巨磁电阻效应及应用实验报告.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑巨磁电阻效应及应用实验报告 劳绩 评 定 教师 签 名 嘉应学院物理系大学物理 学生测验报告 测验工程： 测验地点： 班 级： 姓 名： 座 号： 测验时间： 年 月 日 物理与光信息科技学院编制 测验预习片面 一、测验目的： 1、 了解GMR效应的原理 2、 测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 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 5、 用GMR传感器测量电流 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、 通过测验了解磁记录与读出的原理 二、测验仪器设备：巨磁电阻测验仪 区域1 区域2 区域3 图5 巨磁阻测验仪操作面板 图5所示为巨磁阻测验仪系统的测验仪前面板图。

区域1——电流表片面：做为一个独立的电流表使用 两个档位：2mA档和200mA档，可通过电流量程切换开关选择适合的电流档位测量电流 区域2——电压表片面：做为一个独立的电压表使用 两个档位：2V档和200mV档，可通过电压量程切换开关选择适合的电压档位 区域3——恒流源片面：可变恒流源 测验仪还供给GMR传感器工作所需的4V电源和运算放大器工作所需的±8V电源 根本特性组件 图6 根本特性组件 根本特性组件由GMR模拟传感器，螺线管线圈及对比电路，输入输出插孔组成用以对GMR的 磁电转换特性，磁阻特性举行测量 GMR传感器置于螺线管的中央 螺线管用于在测验过程中产生大小可计算的磁场，由理论分析可知，无限长直螺线管内部轴线上任一点的磁感应强度为： B = μ0nI （1） 式中n为线圈密度，I为流经线圈的电流强度，?0?4??10?7H/m为真空中的磁导率采用国际单位制时，由上式计算出的磁感应强度单位为特斯拉（1特斯拉＝10000高斯） 电流测量组件 图7 电流测量组件 电流测量组件将导线置于GMR模拟传感器近旁，用GMR传感器测量导线通过不同大小电流时导线周边的磁场变化，就可确定电流大小。

与一般测量电流需将电流表接入电路相比，这种非接触测量不干扰原电路的工作，具有特殊的优点 角位移测量组件 图8 角位移测量组件 角位移测量组件用巨磁阻梯度传感器作传感元件，铁磁性齿轮转动时，齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场的分布，使梯度传感器输启程生变化，每转过一齿，就输出类似正弦波一个周期的波形利用该原理可以测量角位移（转速，速度）汽车上的转速与速度测量仪 就是利用该原理 制成的 磁读写组件 图9 磁读写组件 磁读写组件用于演示磁记录与读出的原理磁卡做记录介质，磁卡通过写磁头时可写入数据，通过读磁头时将写入的数据读出来 测验内容与步骤 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，为了消释温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式布局，图10是某型号传感器的布局 R2 R1 输入＋ 输出－ 输出＋ R3 R4 磁通聚集器 输入－ a几何布局 b电路连接 图10 GMR模拟传感器布局图 对于电桥布局，假设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R3、R4 笼罩一层高导磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它输出/V 们的影响，而R1、R2 阻值随外磁场变更设无外磁场时4个GMR电阻的阻值均为R，R1、R2 在外磁场作用下电阻减小ΔR，简朴分析说明，输出电压： UOUT = UINΔR/（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R1、R2电阻所在的空间,进一步提高了R1、R2 的磁灵敏度 从图10的几何布局还可见，巨磁电阻被光 磁感应强度/高斯 －30 －20 －10 0 10 20 30 图11 GMR模拟传感器的磁电转换特性 刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至kΩ数量级，使其在较小工作电流下得到适合的电压输出 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测验原理图 三、测验原理： 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变更运动方向，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，那么平均自由程长，电阻率低电阻定律 R=?l/S中，把电阻率?视为常数，与材料的几何尺度无关，这是由于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），可以疏忽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，可以明显查看到厚度减小，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所示的多层膜布局中，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 顶层铁磁膜 中间导电层 底层铁磁膜 无外磁场时底层磁场方向 电阻欧姆 \\ 磁场强度 / 高斯 图2 多层膜GMR布局图 图3 某种GMR材料的磁阻特性 — 6 —。