巨磁阻效应实验(1).doc

近代物理实验报告专业 应用物理学 班级 11级 指导教师 马厂 姓名 实验时间 2013 年 月 日 实验地点 K7-402 实验名称 巨磁阻效应实验 实验三 巨磁阻效应实验【实验目的】1了解巨磁阻效应原理，了解巨磁阻传感器的原理及其使用方法；2学习巨磁阻传感器定标方法，用巨磁阻传感器测量弱磁场；3测定巨磁阻传感器敏感轴与被测磁场间夹角与传感器灵敏度的关系；4测定巨磁阻传感器的灵敏度与其工作电压的关系；5用巨磁阻传感器测量通电导线的电流大小。【实验原理】1 巨磁阻效应1988年,法国巴黎大学的研究小组首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁阻效应，在国际上引起很大的反响。巨磁阻（Giant Magneto Resistance）是一种层状结构，外层是超薄的铁磁材料（Fe,Co,Ni等），中间层是一个超薄的非磁性导体层（Cr,Cu,Ag等），这种多层膜的电阻随外磁场变化而显著变化。通常情况下，Cr,Cu,Ag等是良好的导体，但当它的厚度只有几个原子时，导体的电阻率会显著增加。在块状导体材料中，导体内电子由于会和其它微粒碰撞，所以在“散射”改变运动方向之前都要运动很长一段距离。在电子散射之前运动的距离的平均长度称为平均自由程。然而，在非常薄的材料中，电子的运动无法达到最大平均自由程。电子很可能直接运动到材料的表面并直接在那里产生散射，这导致了在非常薄的材料中平均自由程较短。因此导体中的电子要在这种材料中运动更加困难，导致导体电阻率的增大。巨磁阻的磁性层是用来抗铁磁耦合的。当没有外界磁场作用时，这两层材料的磁化是相互对立的。可以假设为两根“头尾相连”的条形磁铁（两个磁铁是平行的，其中一个的北极与另一个的南极同向），中间隔着一张薄塑料纸。巨磁阻材料中磁性层的磁化方向也是“头尾相连”的，中间是非磁性层。下图显示的是GMR材料结构内部的一些电子的射程。两个箭头指明了抗磁耦合。图1 抗磁耦合图示注意：电子是散射到两个GMR材料的表面。这是因为电子从上层自旋试图进入下层自旋，反之亦然。由于电子自旋的不同，电子比较有可能散射到两个表面。这种情况的结局是导电电子的平均自由程的长度相当短，从而导致了材料具有相对高的电阻率。如果外加在GMR材料上的外界磁场足够大，它就能够克服两个磁性层之间磁化的抗磁耦合。这种条件下，两个薄层的电子都会做同样的自旋。这时，电子便容易在巨磁阻材料中运动，电子的平均自由程增长，导致巨磁阻材料的电阻率降低。图2 顺磁耦合图示这种电阻随外磁场变化而显著变化的现象即为巨磁阻效应。巨磁阻材料在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景，美国、日本和西欧都对发展巨磁阻材料及其在高新技术上的应用投入了很大的力量。IBM公司研制成巨磁阻读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，从而使磁盘在与光盘的竞争中重新处于领先地位。利用巨磁阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器（MRAM），其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。由于巨磁阻效应易使器件小型化，廉价化，可应用于测量位移，角度等传感器中，可广泛应用于数控机床，汽车测速，非接触开关，旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能工作于恶劣的工作条件等优点。2巨磁阻传感器本仪器所用巨磁阻传感器采用惠斯登电桥，磁通屏蔽和磁通集中器。在传感器基片上镀一层很厚的磁性材料，这块材料对其下方的巨磁阻电阻器形成屏蔽，不让任何外加磁场进入被屏蔽的电阻器。惠斯登电桥中的两个电阻器（在桥的两个相反的支路上）在磁性材料的上方，受外界场强的作用，而另外两个电阻器在磁性材料的下方，从而受到屏蔽而不受外界磁场作用。当外界磁场作用时，前两个电阻器的电阻值下降，而后两个电阻值保持不变，这样在电桥的终端就有一个信号输出。DCBA图3 惠斯登电桥图示传感器输出U输出=Uout+-Uout-=VRBC/(RAB+RBC)- VRCD/(RAD+RCD)若RAB=RBC=RCD=RAD，在无加场强时，U输出=Uout+-Uout-0当存在外场强时，未被屏蔽的巨磁电阻器RBC，RAD电阻值减小，而受屏蔽的巨磁阻电阻器RAB，RCD电阻值不变。则U输出=VRBC/(RAB+RBC)- VRCD/(RAD+RCD)V即在相同场强条件下，传感器输出与传感器的工作电压成正比，即传感器灵敏度与其工作电压成正比。另外，镀层还可以使磁通集中器放置在基片上。磁通集中器使原来的传感器灵敏度增大了2100倍。它收集垂直于传感器管脚方向上的磁通量并把他们聚集在芯片中心的GMR电桥的电阻器上。如图所示，垂直于传感器管脚的方向为巨磁阻传感器的敏感轴方向。当外磁场方向平行于传感器敏感轴方向时，传感器的输出信号最大。在相同场强下，当外场强方向平行于传感器敏感轴方向时，传感器输出最大。当外场强方向偏离传感器敏感轴方向时，传感器输出与偏离角度成余弦关系。即传感器灵敏度与偏离角度成余弦关系。S()=S(0)COS图4 巨磁阻传感器图示巨磁阻传感器应用广泛，可用来测量磁场、位移、角度、电流等，可制成测速仪、定向仪，也可用于车辆监控、航运、验钞等方面，另外巨磁阻传感器在医疗方面也有很大应用。本仪器主要介绍了巨磁阻传感器在测量电流方面的应用。GMR磁场传感器能有效的检测有电流产生的磁场。下图所示的传感器封装是用来检测通电导线产生的磁场。导线可放在芯片的上方或下方，但必须垂直于敏感轴。通电导线在导线周围辐射状地布满磁场。当传感器中的GMR材料感应到磁场，传感器的输出引脚就产生一个差分输出。磁场强度与通过导线的电流成正比。当电流增大时，周围的磁场增大，传感器的输出也增大。同样，当电流减小时，周围磁场和传感器输出都减小。图5 传感器测电流图示【实验仪器】FD-GMR-A巨磁阻效应实验仪，包括实验主机、亥姆霍兹线圈实验装置、连接导线等【实验过程】将巨磁阻传感器调整到亥姆霍兹线圈公共轴的中点，旋转传感器内盘，使外盘的刻度线对准内盘0，调整传感器外盘，使传感器管脚方向与磁感应强度方向垂直（此时巨磁阻传感器敏感轴与磁场方向平行），用水平仪调整转盘水平，用5芯航空线连接主机和实验装置。实验一 学习巨磁阻传感器定标方法，用巨磁阻传感器测量弱磁场1将主机恒流源用波段开关扳向线圈电流方向，将亥姆霍兹线圈用红黑导线串联起来，并与主机上的线圈用恒流源相连；2打开主机，将线圈电流调零，传感器工作电压调为5V，将传感器放大倍数档调至1档，将传感器输出调零。逐渐升高线圈电流，可以看见传感器输出逐渐增大，将线圈电流和传感器输出再次归零；3将线圈电流由零开始逐渐增大，每隔0.05A记一次传感器输出，以传感器输出为Y轴，线圈电流值为X轴作图；4用亥姆霍磁线圈产生磁场作为已知量，得到巨磁阻传感器（传感器敏感轴与磁感应强度方向平行且传感器工作电压为5V时）的灵敏度。实验二 测定巨磁阻传感器敏感轴与被测磁场夹角与传感器灵敏度的关系步骤1，2同实验一3将线圈电流调高至0.6A，记下零度时传感器的输出（即传感器敏感轴与磁感应强度方向平行时），旋转传感器转盘，每隔5记一次传感器输出。以传感器输出为Y轴，角度为X轴作图，得到传感器敏感轴与被测磁场夹角与传感器灵敏度的关系；4若时间充足，可改变传感器工作电压或改变线圈电流再测几组数据（注意，每次改变巨磁阻工作电压后，传感器输出要重新调零）。实验三 测定巨磁阻传感器的灵敏度与其工作电压的关系步骤1同实验一2将线圈电流调零，将传感器工作电压调为2V，将传感器放大倍数档调至1档，巨磁阻传感器输出调零，将线圈电流逐渐增大，每隔0.05A记一次传感器输出，作图，得到传感器工作电压为2V时传感器的灵敏度；3将传感器的工作电压调高，可每隔1V或2V测一次灵敏度，以传感器灵敏度为Y轴，传感器工作电压为X轴作图，得到传感器的灵敏度与其工作电压的关系。实验四 用巨磁阻传感器测量通电导线的电流大小1将主机恒流源用波段开关扳向被测电流方向，用红黑导线将实验装置黑色底板上的被测电流插座与主机上的对应插座相连；2将被测电流调零，将传感器工作电压调为5V，将传感器放大倍数档调至10档，巨磁阻传感器输出调零，逐渐升高被测电流，可以看见传感器输出逐渐增大，将被测电流和传感器输出再次归零；3将被测电流由零开始逐渐增大，每隔0.1A或0.2A记一次传感器输出，以传感器输出为Y轴，被测电流值为X轴，作图，得到被测电流大小与传感器输出的关系4若时间充足，可改变传感器工作电压再测几组数据（注意，每次改变巨磁阻工作电压后，传感器输出要重新调零）【实验数据】（注：以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考）实验一线圈电流/A传感器输出V/线圈电流/A传感器输出/V线圈电流/A传感器输出/V线圈电流/A传感器输出/V000.250.2180.500.4720.750.7060.050.0410.300.2670.550.5250.800.7480.100.0820.350.3190.600.5720.150.1240.400.3710.650.6210.200.1700.450.4220.700.667y = 0.9645x - 0.0137 R2 = 0.9991实验二巨磁阻传感器工作电压为5V时角度/传感器输出/V角度/传感器输出/V角度/传感器输出/V角度/传感器输出/V00.476250.428500.291750.10850.473300.407550.256800.073100.468350.382600.221850.037150.459400.355650.183900.004200.444450.325700.145巨磁阻传感器工作电压为12V时角度/传感器输出/V角度/传感器输出/V角度/传感器输出/V角度/传感器输出/V01.155251.037500.704750.26151.150300.987550.619800.173101.135350.926600.530850.088151.111400.858650.442900.009201.077450.785700.352实验三工作电压/V线圈电流/A2V3V4V5V6V7V00000000.050.0160.0230.0330.0410.0490.0570.100.0320.0480.0660.0820.0980.1140.150.0500.0750.1020.1240.1520.1730.200.0690.1030.1380.1700.2050.2430.250.0880.1320.1760.2180.2640.3060.300.1070.1620.2170.2670.3240.3770.350.1270.1930.2560.3190.3840.4500.400.1480.2230.2960.3710.4440.5180.450.1690.2550.3410.4220.5070.5910.500.1910.2860.3800.4720.5680.6630.550.2100.3170.4220.5250.6280.7370.600.2290.3470.4590.5720.6870.8030.650.2480.3760.4970.6210.7440.8720.700.2660.4040.5330.6670.7990.9320.750.2840.4290.5680.7060.8490.9900.800.3000.4540.6000.7480.8961.047工作电压/V线圈电流/A8V9V10V11V12V0000000.050.0660.0710.0820.0860.0980.100.1310.1450.1640.1780.1930.150.2010.2260.2540.2760.3030.200.2720.3090.3410.3780.4110.250.3480.3970.4360.4850.5270.300.4310.4870.5380.5960.6450.350.5080.5800.6410.7090.7700.400.5950.6730.7440.8250.8950.450.6740.7680.8480.9401.0150.500.7600.8610.9541.0541.1370.550.8400.9531.0501.1661.2650.600.9201.0431.1491.2771.3860.650.9961.1291.2421.3821.4950.701.0651.2111.3311.4831.6020.751.1321.2901.4171.5781.7050.801.1981.3631.4991.6681.798y = 0.3866x - 0.0056 R2 = 0.9992y = 0.5861x - 0.0093 R2 = 0.9991y = 0.7723x - 0.0099 R2 = 0.9992y = 0.9645x - 0.0137 R2 = 0.9991y = 1.1551x - 0.0151 R2 = 0.9992y = 1.3508x - 0.0184 R2 = 0.9991y = 1.545x - 0.0217 R2 = 0.999y = 1.7592x - 0.0269 R2 = 0.9991y = 1.931x - 0.0259 R2 = 0.9991y = 2.1536x - 0.0332 R2 = 0.9991y = 2.323x - 0.0325 R2 = 0.9991工作电压/V2V3V4V5V6V7V灵敏度/V/A0.3870.5860.7720.9641.1551.351工作电压/V8V9V10V11V12V灵敏度/V/A1.5451.7601.9312.1542.323y = 0.1955x - 0.0136 R2 = 0.9998实验四巨磁阻传感器工作电压为5V时被测电流/A传感器输出V/被测电流/A传感器输出/V被测电流/A传感器输出/V被测电流/A传感器输出/V002.620.0365.200.0727.770.1090.210.0032.790.0385.410.0757.990.1120.420.0063.010.0415.600.0778.170.1140.590.0083.210.0445.800.0808.390.1170.810.0113.420.0475.970.0838.570.1201.010.0143.590.0496.180.0868.780.1231.210.0163.780.0526.360.0899.010.1261.400.0193.980.0556.580.0929.230.1291.600.0224.180.0576.780.0959.400.1311.810.0254.400.0606.960.0979.610.1342.030.0284.600.0637.190.1009.810.1372.210.0304.790.0667.380.1039.980.1392.390.0334.970.0687.580.106y = 0.0331x - 0.0017 R2 = 0.9999巨磁阻传感器工作电压为12V时被测电流/A传感器输出V/被测电流/A传感器输出/V被测电流/A传感器输出/V被测电流/A传感器输出/V002.590.0845.190.1697.820.2570.190.0062.770.0905.380.1768.010.2640.390.0122.970.0965.590.1838.190.2700.580.0183.190.1035.770.1898.400.2770.790.0253.390.1106.000.1978.590.2830.980.0313.510.1146.200.2038.790.2901.180.0383.780.1236.390.2109.000.2971.390.0453.960.1296.610.2179.200.3041.600.0524.190.1366.820.2249.420.3111.780.0574.370.1427.010.2319.620.3181.980.0644.580.1497.220.2389.790.3232.180.0704.790.1567.410.24410.020.3292.380.0774.980.1627.600.250y = 0.0331x - 0.0017 R2 = 0.9999【注意事项】1在各个实验中，均需注意地磁场对实验产生的影响；2使用磁性传感器时，应尽量避免铁质材料和可以产生磁性的材料在传感器附近出现；【实验数据】1. 实验一 学习巨磁阻传感器定标方法，用巨磁阻传感器测量弱磁场线圈电流/A0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 传感器输出/V0.000 0.027 0.056 0.086 0.116 0.146 0.177 线圈电流/A0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 传感器输出/V0.208 0.237 0.266 0.287 0.300 0.306 表一 传感器工作电压为5V时，传感器输出随线圈电流变化数值表由拟合直线方程可知：传感器工作电压为5V时，磁阻传感器的灵敏度= 0.54602. 实验二 测定巨磁阻传感器敏感轴与被测磁场夹角与传感器灵敏度的关系 表2 线圈电流为0.6A时，传感器输出随敏感轴与被测磁场夹角变化数值表角度/传感器输出/V角度/传感器输出/V角度/传感器输出/V角度/传感器输出/V00.306250.294500.206750.05550.306300.285550.178800.022100.305350.271600.149850.017150.303400.253650.117900.011200.300 450.231700.0861000.006 3.实验三 测定巨磁阻传感器的灵敏度与其工作电压的关系 表3 不同工作电压下，传感器输出随线圈电流变化数值表 工作电压/V线圈电流/A2V5V8V10V00.000 0.000 0.000 0.000 0.050.003 0.027 0.056 0.073 0.100.015 0.056 0.101 0.134 0.150.027 0.086 0.147 0.195 0.200.039 0.116 0.194 0.254 0.250.051 0.146 0.243 0.317 0.300.064 0.177 0.292 0.375 0.350.076 0.208 0.339 0.439 0.400.088 0.237 0.385 0.497 0.450.100 0.266 0.430 0.548 0.500.111 0.287 0.464 0.588 0.550.119 0.300 0.487 0.611 0.600.123 0.306 0.496 0.621 表4 灵敏度随工作电压变化关系表工作电压/V拟合直线方程灵敏度K2y=0.0112x-0.01580.01125y=0.027