巨磁電阻效應及應用

實驗十四巨磁電阻效應及應用【實驗目的】1.理解GMR效應的原理2.測量GMR模擬傳感器的磁電轉換特性曲線3.測量GMR的磁阻特性曲線4.測量GMR開關（數(shù)字）傳感器的磁電轉換特性曲線5.用GMR傳感器測量電流6.用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移，理解GMR轉速（速度）傳感器的原理7.通過實驗理解磁統(tǒng)計與讀出的原理【實驗儀器】巨磁電阻效應及應用實驗儀【實驗原理】諾貝爾物理學獎授予了巨磁電阻(Giantmagnetoresistance,簡稱GMR)效應的發(fā)現(xiàn)者：法國物理學家阿爾貝·費爾(AlbertFert)和德國物理學家彼得·格倫貝格爾(PeterGrunberg)。諾貝爾獎委員會闡明：“這是一次好奇心造成的發(fā)現(xiàn)，但其隨即的應用卻是革命性的，由于它使計算機硬盤的容量從幾百、幾千兆，一躍而提高幾百倍，達成幾百G乃至上千G?！蹦蹜B(tài)物理研究原子，分子在構成物質時的微觀構造，它們之間的互相作用力，及其與宏觀物理性質之間的聯(lián)系。GMR作為自旋電子學的開端含有深遠的科學意義。傳統(tǒng)的電子學是以電子的電荷移動為基礎的，電子自旋往往被無視了。巨磁電阻效應表明，電子自旋對于電流的影響非常強烈，電子的電荷與自旋兩者都可能載運信息。自旋電子學的研究和發(fā)展，引發(fā)了電子技術與信息技術的一場新的革命?，F(xiàn)在電腦，音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬盤磁頭，基本上都應用了巨磁電阻效應。運用巨磁電阻效應制成的多個傳感器，已廣泛應用于多個測量和控制領域。除運用鐵磁膜-金屬膜-鐵磁膜的GMR效應外，由兩層鐵磁膜夾一極薄的絕緣膜或半導體膜構成的隧穿磁阻(TMR)效應，已顯示出比GMR效應更高的敏捷度。除在多層膜構造中發(fā)現(xiàn)GMR效應，并已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化外，在單晶，多晶等多個形態(tài)的鈣鈦礦構造的稀土錳酸鹽中，以及某些磁性半導體中，都發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應。本實驗介紹多層膜GMR效應的原理，并通過實驗讓學生理解幾個GMR傳感器的構造、特性及應用領域。根據(jù)導電的微觀機理，電子在導電時并不是沿電場直線邁進，而是不停和晶格中的原子產(chǎn)生碰撞（又稱散射），每次散射后電子都會變化運動方向，總的運動是電場對電子的定向加速與這種無規(guī)則散射運動的疊加。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，這是由于普通材料的幾何尺度遠不不大于電子的平均自由程（例如銅中電子的平均自由程約34nm），能夠無視邊界效應。當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，能夠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，還含有自旋特性，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，所受散射幾率遠不大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停豢傠娮枋莾深愖孕娏鞯牟⒙?lián)電阻，這就是所謂的兩電流模型。在圖1所示的多層膜構造中，無外磁場時，上下兩層磁性材料是反平行（反鐵磁）耦合的。施加足夠強的外磁場后，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)應用中是平行于膜面的。圖1多層膜GMR構造圖圖2某種GMR材料的磁阻特性REF_Ref\h圖2是REF_Ref\h圖1構造的某種GMR材料的磁阻特性。由REF_Ref\h圖2可見，隨著外磁場增大，電阻逐步減小，其間有一段線性區(qū)域。當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，進入磁飽和區(qū)域。磁阻變化率ΔR/R達百分之十幾，加反向磁場時磁阻特性是對稱的。注意到REF_Ref\h圖3中的曲線有兩條，分別對應增大磁場和減小磁場時的磁阻特性，這是由于鐵磁材料都含有磁滯特性。有兩類與自旋有關的散射對巨磁電阻效應有奉獻。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反，無論電子的初始自旋狀態(tài)如何，從一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨狀態(tài)變化（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，對應于低電阻狀態(tài)。其二，鐵磁膜內的散射。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?。ㄆ叫校┖蜕⑸鋷茁蚀螅ǚ雌叫校﹥煞N過程，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個中檔阻值的電阻的并聯(lián)，對應于高電阻狀態(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)電阻相似一種小電阻與一種大電阻的并聯(lián)，對應于低電阻狀態(tài)。多層膜GMR構造簡樸，工作可靠，磁阻隨外磁場線性變化的范疇大，在制作模擬傳感器方面得到廣泛應用。在數(shù)字統(tǒng)計與讀出領域，為進一步提高敏捷度，發(fā)展了自旋閥構造的GMR。如REF_Ref\h圖3所示。圖3自旋閥SV-GMR構造圖自旋閥構造的SV-GMR(SpinvalveGMR)由釘扎層、被釘扎層、中間導電層和自由層構成。其中，釘扎層使用反鐵磁材料，被釘扎層使用硬鐵磁材料，鐵磁和反鐵磁材料在交換耦合作用下形成一種偏轉場，此偏轉場將被釘扎層的磁化方向固定，不隨外磁場變化。自由層使用軟鐵磁材料，它的磁化方向易于隨外磁場轉動。這樣，很弱的外磁場就會變化自由層與被釘扎層磁場的相對取向，對應于很高的敏捷度。制造時，使自由層的初始磁化方向與被釘扎層垂直，磁統(tǒng)計材料的磁化方向與被釘扎層的方向相似或相反（對應于0或1），當感應到磁統(tǒng)計材料的磁場時，自由層的磁化方向就向與被釘扎層磁化方向相似（低電阻）或相反（高電阻）的方向偏轉，檢測出電阻的變化，就可擬定統(tǒng)計材料所統(tǒng)計的信息，硬盤所用的GMR磁頭就采用這種構造。我們實驗儀器GMR材料的多層構造是基于一種Ni-Fe-Co磁性層和Cu間隔層。【實驗儀器介紹】實驗儀圖4巨磁阻實驗儀操作面板REF_Ref\h圖4所示為實驗系統(tǒng)的實驗儀前面板圖。區(qū)域1——電流表部分：作為一種獨立的電流表使用。兩個檔位：2mA檔和20mA檔，可通過電流量程切換開關選擇適宜的電流檔位測量電流。區(qū)域2——電壓表部分：作為一種獨立的電壓表使用。兩個檔位：2V檔和200mV檔，可通過電壓量程切換開關選擇適宜的電壓檔位。區(qū)域3——恒流源部分：可變恒流源。實驗儀還提供GMR傳感器工作所需的4V電源和運算放大器工作所需的±8V電源?；咎匦越M件圖5基本特性組件基本特性組件由GMR模擬傳感器，螺線管線圈及比較電路，輸入輸出插孔構成。用以對GMR的磁電轉換特性，磁阻特性進行測量。GMR傳感器置于螺線管的中央。螺線管用于在實驗過程中產(chǎn)生大小可計算的磁場，由理論分析可知，無限長直螺線管內部軸線上任一點的磁感應強度為： B=μ0nI （1）式中n為線圈密度，I為流經(jīng)線圈的電流強度，μ0=4π×10-7H/m為真空中的磁導率。采用國際單位制時，由上式計算出的磁感應強度單位為特斯拉（1特斯拉＝10000高斯）。電流測量組件圖6電流測量組件電流測量組件將導線置于GMR模擬傳感器近旁，用GMR傳感器測量導線通過不同大小電流時導線周邊的磁場變化，就可擬定電流大小。與普通測量電流需將電流表接入電路相比，這種非接觸測量不干擾原電路的工作，含有特殊的優(yōu)點。角位移測量組件圖7角位移測量組件角位移測量組件用巨磁阻梯度傳感器作傳感元件，鐵磁性齒輪轉動時，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，每轉過一齒，就輸出類似正弦波一種周期的波形。運用該原理能夠測量角位移（轉速，速度）。汽車上的轉速與速度測量儀就是運用該原理制成的。磁讀寫組件圖8磁讀寫組件磁讀寫組件用于演示磁統(tǒng)計與讀出的原理。磁卡做統(tǒng)計介質，磁卡通過寫磁頭時可寫入數(shù)據(jù)，通過讀磁頭時將寫入的數(shù)據(jù)讀出來。【實驗內容與環(huán)節(jié)】GMR模擬傳感器的磁電轉換特性測量在將GMR構成傳感器時，為了消除溫度變化等環(huán)境因素對輸出的影響，普通采用橋式構造，REF_Ref\h圖9是某型號傳感器的構造。圖9GMR模擬傳感器構造圖對于電橋構造，如果4個GMR電阻對磁場的響應完全同時，就不會有信號輸出。REF_Ref\h圖10中，將處在電橋對角位置的兩個電阻R3、R4覆蓋一層高導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阻值隨外磁場變化。設無外磁場時4個GMR電阻的阻值均為R，R1、R2在外磁場作用下電阻減小ΔR，簡樸分析表明，輸出電壓： UOUT=UINΔR/（2R-ΔR） （2）屏蔽層同時設計為磁通聚集器，它的高導磁率將磁力線聚集在R1、R2電阻所在的空間,進一步提高了R1、R2的磁敏捷度。從REF_Ref\h圖10的幾何構造還可見，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kΩ，使其在較小工作電流下得到適宜的電壓輸出。REF_Ref\h圖10是某GMR模擬傳感器的磁電轉換特性曲線。REF_Ref\h圖12是磁電轉換特性的測量原理圖。圖10GMR模擬傳感器的磁電轉換特性圖SEQ圖\*ARABIC11模擬傳感器磁電轉換特性實驗原理圖實驗裝置：巨磁阻實驗儀，基本特性組件。將GMR模擬傳感器置于螺線管磁場中，功效切換按鈕切換為“傳感器測量”。實驗儀的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”接至實驗儀電壓表。按REF_Ref\h表1數(shù)據(jù)，調節(jié)勵磁電流，逐步減小磁場強度，統(tǒng)計對應的輸出電壓于表格“減小磁場”列中。由于恒流源本身不能提供負向電流，當電流減至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強度的方向為負，從上到下統(tǒng)計對應的輸出電壓。電流至-100mA后，逐步減小負向電流，電流到0時同樣需要交換恒流輸出接線的極性。從下到上統(tǒng)計數(shù)據(jù)于“增大磁場”列中。理論上講，外磁場為零時，GMR傳感器的輸出應為零，但由于半導體工藝的限制，4個橋臂電阻值不一定完全相似，造成外磁場為零時輸出不一定為零，在有的傳感器中能夠觀察到這一現(xiàn)象。表SEQ表\*ARABIC1GMR模擬傳感器磁電轉換特性的測量電橋電壓：4V磁感應強度/高斯輸出電壓/mV勵磁電流/mA磁感應強度/高斯減小磁場增大磁場10090807060504030201050-5-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100根據(jù)螺線管上標明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內的磁感應強度B。以磁感應強度B作橫坐標，電壓表的讀數(shù)為縱坐標做出磁電轉換特性曲線。不同外磁場強度時輸出電壓的變化反映了GMR傳感器的磁電轉換特性，同一外磁場強度下輸出電壓的差值反映了材料的磁滯特性。GMR磁阻特性測量為加深對巨磁電阻效應的理解，我們對構成GMR模擬傳感器的磁阻進行測量。將基本特性組件的功效切換按鈕切換為“巨磁阻測量”，此時被磁屏蔽的兩個電橋電阻R3、R4被短路，而R1、R2并聯(lián)。將電流表串連進電路中，測量不同磁場時回路中電流的大小，就可計算磁阻。測量原理如REF_Ref\h圖12所示。圖SEQ圖\*ARABIC12磁阻特性測量原理圖實驗裝置：巨磁阻實驗儀，基本特性組件。將GMR模擬傳感器置于螺線管磁場中，功效切換按鈕切換為“巨磁阻測量”實驗儀的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REF_Ref\h表2數(shù)據(jù)，調節(jié)勵磁電流，逐步減小磁場強度，統(tǒng)計對應的磁阻電流于表格“減小磁場”列中。由于恒流源本身不能提供負向電流，當電流減至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強度的方向為負，從上到下統(tǒng)計對應的輸出電壓。電流至-100mA后，逐步減小負向電流，電流到0時同樣需要交換恒流輸出接線的極性。從下到上統(tǒng)計數(shù)據(jù)于“增大磁場”列中。表SEQ表\*ARABIC2GMR磁阻特性的測量磁阻兩端電壓：4V磁感應強度/高斯磁阻/Ω減小磁場增大磁場勵磁電流/mA磁感應強度/高斯磁阻電流/mA磁阻/Ω磁阻電流/mA磁阻/Ω10090807060504030201050-5-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100根據(jù)螺線管上標明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內的磁感應強度B。由歐姆定律R=U/I計算磁阻。以磁感應強度B作橫坐標，磁阻為縱坐標作出磁阻特性曲線。應當注意，由于模擬傳感器的兩個磁阻是位于磁通聚集器中，與REF_Ref\h圖3相比，我們做出的磁阻曲線斜率大了約10倍，磁通聚集器構造使磁阻敏捷度大大提高。不同外磁場強度時磁阻的變化反映了GMR的磁阻特性，同一外磁場強度下磁阻的差值反映了材料的磁滯特性。GMR開關（數(shù)字）傳感器的磁電轉換特性曲線測量將GMR模擬傳感器與比較電路，晶體管放大電路集成在一起，就構成GMR開關（數(shù)字）傳感器，構造如REF_Ref\h圖13所示。比較電路的功效是，當電橋電壓低于比較電壓時，輸出低電平；當電橋電壓高于比較電壓時，輸出高電平。選擇適宜的GMR電橋并結合調節(jié)比較電壓，可調節(jié)開關傳感器開關點對應的磁場強度。圖13GMR開關傳感器構造圖圖14GMR開關傳感器磁電轉換特性REF_Ref\h圖14是某種GMR開關傳感器的磁電轉換特性曲線。當磁場強度的絕對值從低增加到12高斯時，開關打開（輸出高電平），當磁場強度的絕對值從高減小到10高斯時，開關關閉（輸出低電平）。實驗裝置：巨磁阻實驗儀，基本特性組件。將GMR模擬傳感器置于螺線管磁場中，功效切換按鈕切換為“傳感器測量”。實驗儀的4V電壓源接至基本特性組件“巨磁電阻供電”，“電路供電”接口接至基本特性組件對應的“電路供電”輸入插孔，恒流源接至“螺線管電流輸入”，基本特性組件“開關信號輸出”接至實驗儀電壓表。從50mA逐步減小勵磁電流，輸出電壓從高電平（開）轉變?yōu)榈碗娖剑P）時統(tǒng)計對應的勵磁電流于REF_Ref\h表3“減小磁場”列中。當電流減至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強度的方向為負，輸出電壓從低電平（關）轉變?yōu)楦唠娖剑ㄩ_）時統(tǒng)計對應的負值勵磁電流于REF_Ref\h表3“減小磁場”列中。將電流調至-50mA。逐步減小負向電流，輸出電壓從高電平（開）轉變?yōu)榈碗娖剑P）時統(tǒng)計對應的負值勵磁電流于REF_Ref\h表3“增大磁場”列中，電流到0時同樣需要交換恒流輸出接線的極性。輸出電壓從低電平（關）轉變?yōu)楦唠娖剑ㄩ_）時統(tǒng)計對應的正值勵磁電流于REF_Ref\h表3“增大磁場”列中。表SEQ表\*ARABIC3GMR開關傳感器的磁電轉換特性測量高電平=V低電平=V減小磁場增大磁場開關動作勵磁電流/mA磁感應強度/高斯開關動作勵磁電流/mA磁感應強度/高斯關關開開根據(jù)螺線管上標明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內的磁感應強度B。以磁感應強度B作橫坐標，電壓讀數(shù)為縱坐標做出開關傳感器的磁電轉換特性曲線。運用GMR開關傳感器的開關特性已制成多個靠近開關，當磁性物體（可在非磁性物體上貼上磁條）靠近傳感器時就會輸出開關信號。廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)及汽車，家電等日常生活用品中，控制精度高，惡劣環(huán)境（如高低溫，振動等）下仍能正常工作。用GMR模擬傳感器測量電流從REF_Ref\h圖11可見，GMR模擬傳感器在一定的范疇內輸出電壓與磁場強度成線性關系，且敏捷度高，線性范疇大，能夠方便的將GMR制成磁場計，測量磁場強度或其它與磁場有關的物理量。作為應用示例，我們用它來測量電流。由理論分析可知，通有電流I的無限長直導線，與導線距離為r的一點的磁感應強度為： B=μ0I/2πr=2I×10-7/r （3）在r不變的狀況下，磁場強度與電流成正比。在實際應用中，為了使GMR模擬傳感器工作在線性區(qū)，提高測量精度，還經(jīng)常預先給傳感器施加一種固定已知磁場，稱為磁偏置，其原理類似于電子電路中的直流偏置。圖15模擬傳感器測量電流實驗原理圖實驗裝置：巨磁阻實驗儀，電流測量組件。實驗儀的4V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”接至實驗儀電壓表。將待測電流調節(jié)至0。將偏置磁鐵轉到遠離GMR傳感器，調節(jié)磁鐵與傳感器的距離，使輸出約25mV。將電流增大到300mA，按REF_Ref\h表4數(shù)據(jù)逐步減小待測電流，從左到右統(tǒng)計對應的輸出電壓于表格“減小電流”行中。由于恒流源本身不能提供負向電流，當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時電流方向為負，統(tǒng)計對應的輸出電壓。逐步減小負向待測電流，從右到左地統(tǒng)計對應的輸出電壓于表格“增加電流”行中。當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時電流方向為正，統(tǒng)計對應的輸出電壓。將待測電流調節(jié)至0。將偏置磁鐵轉到靠近GMR傳感器，調節(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驗辦法，測量適宜磁偏置時待測電流與輸出電壓的關系。表SEQ表\*ARABIC4用GMR模擬傳感器測量電流待測電流/mA3002001000-100-200-300輸出電壓/mV低磁偏置(約25mV)減小電流增加電流適宜磁偏置(約150mV)減小電流增加電流以電流讀數(shù)作橫坐標，電壓表的讀數(shù)為縱坐標作圖。分別做出4條曲線。由測量數(shù)據(jù)及所作圖形能夠看出，適宜磁偏置時線性較好，斜率（敏捷度）較高。由于待測電流產(chǎn)生的磁場遠不大于偏置磁場，磁滯對測量的影響也較小，根據(jù)輸出電壓的大小就可擬定待測電流的大小。用GMR傳感器測量電流不用將測量儀器接入電路，不會對電路工作產(chǎn)生干擾，既可測量直流，也可測量交流，含有廣闊的應用前景。GMR梯度傳感器的特性及應用將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，即構成梯度傳感器，如REF_Ref\h圖17所示。圖SEQ圖\*ARABIC16GMR梯度傳感器構造圖這種傳感器若置于均勻磁場中，由于4個橋臂電阻的阻值變化相似，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，磁阻變化不同，就會有信號輸出。REF_Ref\h圖18以檢測齒輪的角位移為例，闡明其應用原理。圖17用GMR梯度傳感器檢測齒輪位移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，產(chǎn)生不同的梯度磁場。a位置時，輸出為零。b位置時，R1、R2感受到的磁場強度不不大于R3、R4，輸出正電壓。c位置時，輸出回歸零。d位置時，R1、R2感受到的磁場強度不大于R3、R4，輸出負電壓。于是，在齒輪轉動過程中，每轉過一種齒牙便產(chǎn)生一種完整的波形輸出。這一原理已普遍應用于轉速（速度）與位移監(jiān)控，在汽車及其它工業(yè)領域得到廣泛應用。實驗裝置：巨磁阻實驗儀、角位移測量組件。將實驗儀4V電壓源接角位移測量組件“巨磁電阻供電”，角位移測量組件“信號輸出”接實驗儀電壓表。逆時針慢慢轉動齒輪，當輸出電壓為零時統(tǒng)計起始角度，后來每轉3度統(tǒng)計一次角度與電壓表的讀數(shù)。轉動48度齒輪轉過2齒，輸出電壓變化2個周期。表SEQ表\*ARABIC5齒輪角位移的測量轉動角度/度輸出電壓/mV以齒輪實際轉過的度數(shù)為橫坐標，電壓表的讀數(shù)為縱向坐標作圖。根據(jù)實驗原理，GMR梯度傳感器能用于車輛流量監(jiān)控嗎？磁統(tǒng)計與讀出磁統(tǒng)計是當今數(shù)碼產(chǎn)品統(tǒng)計與儲存信息的最重要方式