－30 －20 －10 0 10 20 30
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，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接线的极性。从下到上记录数据于“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。
根据螺线管上标明的线圈密度，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作横座标，电压表的读数为纵座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。
⼆、GMR磁阻特性测量
图13 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，就可计算磁阻。测量原理如图13所⽰。
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。
免清洗助焊剂电流⾄－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接线的极性。从下到上记录数据于“增⼤磁场”列中。
根据螺线管上标明的线圈密度，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作横座标，磁阻为纵座标作出磁阻特性曲线。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，同⼀外磁场强度下磁阻的差值反映了材料的磁滞特性。
三、 GMR 开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量
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，结构如图14所⽰。
⽐较电路的功能是，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。
图14 GMR 开关传感器结构图图15 GMR 开关传感器磁电转换特性
GMR 电桥
⽐较电路
输出
输出电压/V
磁场强度 /⾼斯
开
开
关关
图15是某种GMR 开关传感器的磁电转换特性曲线。当磁场强度的绝对值从低增加到12⾼斯时，开关打开（输出⾼电平），当磁场强度的绝对值从⾼减⼩到10⾼斯时，开关关闭（输出低电平）。
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“传感器测量”。实验仪的4伏电压源接⾄基本特性组件“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，恒流源接⾄“螺线管电流输⼊”，基本特性组件“开关信号
输出”接⾄实验仪电压表。
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于表3“减⼩磁场”列中。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于表3“减⼩磁场”列中。将电流调⾄－50mA 。
逐渐减⼩负向电流，输出电压从⾼电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的负值励磁电流于表3“增⼤磁场”列中，电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。输出电压从低电平（关）转变为⾼
电平（开）时记录相应的正值励磁电流于表3“增⼤磁场”列中。
根据螺线管上标明的线圈密度，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 作横座标，电压读数为纵座标作出开关传感器的磁电转换特性曲线。
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。⼴泛应⽤在⼯业⽣产及汽车，家电等⽇常⽣活⽤品中，控制精度⾼，恶劣环境（如⾼低温，振动等）下仍能正常⼯作。
四、⽤GMR 模拟传感器测量电流
水的声阻抗从图11可见，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：播放路
B = µ0I/2πr =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。
运维流程管理
图16 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
气雾阀实验仪的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。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3 ⽤GMR模拟传感器测量电流
以电流读数作横坐标，电压表的读数为纵坐标作图。分别作出4条曲线。
