巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)

1、近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告專(zhuān)業(yè)應(yīng)用物理學(xué)班級(jí)11級(jí)指導(dǎo)教師馬廠姓名實(shí)驗(yàn)時(shí)間2013年_月_日實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)K7-402實(shí)驗(yàn)名稱巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解巨磁阻效應(yīng)原理，了解巨磁阻傳感器的原理及其使用方法；2學(xué)習(xí)巨磁阻傳感器定標(biāo)方法，用巨磁阻傳感器測(cè)量弱磁場(chǎng)；3測(cè)定巨磁阻傳感器敏感軸與被測(cè)磁場(chǎng)間夾角與傳感器靈敏度的關(guān)系；4測(cè)定巨磁阻傳感器的靈敏度與其工作電壓的關(guān)系；5用巨磁阻傳感器測(cè)量通電導(dǎo)線的電流大小?！緦?shí)驗(yàn)原理】巨磁阻效應(yīng)1988年，法國(guó)巴黎大學(xué)的研究小組首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)，在國(guó)際上引起很大的反響。巨磁阻（GiantMagnetoResistance）是一種層

2、狀結(jié)構(gòu)，外層是超薄的鐵磁材料（Fe,Co,Ni等），中間層是一個(gè)超薄的非磁性導(dǎo)體層（Cr,Cu,Ag等），這種多層膜的電阻隨外磁場(chǎng)變化而顯著變化。通常情況下，Cr,Cu,Ag等是良好的導(dǎo)體，但當(dāng)它的厚度只有幾個(gè)原子時(shí)，導(dǎo)體的電阻率會(huì)顯著增加。在塊狀導(dǎo)體材料中，導(dǎo)體內(nèi)電子由于會(huì)和其它微粒碰撞，所以在“散射”改變運(yùn)動(dòng)方向之前都要運(yùn)動(dòng)很長(zhǎng)一段距離。在電子散射之前運(yùn)動(dòng)的距離的平均長(zhǎng)度稱為平均自由程。然而，在非常薄的材料中，電子的運(yùn)動(dòng)無(wú)法達(dá)到最大平均自由程。電子很可能直接運(yùn)動(dòng)到材料的表面并直接在那里產(chǎn)生散射，這導(dǎo)致了在非常薄的材料中平均自由程較短。因此導(dǎo)體中的電子要在這種材料中運(yùn)動(dòng)更加困難，導(dǎo)致導(dǎo)體電阻

3、率的增大。巨磁阻的磁性層是用來(lái)抗鐵磁耦合的。當(dāng)沒(méi)有外界磁場(chǎng)作用時(shí)，這兩層材料的磁化是相互對(duì)立的。可以假設(shè)為兩根“頭尾相連”的條形磁鐵（兩個(gè)磁鐵是平行的，其中一個(gè)的北極與另一個(gè)的南極同向），中間隔著一張薄塑料紙。巨磁阻材料中磁性層的磁化方向也是“頭尾相連”的，中間是非磁性層。下圖顯示的是GMR材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些電子的射程。兩個(gè)箭頭指明了抗磁耦合。MagnetizationDifecian口TcpFilnMagnetizationDirEdicnofEdtianFlm圖1抗磁耦合圖示注意：電子是散射到兩個(gè)GMR材料的表面。這是因?yàn)殡娮訌纳蠈幼孕噲D進(jìn)入下層自旋，反之亦然。由于電子自旋的不同，電子比

4、較有可能散射到兩個(gè)表面。這種情況的結(jié)局是導(dǎo)電電子的平均自由程的長(zhǎng)度相當(dāng)短，從而導(dǎo)致了材料具有相對(duì)咼的電阻率。如果外加在GMR材料上的外界磁場(chǎng)足夠大，它就能夠克服兩個(gè)磁性層之間磁化的抗磁耦合。這種條件下，兩個(gè)薄層的電子都會(huì)做同樣的自旋。這時(shí)，電子便容易在巨磁阻材料中運(yùn)動(dòng)，電子的平均自由程增長(zhǎng)，導(dǎo)致巨磁阻材料的電阻率降低。MagnetzarionDii圖2順磁耦合圖示這種電阻隨外磁場(chǎng)變化而顯著變化的現(xiàn)象即為巨磁阻效應(yīng)。巨磁阻材料在高密度讀出磁頭、磁存儲(chǔ)元件上有廣泛的應(yīng)用前景，美國(guó)、日本和西歐都對(duì)發(fā)展巨磁阻材料及其在高新技術(shù)上的應(yīng)用投入了很大的力量。IBM公司研制成巨磁阻讀出磁頭，將磁盤(pán)記錄密度一下

5、子提高了17倍，從而使磁盤(pán)在與光盤(pán)的競(jìng)爭(zhēng)中重新處于領(lǐng)先地位。利用巨磁阻效應(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(wú)電源的情況下可繼續(xù)保留信息。由于巨磁阻效應(yīng)易使器件小型化，廉價(jià)化，可應(yīng)用于測(cè)量位移，角度等傳感器中，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，汽車(chē)測(cè)速，非接觸開(kāi)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)。巨磁阻傳感器本儀器所用巨磁阻傳感器采用惠斯登電橋，磁通屏蔽和磁通集中器。在傳感器基片上鍍一層很厚的磁性材料，這塊材料對(duì)其下方的巨磁阻電阻器形成屏蔽，不讓任何外加磁場(chǎng)進(jìn)入被屏蔽的電阻器?；菟沟请姌蛑械膬蓚€(gè)電

6、阻器(在橋的兩個(gè)相反的支路上)在磁性材料的上方，受外界場(chǎng)強(qiáng)的作用，而另外兩個(gè)電阻器在磁性材料的下方，從而受到屏蔽而不受外界磁場(chǎng)作用。當(dāng)外界磁場(chǎng)作用時(shí)，前兩個(gè)電阻器的電阻值下降，而后兩個(gè)電阻值保持不變，這樣在電橋的終端就有一個(gè)信號(hào)輸出。AC圖3惠斯登電橋圖示傳感器輸出U=U-U=VR/(R+R)-VR/(R+R)右R=R=R=R，在無(wú)加場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，U=U-U=0ABBCCDAD輸出out+out-當(dāng)存在外場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，未被屏蔽的巨磁電阻器R，R電阻值減小，而受屏蔽的巨磁阻電阻器R，R電阻值不變。則UBCADABCD輸=VR/(R+R)-VR/(R+R)=V即在相同場(chǎng)強(qiáng)條件下,傳感器輸出與傳感器的工作電壓成

7、正比，即傳感器靈敏度與其工作電壓成正比。另外，鍍層還可以使磁通集中器放置在基片上。磁通集中器使原來(lái)的傳感器靈敏度增大了2100倍。它收集垂直于傳感器管腳方向上的磁通量并把他們聚集在芯片中心的GMR電橋的電阻器上。如圖所示，垂直于傳感器管腳的方向?yàn)榫薮抛鑲鞲衅鞯拿舾休S方向。當(dāng)外磁場(chǎng)方向平行于傳感器敏感軸方向時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)最大。在相同場(chǎng)強(qiáng)下，當(dāng)外場(chǎng)強(qiáng)方向平行于傳感器敏感軸方向時(shí)，傳感器輸出最大。當(dāng)外場(chǎng)強(qiáng)方向偏離傳感器敏感軸方向時(shí)，傳感器輸出與偏離角度成余弦關(guān)系。即傳感器靈敏度與偏離角度成余弦關(guān)系。s(e)=s(o)cose磁通集中器敏感軸圖4巨磁阻傳感器圖示巨磁阻傳感器應(yīng)用廣泛，可用來(lái)測(cè)量磁

8、場(chǎng)、位移、角度、電流等，可制成測(cè)速儀、定向儀，也可用于車(chē)輛監(jiān)控、航運(yùn)、驗(yàn)鈔等方面，另外巨磁阻傳感器在醫(yī)療方面也有很大應(yīng)用。本儀器主要介紹了巨磁阻傳感器在測(cè)量電流方面的應(yīng)用。GMR磁場(chǎng)傳感器能有效的檢測(cè)有電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。下圖所示的傳感器封裝是用來(lái)檢測(cè)通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)。導(dǎo)線可放在芯片的上方或下方，但必須垂直于敏感軸。通電導(dǎo)線在導(dǎo)線周?chē)椛錉畹夭紳M磁場(chǎng)。當(dāng)傳感器中的GMR材料感應(yīng)到磁場(chǎng)，傳感器的輸出引腳就產(chǎn)生一個(gè)差分輸出。磁場(chǎng)強(qiáng)度與通過(guò)導(dǎo)線的電流成正比。當(dāng)電流增大時(shí)，周?chē)拇艌?chǎng)增大，傳感器的輸出也增大。同樣，當(dāng)電流減小時(shí)，周?chē)艌?chǎng)和傳感器輸出都減小。敏感軸方向?qū)Ь€方向圖5傳感器測(cè)電流圖示【實(shí)驗(yàn)儀器

9、】FD-GMR-A巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，包括實(shí)驗(yàn)主機(jī)、亥姆霍茲線圈實(shí)驗(yàn)裝置、連接導(dǎo)線等【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】將巨磁阻傳感器調(diào)整到亥姆霍茲線圈公共軸的中點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)傳感器內(nèi)盤(pán)，使外盤(pán)的刻度線對(duì)準(zhǔn)內(nèi)盤(pán)0，調(diào)整傳感器外盤(pán)，使傳感器管腳方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直（此時(shí)巨磁阻傳感器敏感軸與磁場(chǎng)方向平行），用水平儀調(diào)整轉(zhuǎn)盤(pán)水平，用5芯航空線連接主機(jī)和實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)一學(xué)習(xí)巨磁阻傳感器定標(biāo)方法，用巨磁阻傳感器測(cè)量弱磁場(chǎng)1.將主機(jī)恒流源用波段開(kāi)關(guān)扳向線圈電流方向，將亥姆霍茲線圈用紅黑導(dǎo)線串聯(lián)起來(lái)，并與主機(jī)上的線圈用恒流源相連；2打開(kāi)主機(jī)，將線圈電流調(diào)零，傳感器工作電壓調(diào)為5V，將傳感器放大倍數(shù)檔調(diào)至X1檔，將傳感器輸出調(diào)零。逐漸升

10、高線圈電流，可以看見(jiàn)傳感器輸出逐漸增大，將線圈電流和傳感器輸出再次歸零；3將線圈電流由零開(kāi)始逐漸增大，每隔0.05A記一次傳感器輸出，以傳感器輸出為Y軸，線圈電流值為X軸作圖；4.用亥姆霍磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)作為已知量，得到巨磁阻傳感器（傳感器敏感軸與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向平行且傳感器工作電壓為5V時(shí)）的靈敏度K。實(shí)驗(yàn)二測(cè)定巨磁阻傳感器敏感軸與被測(cè)磁場(chǎng)夾角與傳感器靈敏度的關(guān)系步驟1,2同實(shí)驗(yàn)一3將線圈電流調(diào)高至0.6A，記下零度時(shí)傳感器的輸出（即傳感器敏感軸與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向平行時(shí)），旋轉(zhuǎn)傳感器轉(zhuǎn)盤(pán)，每隔5記一次傳感器輸出。以傳感器輸出為Y軸，角度為X軸作圖，得到傳感器敏感軸與被測(cè)磁場(chǎng)夾角與傳感器靈敏度的關(guān)系

11、；4若時(shí)間充足，可改變傳感器工作電壓或改變線圈電流再測(cè)幾組數(shù)據(jù)（注意，每次改變巨磁阻工作電壓后，傳感器輸出要重新調(diào)零）。實(shí)驗(yàn)三測(cè)定巨磁阻傳感器的靈敏度與其工作電壓的關(guān)系步驟1同實(shí)驗(yàn)一2將線圈電流調(diào)零，將傳感器工作電壓調(diào)為2V，將傳感器放大倍數(shù)檔調(diào)至X1檔，巨磁阻傳感器輸出調(diào)零，將線圈電流逐漸增大，每隔0.05A記一次傳感器輸出，作圖，得到傳感器工作電壓為2V時(shí)傳感器的靈敏度；將傳感器的工作電壓調(diào)高，可每隔1V或2V測(cè)一次靈敏度，以傳感器靈敏度為Y軸，傳感器工作電壓為X軸作圖，得到傳感器的靈敏度與其工作電壓的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)四用巨磁阻傳感器測(cè)量通電導(dǎo)線的電流大小1.將主機(jī)恒流源用波段開(kāi)關(guān)扳向被測(cè)電流方

12、向，用紅黑導(dǎo)線將實(shí)驗(yàn)裝置黑色底板上的被測(cè)電流插座與主機(jī)上的對(duì)應(yīng)插座相連；2將被測(cè)電流調(diào)零，將傳感器工作電壓調(diào)為5V，將傳感器放大倍數(shù)檔調(diào)至X10檔，巨磁阻傳感器輸出調(diào)零，逐漸升高被測(cè)電流，可以看見(jiàn)傳感器輸出逐漸增大，將被測(cè)電流和傳感器輸出再次歸零；3將被測(cè)電流由零開(kāi)始逐漸增大，每隔0.1A或0.2A記一次傳感器輸出，以傳感器輸出為Y軸，被測(cè)電流值為X軸，作圖，得到被測(cè)電流大小與傳感器輸出的關(guān)系若時(shí)間充足，可改變傳感器工作電壓再測(cè)幾組數(shù)據(jù)（注意，每次改變巨磁阻工作電壓后，傳感器輸出要重新調(diào)零）【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】（注：以下數(shù)據(jù)不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，僅供實(shí)驗(yàn)時(shí)參考）實(shí)驗(yàn)二線圈電流/A傳感器輸出V/線圈電流/

13、A傳感器輸出/V線圈電流/A傳感器輸出/V線圈電流/A傳感器輸出/V000.250.2180.500.4720.750.7060.050.0410.300.2670.550.5250.800.7480.100.0820.350.3190.600.5720.150.1240.400.3710.650.6210.200.1700.450.4220.700.667出輸器感傳線圈電流/Ay=0.9645x-0實(shí)驗(yàn)二巨磁陽(yáng)傳感器工作0137R2=0.9991三電壓為5V時(shí)角度/傳感器輸出/V角度/傳感器輸出/V角度/傳感器輸出/V角度/傳感器輸出/V00.476250.428500.291750.108

14、50.473300.407550.256800.073100.468350.382600.221850.037150.459400.355650.183900.004200.444450.325700.145巨磁阻傳感器工作電壓為12V時(shí)角度/傳感器輸出/V角度/傳感器輸出/V角度/傳感器輸出/V角度/傳感器輸出/V01.155251.037500.704750.26151.150300.987550.619800.173101.135350.926600.530850.088151.111400.858650.442900.009201.077450.785700.352實(shí)驗(yàn)三2V3V4V5

15、V6V7V00000000.050.0160.0230.0330.0410.0490.0570.100.0320.0480.0660.0820.0980.1140.150.0500.0750.1020.1240.1520.1730.200.0690.1030.1380.1700.2050.2430.250.0880.1320.1760.2180.2640.3060.300.1070.1620.2170.2670.3240.3770.350.1270.1930.2560.3190.3840.4500.400.1480.2230.2960.3710.4440.5180.450.1690.2550.

16、3410.4220.5070.5910.500.1910.2860.3800.4720.5680.6630.550.2100.3170.4220.5250.6280.7370.600.2290.3470.4590.5720.6870.8030.650.2480.3760.4970.6210.7440.8720.700.2660.4040.5330.6670.7990.9320.750.2840.4290.5680.7060.8490.9900.800.3000.4540.6000.7480.8961.047/V線圈電流/廠8V9V10V11V12V0000000.050.0660.0710.0

17、820.0860.0980.100.1310.1450.1640.1780.1930.150.2010.2260.2540.2760.3030.200.2720.3090.3410.3780.4110.250.3480.3970.4360.4850.5270.300.4310.4870.5380.5960.6450.350.5080.5800.6410.7090.7700.400.5950.6730.7440.8250.8950.450.6740.7680.8480.9401.0150.500.7600.8610.9541.0541.1370.550.8400.9531.0501.1661.2

18、650.600.9201.0431.1491.2771.3860.650.9961.1291.2421.3821.4950.701.0651.2111.3311.4831.6020.751.1321.2901.4171.5781.7050.801.1981.3631.4991.6681.798y=0.3866x-0.0056R2=0.9992y=0.586lx-0.0093R2=0.9991y=0.7723x-0.0099R2=0.9992y=0.9645x-0.0137R2=0.9991y=l.l55lx-0.0151R2=0.9992y=1.3508x-0.0184R2=0.9991y=1

19、.545x-0.0217R2=0.999y=1.7592x-0.0269R2=0.9991y=1.931x-0.0259R2=0.9991y=2.1536x-0.0332R2=0.9991y=2.323x-0.0325R2=0.9991+*0.810.40.6線圈電流/A0.242186420和輸器感傳5251502-La敏靈工作電壓/V2V3V4V5V6V7V靈敏度/V/A0.3870.5860.7720.9641.1551.351工作電壓/V8V9V10V11V12V靈敏度/V/A1.5451.7601.9312.1542.323468101214工作電壓/Vy=0.1955x-0.013

20、6R2=0.9998實(shí)驗(yàn)四巨磁阻傳感器工作電壓為5V時(shí)和輸器感傳2181-OoO04a0.020024681012被測(cè)電流/A傳感器輸出V/被測(cè)電流/A傳感器輸出/V被測(cè)電流/A傳感器輸出/V被測(cè)電流/A傳感器輸出/V002.620.0365.200.0727.770.1090.210.0032.790.0385.410.0757.990.1120.420.0063.010.0415.600.0778.170.1140.590.0083.210.0445.800.0808.390.1170.810.0113.420.0475.970.0838.570.1201.010.0143.590.049

21、6.180.0868.780.1231.210.0163.780.0526.360.0899.010.1261.400.0193.980.0556.580.0929.230.1291.600.0224.180.0576.780.0959.400.1311.810.0254.400.0606.960.0979.610.1342.030.0284.600.0637.190.1009.810.1372.210.0304.790.0667.380.1039.980.1392.390.0334.970.0687.580.106被測(cè)電流/Ay=0.0331X-0.0017R2=0.9999巨磁阻傳感器工作

22、電壓為12V時(shí)被測(cè)電流/A傳感器輸出V/被測(cè)電流/A傳感器輸出/V被測(cè)電流/A傳感器輸出/V被測(cè)電流/A傳感器輸出/V002.590.0845.190.1697.820.2570.190.0062.770.0905.380.1768.010.2640.390.0122.970.0965.590.1838.190.2700.580.0183.190.1035.770.1898.400.2770.790.0253.390.1106.000.1978.590.2830.980.0313.510.1146.200.2038.790.2901.180.0383.780.1236.390.2109.000

23、.2971.390.0453.960.1296.610.2179.200.3041.600.0524.190.1366.820.2249.420.3111.780.0574.370.1427.010.2319.620.3181.980.0644.580.1497.220.2389.790.3232.180.0704.790.1567.410.24410.020.3292.380.0774.980.1627.600.250QO0OoooO和輸器感傳024681012被測(cè)電流/Ay=0.0331X-0.0017R2=0.9999【注意事項(xiàng)】在各個(gè)實(shí)驗(yàn)中，均需注意地磁場(chǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響；2使用磁性傳

24、感器時(shí)，應(yīng)盡量避免鐵質(zhì)材料和可以產(chǎn)生磁性的材料在傳感器附近出現(xiàn);【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】1實(shí)驗(yàn)一學(xué)習(xí)巨磁阻傳感器定標(biāo)方法，用巨磁阻傳感器測(cè)量弱磁場(chǎng)表一傳感器工作電壓為5V時(shí)，傳感器輸出隨線圈電流變化數(shù)值表線圈電流/A0.000.050.100.150.200.250.30傳感器輸出/V0.0000.0270.0560.0860.1160.1460.177線圈電流/A0.350.400.450.500.550.60傳感器輸出/V0.2080.2370.2660.2870.3000.306圖1傳感器輸出隨線圈電流變化關(guān)系圖y二0.5460 x+0.0063R2二0.9890線圈電流/A由擬合直線方程可知：傳感

25、器工作電壓為5V時(shí)，磁阻傳感器的靈敏度K=0.5460實(shí)驗(yàn)二測(cè)定巨磁阻傳感器敏感軸與被測(cè)磁場(chǎng)夾角與傳感器靈敏度的關(guān)系表2線圈電流為0.6A時(shí)，傳感器輸出隨敏感軸與被測(cè)磁場(chǎng)夾角變化數(shù)值表角度/傳感器輸出/V角度/傳感器輸出/V角度/傳感器輸出/V角度/傳感器輸出/V00.306250.294500.206750.05550.306300.285550.178800.022100.305350.271600.149850.017150.303400.253650.117900.011200.300450.231700.0861000.006圖2傳感器輸出隨夾角變化關(guān)系圖oooO實(shí)驗(yàn)三測(cè)定巨磁阻傳感

26、器的靈敏度與其工作電壓的關(guān)系表3不同工作電壓下，傳感器輸出隨線圈電流變化數(shù)值表工作電壓/V線圈電流/r2V5V8V10V00.0000.0000.0000.0000.050.0030.0270.0560.0730.100.0150.0560.1010.1340.150.0270.0860.1470.1950.200.0390.1160.1940.2540.250.0510.1460.2430.3170.300.0640.1770.2920.3750.350.0760.2080.3390.4390.400.0880.2370.3850.4970.450.1000.2660.4300.5480.500.1110.2870.4640.5880.550.1190.3000.4870.6110.600.1230.3060.4960.621圖3不同電壓下傳感器輸出隨電流變化圖線圈電流仏642ooOooOO510表4靈敏度隨工作F電壓變化關(guān)系表工作電壓/V擬合直線方程靈敏度K2