磁電阻與巨磁電阻實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、磁電阻與巨磁電阻姓名：劉一寧 班級(jí):核32指導(dǎo)教師：王合英 實(shí)驗(yàn)日期：2015.03.13【摘要】：本實(shí)驗(yàn)使用了由基本電路原理配合巨磁電阻原件制作的一套巨磁電阻實(shí)驗(yàn)儀，通過改變巨磁電阻處的磁場測量了巨磁電阻的磁阻特性曲線、磁電轉(zhuǎn)換特性曲線，并在體驗(yàn)了其在測量電流、測量轉(zhuǎn)速、磁讀寫等方面的應(yīng)用。最后獲得了巨磁電阻詞組特性曲線、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換曲線、GMR開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線、巨磁電阻測量電流的數(shù)據(jù)、齒輪旋轉(zhuǎn)過程中巨磁電阻梯度傳感器輸出電壓曲線、磁信號(hào)讀出情況，自旋閥磁電阻兩個(gè)不同角度的磁阻特性曲線。發(fā)現(xiàn)巨磁電阻的磁阻隨磁場變大而減小，且與方向無關(guān)，但是其存在磁滯現(xiàn)象。而自旋閥磁

2、電阻則在磁場由一個(gè)方向磁飽和變化到另一個(gè)方向磁飽和的過程中磁電阻不斷減小或增加，這與磁電阻和磁場的角度有關(guān)，且在0磁場附近變化特別明顯。 關(guān)鍵詞：巨磁電阻、自旋閥磁電阻、磁阻特性曲線、磁電轉(zhuǎn)換特性一、 引言：1988年法國巴黎大學(xué)的肯特教授研究小組首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，在國際上引起了很大的反響。20世紀(jì)90年代，人們在Fe/Cu，F(xiàn)e/Al，F(xiàn)e/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的巨磁阻效應(yīng)。1994年，IBM公司研制成巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍，達(dá)5Gbit/in2，最近達(dá)到11Gbit/in2，從

3、而在與光盤競爭中磁盤重新處于領(lǐng)先地位。由于巨磁電阻效應(yīng)大，易使器件小型化，廉價(jià)化，除讀出磁頭外同樣可應(yīng)用于測量位移，角度等傳感器中，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，汽車測速，非接觸開關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，它具有功耗小，可靠性高，體積小，能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點(diǎn)。利用巨磁電阻效應(yīng)在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點(diǎn)，可以制成隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM），其優(yōu)點(diǎn)是在無電源的情況下可繼續(xù)保留信息。巨磁電阻效應(yīng)在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的另一個(gè)重要方面是微弱磁場探測器。隨著納米電子學(xué)的飛速發(fā)展，電子元件的微型化和高度集成化要求測量系統(tǒng)也要微型化。在21世紀(jì)，超導(dǎo)量子相干器件、超微霍耳探測器和超微磁場探測器

4、將成為納米電子學(xué)中的主要角色。其中以巨磁電阻效應(yīng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)超微磁場傳感器，要求能探測10-2T至10-6T的磁通密度。如此低的磁通密度在過去是無法測量的，特別是在超微系統(tǒng)測量如此微弱的磁通密度十分困難，納米結(jié)構(gòu)的巨磁電阻器件可以完成這個(gè)任務(wù)。瑞典皇家科學(xué)院9日宣布，將2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國科學(xué)家阿爾貝費(fèi)爾和德國科學(xué)家彼得格林貝格爾，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)。瑞典皇家科學(xué)院說：“今年的物理學(xué)獎(jiǎng)授予用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項(xiàng)技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越小?！弊罱袊鴮W(xué)者比較關(guān)注巨磁電阻在工程方面的具體應(yīng)用，比如電子測量技術(shù)2014年 第6期 “基于自旋閥巨磁電阻傳感

5、器的直流電流測量”一文介紹自旋閥巨磁阻（gian tmagne to resistive,GMR）傳感器具有靈敏度高、線性度好、體積小等顯著的優(yōu)點(diǎn),在直流電流測量中具有極大的發(fā)展?jié)摿?。而大學(xué)物理 2014年02期 “基于巨磁電阻效應(yīng)的楊氏模量測量裝置”一文介紹了利用巨磁電阻傳感器、磁鋼片及電位差計(jì)組成的實(shí)驗(yàn)裝置,可精確測量微小長度變化量.將該裝置應(yīng)用于楊氏模量實(shí)驗(yàn)并與光杠桿測量方法比較可知,應(yīng)用巨磁電阻傳感器的測量方法簡單,測量過程便捷,測量精度較高.我認(rèn)為，本實(shí)驗(yàn)最主要的目的是讓我們理解巨磁電阻的原理、技術(shù)，及其對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的貢獻(xiàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以讓我們可以體驗(yàn)到基于測試目的的實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法及

6、實(shí)施過程，在這個(gè)過程中體驗(yàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的精髓與快樂，藉此提高我們對(duì)物理科學(xué)的興趣和獨(dú)立查閱科學(xué)文獻(xiàn)的能力。二、 實(shí)驗(yàn)：本實(shí)驗(yàn)使用了巨磁電阻實(shí)驗(yàn)儀、基本特性測量組件、GMR 傳感器、電流測量組件、角位移組件、磁卡讀寫組件等實(shí)驗(yàn)裝置。其中巨磁電阻實(shí)驗(yàn)儀包括穩(wěn)壓電源、恒流源、電壓表、電流表?；咎匦越M件由GMR模擬傳感器，螺線管線圈及比較電路，輸入輸出插孔組成，用以對(duì)GMR的磁阻特性和磁電轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行測量。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用螺線管線圈提供變化磁場，GMR傳感器置于螺線管的中央。而在將GMR構(gòu)成傳感器時(shí)，為了消除溫度變化等環(huán)境因素對(duì)輸出的影響，一般采用橋式結(jié)構(gòu)。但是對(duì)于電橋結(jié)構(gòu)，如果4個(gè)GMR電阻對(duì)磁場的響

7、應(yīng)完全同步，就不會(huì)有信號(hào)輸出。故將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€(gè)電阻R3、R4 覆蓋一層高導(dǎo)磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁場對(duì)它們的影響，而R1、R2 阻值隨外磁場改變。分析表明，輸出電壓：UOUT = UINR/（2R-R）。屏蔽層同時(shí)設(shè)計(jì)為磁通聚集器，它的高導(dǎo)磁率將磁力線聚集在R1、R2電阻所在的空間,進(jìn)一步提高了R1、R2 的磁靈敏度。同時(shí)巨磁電阻被光刻成微米寬度迂回狀的電阻條，以增大其電阻至k數(shù)量級(jí)，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。電流測量組件將導(dǎo)線置于GMR模擬傳感器近旁，用GMR傳感器測量導(dǎo)線通過不同大小電流時(shí)導(dǎo)線周圍的磁場變化，就可確定電流大小。角位移測量組件用巨磁阻梯度傳感器

8、作傳感元件，鐵磁性齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒牙干擾了梯度傳感器上偏置磁場的分布，使梯度傳感器輸出發(fā)生變化，每轉(zhuǎn)過一齒，就輸出類似正弦波一個(gè)周期的波形。磁讀寫組件用于演示磁記錄與讀出的原理。磁卡做記錄介質(zhì)，磁卡通過寫磁頭時(shí)可寫入數(shù)據(jù)，通過讀磁頭時(shí)將寫入的數(shù)據(jù)讀出來。寫磁頭是繞線的磁芯，線圈中通過電流時(shí)產(chǎn)生磁場，在磁性記錄材料上記錄信息。巨磁阻讀磁頭利用磁記錄材料上不同磁場時(shí)電阻的變化讀出信息。最后采用四端接線法接自旋閥磁電阻，放置于線圈中央，調(diào)整其與線圈軸線的夾角可以測量自旋閥磁電阻在不同外磁場方向時(shí)的的磁阻特性曲線。三、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論：由于篇幅限制，各原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格請(qǐng)見附件。數(shù)據(jù)處理如下：1、 巨

9、磁電阻磁阻特性曲線測量與分析：（1）、以磁感應(yīng)強(qiáng)度B作橫坐標(biāo)，電阻為縱坐標(biāo)作出磁阻特性曲線。（2）、由公式式中R(0)為外加磁場為零時(shí)樣品電阻，R(H )為不同外加磁場下樣品電阻，R ( Hs )為外加磁場使薄膜磁化飽和時(shí)樣品的電阻。計(jì)算得到0磁場時(shí)GMR=（(2369.668+2368.265)/2-2051.282）/2051.282=15.5%.（3）、觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)，磁場強(qiáng)度越弱則巨磁電阻的電阻值越大，而且，在趨于飽和之前，其電阻值隨磁場變化的關(guān)系接近一條直線，為什么電阻值會(huì)與磁場強(qiáng)度有關(guān)呢？這可以用雙電流模型解釋：按照Mott的雙電流模型，傳導(dǎo)電子分為自旋向上和自旋向下的電子，多層

10、膜中非磁性層對(duì)這兩種狀態(tài)的傳導(dǎo)電子的影響是相同的，而磁層的影響卻完全不同。當(dāng)相鄰鐵磁層反平行時(shí)，如果s 電子的自旋與第一鐵磁層中局域 d 電子的自旋平行，則幾乎不受散射，但它與相鄰鐵磁層中局域d 電子的自旋反平行，就受到強(qiáng)烈的散射（即填充到空置的與自己自旋相同的態(tài)）。所以兩相鄰磁層的磁矩方向相反時(shí)，兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子， 或者在第一個(gè)磁層即因磁矩與之相反而到強(qiáng)烈散射， 或者在穿過磁矩與其自旋方向相同的磁層后，必然在下一個(gè)磁層處遇到與其方向相反的磁矩，并受到強(qiáng)烈的散射作用，這樣兩種自旋態(tài)的電子分別在某一層受到強(qiáng)散射， 宏觀上表現(xiàn)為高電阻狀態(tài)（圖解3-1）；如果施加足夠大的外場，使得磁層的磁矩都

11、沿外場方向排列（圖解3-2），則自旋與其磁矩方向相同的電子受到的散射小，只有方向相反的電子受到的散射作用強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)出低電阻狀態(tài)。圖 3-1和圖 3-2中右側(cè)的圖表示對(duì)應(yīng)高阻態(tài)和低阻態(tài)的等效電路圖。圖解3-1 零磁場時(shí)傳導(dǎo)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖 解3-2 磁場使磁性層磁化飽和時(shí)傳導(dǎo)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)2-1、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量：以磁感應(yīng)強(qiáng)度B作橫坐標(biāo)，電壓表的讀數(shù)為縱坐標(biāo)作出磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。同一外磁場強(qiáng)度下輸出電壓的差值反映了材料的磁滯特性。 2-2、GMR開關(guān)（數(shù)字）傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量： 以磁感應(yīng)強(qiáng)度B作橫坐標(biāo)，電壓讀數(shù)為縱坐標(biāo)作開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線并進(jìn)行分析。以2

12、V表示高電平，0V表示低電平：3、 用GMR模擬傳感器測量電流：（1）、以電流讀數(shù)作橫坐標(biāo)，電壓表的讀數(shù)為縱坐標(biāo)作圖。低磁偏置：適當(dāng)磁偏置：（2）、由圖可以看出，低磁偏置的時(shí)候，隨著電流的變化，縱坐標(biāo)的變化較小，在誤差的值一定的情況下，相對(duì)誤差比起適當(dāng)磁偏置的情況會(huì)高6倍左右.4、 GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用：（1）、以齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度為橫坐標(biāo)，輸出電壓為縱坐標(biāo)，做曲線如下：（2）、為什么會(huì)是這樣的圖形呢？將GMR電橋兩對(duì)對(duì)角電阻分別置于集成電路兩端，4個(gè)電阻都不加磁屏蔽，即構(gòu)成梯度傳感器。這種傳感器若置于均勻磁場中，由于4個(gè)橋臂電阻阻值變化相同，電橋輸出為零。如果磁場存在一定的梯度，各GMR電

13、阻感受到的磁場不同，磁阻變化不一樣，就會(huì)有信號(hào)輸出。在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)中，由于儀器限制，不能將輸出電壓降至0，但是其隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化仍然具有周期性。5、 磁記錄與讀出：十進(jìn)制數(shù)字85二進(jìn)制數(shù)字01010101磁卡區(qū)域號(hào)12345678讀出電平/mv0.0031.9170.0031.9170.0031.9170.0031.9176、 自旋閥磁電阻的測量裝置與方法：（1）、自旋閥的磁電阻曲線:取向角度：90（2）、自旋閥的磁電阻曲線:取向角度：180（3）、發(fā)現(xiàn)自旋閥磁電阻在0磁場附近隨磁場強(qiáng)度變化非常劇烈，這是因?yàn)樽杂蓪邮褂密涜F磁材料，它的磁化方向易于隨外磁場轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，很弱的外磁場就會(huì)改變自由層與被

14、釘扎層磁場的相對(duì)取向，對(duì)應(yīng)于很高的靈敏度，同時(shí)也非常容易達(dá)到磁飽和，所以磁場稍大時(shí)電阻值變化就不再明顯。（4）、還發(fā)現(xiàn)自旋閥磁電阻與多層膜磁電阻不同，它在磁場從一個(gè)方向的飽和降至零再到反方向飽和的過程中，電阻值持續(xù)上升或下降（而不是像多層膜磁電阻一樣電阻0時(shí)阻值最大）。這是因?yàn)橹圃鞎r(shí)，使自由層的初始磁化方向與被釘扎層垂直導(dǎo)致的，這也造成了磁場方向與自旋閥磁電阻不同夾角時(shí)其靈敏度的變化。四、 總結(jié)：本實(shí)驗(yàn)的主要目的是測量巨磁電阻的特性曲線。在實(shí)驗(yàn)中使用了由基本電路原理配合巨磁電阻原件制作的一套巨磁電阻實(shí)驗(yàn)儀，通過改變巨磁電阻處的磁場測量了巨磁電阻的磁阻特性曲線、磁電轉(zhuǎn)換特性曲線，并在體驗(yàn)了其在測

15、量電流、測量轉(zhuǎn)速、磁讀寫等方面的應(yīng)用。最后獲得了巨磁電阻詞組特性曲線、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換曲線、GMR開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線、巨磁電阻測量電流的數(shù)據(jù)、齒輪旋轉(zhuǎn)過程中巨磁電阻梯度傳感器輸出電壓曲線、磁信號(hào)讀出情況，自旋閥磁電阻兩個(gè)不同角度的磁阻特性曲線。發(fā)現(xiàn)巨磁電阻的磁阻隨磁場變大而減小，且與方向無關(guān)，在未飽和前隨磁場近似線性變化，存在磁滯現(xiàn)象。而自旋閥磁電阻則在磁場由一個(gè)方向磁飽和變化到另一個(gè)方向磁飽和的過程中磁電阻不斷減小或增加，在0磁場附近變化特別明顯且靈敏度與磁電阻和磁場的角度有關(guān)。五、 參考文獻(xiàn)：王合英 巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用 六、 附錄：實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)電子版及紙版簽字圖片表1

16、 GMR磁阻特性的測量（磁阻兩端電壓4V）磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯磁阻/減小磁場增大磁場勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯磁阻電流/mA磁阻/磁阻電流/mA磁阻/10030.161.9502051.2821.9502051.2829027.141.9482053.3881.9482053.3888024.131.9422059.7321.9422059.7327021.111.9212082.2491.9272075.7656018.11.8892117.5221.8842123.1425015.081.8442169.1971.8452168.0224012.061.8172201.4311.80722

17、13.614309.051.7812245.9291.7692261.164206.031.7432294.8941.7342306.805103.021.7152332.3621.7092340.5551.511.7022350.1761.6942361.27530.905*1.6892368.265001.6862372.4791.6922364.066-1.5-0.4521.6882369.668*#VALUE!5-1.511.6992354.3261.7052346.04110-3.021.7102339.1811.7162331.00220-6.031.7412297.531.748

18、2288.3330-9.051.7762252.2521.7832243.4140-12.061.8112208.7241.8202197.80250-15.081.8552156.3341.8562155.17260-18.11.8912115.2831.8932113.04870-21.111.9212082.2491.9242079.00280-24.131.9412060.7931.9422059.73290-27.141.9482053.3881.9492052.335100-30.161.9502051.2821.9502051.282表2.1 GMR模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性的測量（

19、電橋電壓4V）磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯輸出電壓/mV勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯減小磁場增大磁場10030.162782779027.142762758024.132692677021.112412436018.12182135015.08180172.24012.06139.2129309.0599.791.5206.0365.253.9103.0230.727.951.5117.29.00.50.150796*0002.35.6-0.4-0.120640*5-1.5112.22010-3.0226.133.520-6.0358.868.830-9.0595.8107.040-12.06134.0

20、144.650-15.08175.1181.660-18.122021970-21.1125225280-24.1326927190-2730.16278278表2.2 GMR數(shù)字開關(guān)傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性的測量（電橋電壓4V）減小磁場增大磁場開關(guān)動(dòng)作勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯開關(guān)動(dòng)作勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯關(guān)31.8 9.59065關(guān)-31.49.47002開-33.810.19384開34.510.40495表3 用GMR模擬傳感器測量電流 待測電流/mA3002001000100200300輸出電壓/mV低磁偏置(約25mV)減小電流27.827.126.

21、525.825.124.423.8增加電流27.827.126.425.825.124.423.7適當(dāng)磁偏置(約150mV)減小電流155.3154.4153.5152.6151.6150.7149.8增加電流155.4154.4153.5152.6151.6150.7149.8表4 齒輪角位移的測量起始角度：22轉(zhuǎn)動(dòng)角度/度0369121518212425輸出電壓/mV156185341356376346280212158157轉(zhuǎn)動(dòng)角度/度273033363942454850輸出電壓/mV163309355369362305239170156表5 二進(jìn)制數(shù)字的寫入與讀出十進(jìn)制數(shù)字85二進(jìn)制數(shù)

22、字01010101磁卡區(qū)域號(hào)12345678讀出電平/mv0.0031.9170.0031.9170.0031.9170.0031.917表6.1 測量自旋閥的磁電阻曲線:取向角度：90磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯磁阻/減小磁場增大磁場勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯磁阻電流/uA電壓/mv電阻/磁阻電流/uA電壓/mv電阻/2000603.18588.512.1903257.37968.512.1795256.11051800542.86728.512.1904257.39138.512.1795256.11051600482.54868.512.1903257.37968.512.1794256.098

23、71400422.23018.512.1901257.35618.512.1792256.07521200361.91158.512.1900257.34438.512.1891257.23851000301.59298.512.1900257.34438.512.1793256.087800241.27438.512.1906257.41488.512.1798256.1457600180.95578.512.1907257.42668.512.1815256.3455400120.63728.512.1980258.28448.512.1861256.88620060.318588.512

24、.2105259.75328.512.2008258.613410030.159298.512.2227261.18688.512.2297262.00945015.079648.512.2314262.20928.512.2533264.7826008.512.2406263.29028.512.2679266.4982-50-15.07968.512.2566265.17048.512.2884268.9072-100-30.15938.512.3120271.68048.512.3164272.1974-200-60.31868.512.3368274.59468.512.3250273

25、.208-400-120.6378.512.3453275.59348.512.3406275.0411-600-180.9568.512.3477275.87548.512.3436275.3937-800-241.2748.512.3479275.89898.512.3448275.5347-1000-301.5938.512.3480275.91078.512.3463275.7109-1200-361.9118.512.3480275.91078.512.3468275.7697-1400-422.238.512.3480275.91078.512.3470275.7932-1600-

26、482.5498.512.3484275.95778.512.3472275.8167-1800-542.8678.512.3479275.89898.512.3474275.8402-2000-603.1868.512.3481275.92248.512.3467275.7579表6.2 測量自旋閥的磁電阻曲線:取向角度：180磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯磁阻/減小磁場增大磁場勵(lì)磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯磁阻電流/uA電壓/mv電阻/磁阻電流/uA電壓/mv電阻/2000603.18588.512.2937269.538.512.2935269.5064631800542.86728.512.2937269.538.512.2936269.51821391600482.54868.512.2937269.538.512.2941269.57696831400422.23018.512.2939269.55358.512.2945269.62397181200361.91158.512.2942269.58878.512.2949269.67097531000301.59298.512.2945269.6248.512.2950269.6827262800241.27438.512.2951269.69458.512.2954269.7297297600