巨磁電阻效應(yīng)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)報告

1、.巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釭MR效應(yīng)的原理測量GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量GMR的磁阻特性曲線用GMR傳感器測量電流用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移,了解GMR轉(zhuǎn)速速度傳感器的原理實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)導(dǎo)電的微觀機(jī)理,電子在導(dǎo)電時并不是沿電場直線前進(jìn),而是不斷和晶格中的原子產(chǎn)生碰撞又稱散射,每次散射后電子都會改變運(yùn)動方向,總的運(yùn)動是電場對電子的定向加速與這種無規(guī)散射運(yùn)動的疊加。稱電子在兩次散射之間走過的平均路程為平均自由程,電子散射幾率小,則平均自由程長,電阻率低。電阻定律 R=l/S中,把電阻率視為常數(shù),與材料的幾何尺度無關(guān),這是因?yàn)橥ǔ２牧系膸缀纬叨冗h(yuǎn)大于電子的平均自由程例如銅中

2、電子的平均自由程約34nm,可以忽略邊界效應(yīng)。當(dāng)材料的幾何尺度小到納米量級,只有幾個原子的厚度時例如,銅原子的直徑約為0.3nm,電子在邊界上的散射幾率大大增加,可以明顯觀察到厚度減小,電阻率增加的現(xiàn)象。電子除攜帶電荷外,還具有自旋特性,自旋磁矩有平行或反平行于外磁場兩種可能取向。早在1936年,英國物理學(xué)家,諾貝爾獎獲得者N.F.Mott指出,在過渡金屬中,自旋磁矩與材料的磁場方向平行的電子,所受散射幾率遠(yuǎn)小于自旋磁矩與材料的磁場方向反平行的電子?？傠娏魇莾深愖孕娏髦?總電阻是兩類自旋電流的并聯(lián)電阻,這就是所謂的兩電流模型。在圖2所示的多層膜結(jié)構(gòu)中,無外磁場時,上下兩層磁性材料是反平行反

3、鐵磁耦合的。施加足夠強(qiáng)的外磁場后,兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向一致,外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合。電流的方向在多數(shù)應(yīng)用中是平行于膜面的。圖3是圖2結(jié)構(gòu)的某種GMR材料的磁阻特性。由圖可見,隨著外磁場增大,電阻逐漸減小,其間有一段線性區(qū)域。當(dāng)外磁場已使兩鐵磁膜完全平行耦合后,繼續(xù)加大磁場,電阻不再減小,進(jìn)入磁飽和區(qū)域。磁阻變化率 R/R 達(dá)百分之十幾,加反向磁場時磁阻特性是對稱的。注意到圖2中的曲線有兩條,分別對應(yīng)增大磁場和減小磁場時的磁阻特性,這是因?yàn)殍F磁材料都具有磁滯特性。有兩類與自旋相關(guān)的散射對巨磁電阻效應(yīng)有貢獻(xiàn)。其一,界面上的散射。無外磁場時,上下兩層鐵磁膜的磁場方向相

4、反,無論電子的初始自旋狀態(tài)如何,從一層鐵磁膜進(jìn)入另一層鐵磁膜時都面臨狀態(tài)改變平行反平行,或反平行平行,電子在界面上的散射幾率很大,對應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場時,上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致,電子在界面上的散射幾率很小,對應(yīng)于低電阻狀態(tài)。其二,鐵磁膜內(nèi)的散射。即使電流方向平行于膜面,由于無規(guī)散射,電子也有一定的幾率在上下兩層鐵磁膜之間穿行。無外磁場時,上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反,無論電子的初始自旋狀態(tài)如何,在穿行過程中都會經(jīng)歷散射幾率小平行和散射幾率大反平行兩種過程,兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個中等阻值的電阻的并聯(lián),對應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場時,上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致,自旋平行的電子散

5、射幾率小,自旋反平行的電子散射幾率大,兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似一個小電阻與一個大電阻的并聯(lián),對應(yīng)于低電阻狀態(tài)。多層膜GMR結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,磁阻隨外磁場線性變化的范圍大,在制作模擬傳感器方面得到廣泛應(yīng)用。在數(shù)字記錄與讀出領(lǐng)域,為進(jìn)一步提高靈敏度,發(fā)展了自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR。實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：巨磁電阻實(shí)驗(yàn)儀、基本特性組件、電流測量組件、角位移測量組件、磁讀寫組件?；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GMR的磁電轉(zhuǎn)換特性,磁阻特性進(jìn)行測量。GMR傳感器置于螺線管的中央。螺線管用于在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生大小可計算的磁場,由理論分析可知,無限長直螺線管內(nèi)部軸線上任

6、一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B = 0nI 1式中n為線圈密度,I為流經(jīng)線圈的電流強(qiáng)度,為真空中的磁導(dǎo)率。采用國際單位制時,由上式計算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位為特斯拉1特斯拉10000高斯。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理一、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量在將GMR構(gòu)成傳感器時,為了消除溫度變化等環(huán)境因素對輸出的影響,一般采用橋式結(jié)構(gòu)。 a 幾何結(jié)構(gòu) b電路連接GMR模擬傳感器結(jié)構(gòu)圖對于電橋結(jié)構(gòu),如果4個GMR電阻對磁場的影響完全同步,就不會有信號輸出。圖17-9中,將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€電阻R3, R4覆蓋一層高導(dǎo)磁率的材料如坡莫合金,以屏蔽外磁場對它們的影響,而R1,R2阻值隨外磁場改變。設(shè)無外磁場時4個G

7、MR電阻的阻值均為R, R1、R2在外磁場作用下電阻減小R,簡單分析表明,輸出電壓：U=U 屏蔽層同時設(shè)計為磁通聚集器,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。從幾何結(jié)構(gòu)還可見,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,使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性實(shí)驗(yàn)原理圖將GMR模擬傳感器置于螺線管磁場中,功能切換按鈕切換為傳感器測量。實(shí)驗(yàn)儀的4V電壓源接至基本特性組件巨磁電阻供電,恒流源接至螺線管電流輸入,基本特性組件模擬信號輸出接至實(shí)驗(yàn)儀電壓表。按表1數(shù)據(jù),調(diào)節(jié)勵磁電流,逐

8、漸減小磁場強(qiáng)度,記錄相應(yīng)的輸出電壓于表格減小磁場列中。由于恒流源本身不能提供負(fù)向電流,當(dāng)電流減至0后,交換恒流輸出接線的極性,使電流反向。再次增大電流i,此時流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)樨?fù),從上到下記錄相應(yīng)的輸出電壓。電流至-100mA后,逐漸減小負(fù)向電流,電流到0時同樣需要交換恒流輸出的極性。從下到上記錄數(shù)據(jù)于表一增大磁場列中。 理論上講,外磁場為零時,GMR傳感器的輸出應(yīng)為零,但由于半導(dǎo)體工藝的限制,4個橋臂電阻值不一定完全相同,導(dǎo)致外磁場為零時輸出不一定為零,在有的傳感器中可以觀察到這一現(xiàn)象。根據(jù)螺線管上表明的線圈密度,由公式1計算出螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。以磁感應(yīng)強(qiáng)度B作橫坐標(biāo)

9、,電壓表的讀數(shù)為縱坐標(biāo)作出磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。不同外磁場強(qiáng)度時輸出電壓的變化反映了GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性,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。表1 GMR模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性的測量電橋電壓4V,線圈密度為24000匝/米磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯輸出電壓/mV勵磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯減小磁場增大磁場10030.1584 2282289027.1426 2282288024.1267 2272277021.1109 2272266018.0950 2262245015.0792 2222154012.0634 196180309.0475 147132206.0317 96811

10、03.0158 504051.5079 312100.0000 1210-5-1.5079 2030-10-3.0158 3950-20-6.0317 8093-30-9.0475 129144-40-12.0634 179194-50-15.0792 215222-60-18.0950 224226-70-21.1109 226227-80-24.1267 227227-90-27.1426 228228-100-30.1584 228228二、GMR磁阻特性測量磁阻特性測量原理圖為加深對巨磁電阻效應(yīng)的理解,我們對構(gòu)成GMR模擬傳感器的磁阻進(jìn)行測量。將基本特性組件的功能切換按鈕切換為巨磁阻測

11、量,此時被磁屏蔽的兩個電橋電阻R3、R4被短路,而R1、R2并聯(lián)。將電流表串連進(jìn)電路中,測量不同磁場時回路中電流的大小,就可以計算磁阻。實(shí)驗(yàn)裝置：巨磁阻實(shí)驗(yàn)儀,基本特性組件。 將GMR模擬傳感器置于螺線管磁場中,功能切換按鈕切換為巨磁阻測量。實(shí)驗(yàn)儀的4伏電壓源串連電流表后,接至基本特性組件巨磁電阻供電,恒流源接至螺線管電流輸入。按表2數(shù)據(jù),調(diào)節(jié)勵磁電流,逐漸減小磁場強(qiáng)度,記錄相應(yīng)的磁阻電流于表格減小磁場列中。由于恒源流本身不能提供負(fù)向電流,當(dāng)電流減至0后,交換恒流輸出接線的極性,使電流反向。再次增大電流,此時流經(jīng)螺線管的電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)樨?fù),從上到下記錄相應(yīng)的輸出電壓。 電流至一100m

12、A后,逐漸減小負(fù)向電流,電流到0時同樣需要交換恒流輸出接線的極性。從下到上記錄數(shù)據(jù)于增大磁場列中。根據(jù)螺線管上表明的線圈密度,由公式1計算出螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。由歐姆定律R=U/I 計算磁阻。以磁感應(yīng)強(qiáng)度B作橫坐標(biāo),磁阻為縱坐標(biāo)做出磁阻特性曲線。應(yīng)該注意,由于模擬傳感器的兩個磁阻是位于磁通聚集器中,與圖3相比,我們作出的磁阻曲線斜率大了約10倍,磁通聚集器結(jié)構(gòu)使磁阻靈敏度大大提高。 不同外磁場強(qiáng)度時磁阻的變化反映了GMR的磁阻特性,同一外磁場強(qiáng)度的差值反映了材料的磁滯特性。表2 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磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯磁阻電流

13、/mA磁阻/磁阻電流/mA磁阻/10030.1584 1.8822125.3985 1.882127.6596 9027.1426 1.8822125.3985 1.882127.6596 8024.1267 1.8812126.5284 1.882127.6596 7021.1109 1.882127.6596 1.8792128.7919 6018.0950 1.8792128.7919 1.8772131.0602 5015.0792 1.8752133.3333 1.872139.0374 4012.0634 1.852162.1622 1.8372177.4633 309.0475

14、1.8052216.0665 1.7892235.8860 206.0317 1.7582275.3129 1.7462290.9507 103.0158 1.7182328.2887 1.7092340.5500 51.5079 1.72352.9412 1.6922364.0662 00.0000 1.6852373.8872 1.6822378.1213 -5-1.5079 1.6942361.2751 1.6992354.3261 -10-3.0158 1.7092340.5500 1.7172329.6447 -20-6.0317 1.7452292.2636 1.7552279.2

15、023 -30-9.0475 1.7882237.1365 1.8022219.7558 -40-12.0634 1.8342181.0251 1.8482164.5022 -50-15.0792 1.8692140.1819 1.8742134.4717 -60-18.0950 1.8772131.0602 1.8782129.9255 -70-21.1109 1.8792128.7919 1.8792128.7919 -80-24.1267 1.882127.6596 1.882127.6596 -90-27.1426 1.882127.6596 1.882127.6596 -100-30

16、.1584 1.882127.6596 1.882127.6596 三、GRM開關(guān)數(shù)字傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量表3 GRM開關(guān)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量 高電平= 1 V 低電平= 0 V減小磁場增大磁場開關(guān)動作勵磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯開關(guān)動作勵磁電流/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度/高斯關(guān)20.46.1525 關(guān)20.76.2430 開23.67.1176 開23.37.0271 四、用GMR模擬傳感器測量電流GMR模擬傳感器在一定的范圍內(nèi)輸出電壓與磁場強(qiáng)度成線性關(guān)系,且靈敏度高,線性范圍大,可以方便的將GMR制成磁場計,測量磁場強(qiáng)度或其它與磁場相關(guān)的物理量。作為應(yīng)用示例,我們用它來測量電流。由理論

17、分析可知,通有電流I的無限長直導(dǎo)線,與導(dǎo)線距離為r的一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B = 0I/2r =2 I10-7/r 3磁場強(qiáng)度與電流成正比,在r已知的條件下,測得B,就可知I。在實(shí)際應(yīng)用中,為了使GMR模擬傳感器工作在線性區(qū),提高測量精度,還常常預(yù)先給傳感器施加一固定已知磁場,稱為磁偏置,其原理類似于電子電路中的直流偏置。模擬傳感器測量電流實(shí)驗(yàn)原理圖實(shí)驗(yàn)裝置：巨磁阻實(shí)驗(yàn)儀,電流測量組件實(shí)驗(yàn)儀的4伏電壓源接至電流測量組件巨磁電阻供電,恒流源接至待測電流輸入,電流測量組件信號輸出接至實(shí)驗(yàn)儀電壓表。將待測電流調(diào)節(jié)至0。將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)離GMR傳感器,調(diào)節(jié)磁鐵與傳感器的距離,使輸出約25mV。將電流增大

18、到300mA,按表4數(shù)據(jù)逐漸減小待測電流,從左到右記錄相應(yīng)的輸出電壓于表格減小電流行中。由于恒流源本身不能提供負(fù)向電流,當(dāng)電流減至0后,交換恒流輸出接線的極性,使電流反向。再次增大電流,此時電流方向?yàn)樨?fù),記錄相應(yīng)的輸出電壓。逐漸減小負(fù)向待測電流,從右到左記錄相應(yīng)的輸出電壓于表格增加電流行中。當(dāng)電流減至0后,交換恒流輸出接線的極性,使電流反向。再次增大電流,此時電流方向?yàn)檎?記錄相應(yīng)的輸出電壓。將待測電流調(diào)節(jié)至0。將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到接近GMR傳感器,調(diào)節(jié)磁鐵與傳感器的距離,使輸出約150mV。用低磁偏置時同樣的實(shí)驗(yàn)方法,測量適當(dāng)磁偏置時待測電流與輸出電壓的關(guān)系。表4 用GMR模擬傳感器測量電流待測電

19、流/mA3002001000-100-200-300輸出電壓/mV低磁偏置減小電流27.72726.225.524.723.923增加電流28.127.326.425.724.924.123適當(dāng)磁偏置減小電流154.2153.4152.4151.5150.5149.4148.2增加電流154.4153.3152.2151.2150.2149.2148.2五、GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用將GMR電橋兩對對角電阻分別置于集成電路兩端,4個電阻都不加磁屏蔽,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電阻感受到的磁場不同,磁阻變化不一樣,就會有信號輸出。圖18以檢測齒輪的角位移為例,說明其應(yīng)用原理。將永磁體放置于傳感器上方,若齒輪是鐵磁材料,永磁體產(chǎn)生的空間磁場在相對于齒牙不同位置時