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。
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。