巨磁电阻效应及其应用实验报告.docx

巨磁电阻效应及其应用
【实验目的】
1、了解GM效应的原理
2、测量GM模拟传感器的磁电转换特性曲线
3、测量GM的磁阻特性曲线
4、用GM能感器测量电流
5、用GM梯度传感器测量齿轮的角位移，了解 GM转速（速度）传感器的原理
【实验原理】
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改变运动方向，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，则平均自由程长，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，这是因为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34nmL可以忽略边界效应。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 ）,电子在边界上的散射几率大大增加， 可以
明显观察到厚度减小，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 ，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所示的多层膜结构中，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。
A&X
-H0
=4工
433C
1200
电阻' 欧姆
磁场强度/高斯
图3 某种GMR材料的磁阻特性
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
图2多层膜GMR结构图
图3是图2结构的某种GMR■料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小， 其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后， 继续加大磁场，电阻不再减
小，进入磁饱和区域。磁阻变化率 A R/R达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。 注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材 料都具有磁滞特性。
有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。
其一，界面上的散射。无外磁场时， 上下两层铁磁膜的磁场方向相反， 无论电子的初始
自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变 （平行-反平行，或反平
行-平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁 磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。
其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几 率在上下两层铁磁膜之间穿行。 无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反， 无论电子的
初始自旋状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两 种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联， 对应于高电阻状态。 有
外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致， 自旋平行的电子散射几率小， 自旋反平行的电
子散射几率大，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联， 对应于低电
阻状态。
多层膜GMRF构简单，工作可靠，磁阻随外磁场线性变化的范围大，在制作模拟传感器 方面得到广泛应用。在数字记录与读出领域，为进一步提高灵敏度，发展了自旋阀结构的 GMR
【实验仪器】
主要包括：巨磁电阻实验仪、基本特性组件、电流测量组件、角位移测量组件、磁读写组件。
基本特性组件由GM模拟传感器，螺线管线圈及比较电路，输入输出插孔组成。用以对 GM的磁电转换特性，磁阻特性进行测量。
GM静感器置于螺线管的中央。
螺线管用于在实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 = ^0nI （1）
式中n为线圈密度，I为流经线圈的电流强度， 0 4 10 7 H /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）。
【实验内容及实验结果处理】
一、GMR莫拟传感器的磁电转换特性测量
在将GMR勾成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式 结构。
a 几何结构 b 电路连接
GMR莫拟传感器结构图
对于电桥结构，如果 4