1、1巨磁电阻效应及其应用【实验目的】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、 用GMR传感器测量电流5、 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【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
2、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34nm） ，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0.3nm） ，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。
3、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。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材料的磁阻特性。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
4、 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，这是因为铁图 3 某 种 GMR材 料 的 磁 阻 特 性 磁 场 强 度 / 高 斯 电阻 欧姆2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
5、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GMR结构简单，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
6、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GMR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GMR的磁电转换特性，磁阻特性进行测量。GMR传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， 为真空中的磁导率。mH/0470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】
7、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，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式结构。3a 几何结构 b 电路连接GMR 模拟传感器结构图对于电桥结构，如果 4 个 GMR 电阻对磁场的影响完全同步，就不会有信号输出。图17-9 中，将处在电桥对角位置的两个电阻 R3, R4 覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，而 R1，R2 阻值随外磁场改变。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R，简单分析表明，输出电压：U =U (2R- R) (2)OTIN屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高
8、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。 从几何结构还可见，巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至 k数量级，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出。GMR 模拟传感器的磁电转换特性4模拟传感器磁电转换特性实验原理图将 GMR 模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“传感器测量” 。实验仪的4V 电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电” ，恒流源接至“螺线管电流输入” ，基本特性组件“模拟信号输出”接至实验仪电压表。按表 1 数据，调节励磁电流，逐渐减小磁场强度，记录相应的输出电压于表格“减小磁场”列中。由于恒流源本身不能提
9、供负向电流，当电流减至 0 后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流 i，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，从上到下记录相应的输出电压。电流至-100mA 后，逐渐减小负向电流，电流到 0 时同样需要交换恒流输出的极性。从下到上记录数据于表一“增大磁场”列中。理论上讲，外磁场为零时，GMR 传感器的输出应为零，但由于半导体工艺的限制，4个桥臂电阻值不一定完全相同，导致外磁场为零时输出不一定为零，在有的传感器中可以观察到这一现象。根据螺线管上表明的线圈密度，由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度 B。以磁感应强度 B 作横坐标，电压表的读数为纵坐标作出磁电转换特性曲线。不同
10、外磁场强度时输出电压的变化反映了 GMR 传感器的磁电转换特性，同一外磁场强度下输出电压的差值反映了材料的磁滞特性。表 1 GMR 模拟传感器磁电转换特性的测量（电桥电压 4V，线圈密度为 24000 匝/米）磁感应强度/高斯 输出电压/mV励磁电流/mA 磁感应强度 /高斯 减小磁场 增大磁场100 30.1584 228 22890 27.1426 228 22880 24.1267 227 22770 21.1109 227 22660 18.0950 226 22450 15.0792 222 21540 12.0634 196 18030 9.0475 147 13220 6.031
11、7 96 8110 3.0158 50 405 1.5079 31 210 0.0000 12 105-5 -1.5079 20 30-10 -3.0158 39 50-20 -6.0317 80 93-30 -9.0475 129 144-40 -12.0634 179 194-50 -15.0792 215 222-60 -18.0950 224 226-70 -21.1109 226 227-80 -24.1267 227 227-90 -27.1426 228 228-100 -30.1584 228 228-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 400501001502
12、00250Series 1 Series 2GMR模拟传感器的磁电转换特性测量输 出 电 压/mV磁感应强度/高斯二、GMR 磁阻特性测量磁阻特性测量原理图6为加深对巨磁电阻效应的理解，我们对构成 GMR 模拟传感器的磁阻进行测量。将基本特性组件的功能切换按钮切换为“巨磁阻测量” ，此时被磁屏蔽的两个电桥电阻 R3、R4 被短路，而 R1、R2 并联。将电流表串连进电路中，测量不同磁场时回路中电流的大小，就可以计算磁阻。实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件。将 GMR 模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“巨磁阻测量” 。实验仪的4 伏电压源串连电流表后，接至基本特性组件“巨磁电阻供
13、电” ，恒流源接至“螺线管电流输入” 。按表 2 数据，调节励磁电流，逐渐减小磁场强度，记录相应的磁阻电流于表格“减小磁场”列中。由于恒源流本身不能提供负向电流，当电流减至 0 后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，从上到下记录相应的输出电压。电流至一 100mA 后，逐渐减小负向电流，电流到 0 时同样需要交换恒流输出接线的极性。从下到上记录数据于“增大磁场”列中。根据螺线管上表明的线圈密度，由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度 B。由欧姆定律 R=U/I 计算磁阻。以磁感应强度 B 作横坐标，磁阻为纵坐标做出磁阻特性曲线。应该注
14、意，由于模拟传感器的两个磁阻是位于磁通聚集器中，与图 3 相比，我们作出的磁阻曲线斜率大了约 10 倍，磁通聚集器结构使磁阻灵敏度大大提高。不同外磁场强度时磁阻的变化反映了 GMR 的磁阻特性，同一外磁场强度的差值反映了材料的磁滞特性。表 2 GMR 磁阻特性的测量（磁阻两端电压 4V）磁阻 /磁感应强度/高斯减小磁场 增大磁场励磁电流/mA 磁感应强度/高斯 磁阻电流/mA 磁阻/ 磁阻电流/mA 磁阻/100 30.1584 1.882 2125.3985 1.88 2127.6596 90 27.1426 1.882 2125.3985 1.88 2127.6596 80 24.1267
15、 1.881 2126.5284 1.88 2127.6596 70 21.1109 1.88 2127.6596 1.879 2128.7919 60 18.0950 1.879 2128.7919 1.877 2131.0602 50 15.0792 1.875 2133.3333 1.87 2139.0374 40 12.0634 1.85 2162.1622 1.837 2177.4633 30 9.0475 1.805 2216.0665 1.789 2235.8860 20 6.0317 1.758 2275.3129 1.746 2290.9507 10 3.0158 1.718
16、 2328.2887 1.709 2340.5500 5 1.5079 1.7 2352.9412 1.692 2364.0662 0 0.0000 1.685 2373.8872 1.682 2378.1213 -5 -1.5079 1.694 2361.2751 1.699 2354.3261 -10 -3.0158 1.709 2340.5500 1.717 2329.6447 -20 -6.0317 1.745 2292.2636 1.755 2279.2023 -30 -9.0475 1.788 2237.1365 1.802 2219.7558 7-40 -12.0634 1.83
17、4 2181.0251 1.848 2164.5022 -50 -15.0792 1.869 2140.1819 1.874 2134.4717 -60 -18.0950 1.877 2131.0602 1.878 2129.9255 -70 -21.1109 1.879 2128.7919 1.879 2128.7919 -80 -24.1267 1.88 2127.6596 1.88 2127.6596 -90 -27.1426 1.88 2127.6596 1.88 2127.6596 -100 -30.1584 1.88 2127.6596 1.88 2127.6596 -40.000
18、0_-20.0000_0.0000_20.0000_40.0000_2100.0000_2150.0000_2200.0000_2250.0000_2300.0000_2350.0000_2400.0000_Series 1 Series 2GMR磁阻特性的测量磁 感 应 强 度/ 高 斯磁阻/三、GRM 开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量表 3 GRM 开关传感器的磁电转换特性测量 高电平= 1 V 低电平= 0 V减小磁场 增大磁场开关动作励磁电流/mA磁感应强度/高斯开关动作励磁电流/mA磁感应强度/高斯关 20.4 6.1525 关 20.7 6.2430 开 23.6 7.11
19、76 开 23.3 7.0271 8四、用GMR模拟传感器测量电流GMR模拟传感器在一定的范围内输出电压与磁场强度成线性关系，且灵敏度高，线性范围大，可以方便的将GMR制成磁场计，测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量。作为应用示例，我们用它来测量电流。由理论分析可知，通有电流I的无限长直导线，与导线距离为r的一点的磁感应强度为：B = 0I/2r =2 I10-7/r （3）磁场强度与电流成正比，在r已知的条件下，测得B，就可知I。在实际应用中，为了使GMR模拟传感器工作在线性区，提高测量精度，还常常预先给传感器施加一固定已知磁场，称为磁偏置，其原理类似于电子电路中的直流偏置。模拟传感器测量电
20、流实验原理图实验装置：巨磁阻实验仪，电流测量组件实验仪的4伏电压源接至电流测量组件“巨磁电阻供电” ，恒流源接至“待测电流输入” ，电流测量组件“信号输出”接至实验仪电压表。将待测电流调节至0。将偏置磁铁转到远离GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约25mV。将电流增大到300mA，按表4数据逐渐减小待测电流，从左到右记录相应的输出电压于表格“减小电流”行中。由于恒流源本身不能提供负向电流，当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时电流方向为负，记录相应的输出电压。逐渐减小负向待测电流，从右到左记录相应的输出电压于表格“增加电流”行中。当电流减至0后，交换恒
21、流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时电流方向为正，记录相应的输出电压。将待测电流调节至0。将偏置磁铁转到接近GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约150mV。用低磁偏置时同样的实验方法，测量适当磁偏置时待测电流与输出电压的关系。表 4 用 GMR 模拟传感器测量电流待测电流/mA 300 200 100 0 -100 -200 -300低磁偏置 减小电 流 27.7 27 26.2 25.5 24.7 23.9 23输出电压/mV (约 25mV) 增加电流 28.1 27.3 26.4 25.7 24.9 24.1 239适当磁偏置减小电流 154.2 153.4 152
22、.4 151.5 150.5 149.4 148.2(约150mV)增加电流 154.4 153.3 152.2 151.2 150.2 149.2 148.2-400-300-200-1000100200300400147148149150151152153154155用GMR模拟传感器测量电待 测 电 流/mA低磁偏置(约150mV)20212223242526272829Series 1 Series 2待 测 电 流/mA低磁偏置(约25mV)10五、GMR梯度传感器的特性及应用将GMR电桥两对对角电阻分别置于集成电路两端，4个电阻都不加磁屏蔽，即构成梯度传感器。这种传感器若置于均匀磁
23、场中，由于4个桥臂电阻阻值变化相同，电桥输出为零。如果磁场存在一定的梯度，各GMR电阻感受到的磁场不同，磁阻变化不一样，就会有信号输出。图18以检测齿轮的角位移为例，说明其应用原理。将永磁体放置于传感器上方，若齿轮是铁磁材料，永磁体产生的空间磁场在相对于齿牙不同位置时，产生不同的梯度磁场。a位置时，输出为零。b位置时，R 1、R 2 感受到的磁场强度大于R 3、R 4，输出正电压。c位置时，输出回归零。d位置时，R 1、R 2 感受到的磁场强度小于R 3、R 4，输出负电压。于是,在齿轮转动过程中,每转过一个齿牙便产生一个完整的波形输出。这一原理已普遍应用于转速（速度）与位移监控，在汽车及其它
24、工业领域得到广泛应用。实验装置：巨磁阻实验仪、角位移测量组件。将实验仪4V电压源接角位移测量组件“巨磁电阻供电” ，角位移测量组件“信号输出”接实验仪电压表。逆时针慢慢转动齿轮，当输出电压为零时记录起始角度，以后每转3度记录一次角度与电压表的读数。转动48度齿轮转过2齿，输出电压变化2个周期。表4 齿轮角位移的测量转动角度/度 39 42 45 48 51 54 57 60 63输出电压/mV 0 15.9 27.2 10.3 -11 -1.5 -9.8 -44 -3.5转动角度/度 66 69 72 75 78 81 84 87 90输出电压/mV 13.2 24.5 6-14.5-2.7-10.8-44.8-4.7 12.8图 18 用 GMR梯 度 传 感 器 检 测 齿 轮 位 移 a b c d
