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巨磁电阻实验报告计划.docx

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文档介绍

文档介绍:巨磁电阻实验报告
【目的要求】
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
【原理简述】
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 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 ),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 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。


\


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 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 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, 为进一步提高灵敏度, 发展了自旋阀结构的 GMR。
【实验装置】
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;
【实验内容】
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。

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