巨磁电阻效应及应用实验报告

巨磁电阻效应及其应用

2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。”

凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。

人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。

图 1 反铁磁有序

后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如错误！未找到引用源。所示。则磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。

直接交换作用的特征长度为0.1～0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因此取得“超晶格”的名称。上世纪八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序，层间耦合，电子输运等进行了广泛的基础方面的研究。

德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态。研究对象是一个三明治结构的薄膜，两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm 的铬层。选择这个材料系统并不是偶然的，首先金属铁和铬是周期表上相近的元素，具有类似的电子壳层，容易实现两者的电子状态匹配。其次，金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同，它们之间晶格结构也是匹配的，这两类匹配非常有利于基本物理过程的探索。但是，很长时间以来制成的三明治薄膜都是多晶体，格伦贝格尔和很多研究者一样，并没有特别的发现。直到1986年，他采用了分子束外延(MBE)方法制备薄膜，样品成分还是铁-铬-铁三层膜，不过已经是结构完整的单晶。在

此金属三层膜上利用光散射以获得铁磁矩的信息，实验中逐步减小薄膜上的外磁场，直到取消外磁场。他们发现，在铬层厚度为0.8nm的铁-铬-铁三明治中，两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行(较强磁场下)转变为反平行(弱磁场下)。换言之，对于非铁磁层铬的某个特定厚度，没有外磁场时，两边铁磁层磁矩是反平行的，这个新现象成为巨磁电阻效应出现的前提。既然磁场可以将三明治两个铁磁层磁矩在彼此平行与反平行之间转换，相应的物理性质会有什么变化？格伦贝格尔接下来发现，两个磁矩反平行时对应高电阻状态，平行时对应低电阻状态，两个电阻的差别高达10%。格伦贝格尔将结果写成论文，与此同时，他申请了将这种效应和材料应用于硬盘磁头的专利。当时的申请需要一定的胆识，因为铁-铬-铁三明治上出现巨磁电阻效应所需磁场高达上千高斯，远高于硬盘上磁比特单元能够提供的磁场，但日后不断改进的结构和材料，使这个设想成为现实。

另一方面，1988年巴黎十一大学固体物理实验室物理学家阿尔贝·费尔的小组将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁-铬超晶格，也称为周期性多层膜。他们发现，当改变磁场强度时，超晶格薄膜的电阻下降近一半，即磁电阻比率达到50%。他们称这个前所未有的电阻巨大变化现象为巨磁电阻，并用两电流模型解释这种物理现象。显然，周期性多层膜可以被看成是若干个格伦贝格尔三明治的重叠，所以德国和法国的两个独立发现实际上是同一个物理现象。

人们自然要问，在其它过渡金属中，这个奇特的现象是否也存在？IBM公司的斯图尔特·帕金( S. P. Parkin ) 给出了肯定的回答。1990年他首次报道，除了铁-铬超晶格，还有钴-钌和钴-铬超晶格也具有巨磁电阻效应。并且随着非磁层厚度增加，上述超晶格的磁电阻值振荡下降。在随后的几年，帕金和世界范围的科学家在过渡金属超晶格和金属多层膜中，找到了20种左右具有巨磁电阻振荡现象的不同体系。帕金的发现在技术层面上特别重要。首先，他的结果为寻找更多的GMR材料开辟了广阔空间，最后人们的确找到了适合硬盘的GMR材料，1997年制成了GMR磁头。其次，帕金采用较普通的磁控溅射技术，代替精密的MBE方法制备薄膜，目前这已经成为工业生产多层膜的标准，磁控溅射技术克服了物理发现与产业化之间的障碍。使巨磁电阻成为基础研究快速转换为商业应用的国际典范。同时，巨磁电阻效应也被认为是纳米技术的首次真正应用。

诺贝尔奖委员会还指出：“巨磁电阻效应的发现打开了一扇通向新技术世界的大门—自旋电子学，这里，将同时利用电子的电荷以及自旋这两个特性。”

GMR作为自旋电子学的开端具有深远的科学意义。传统的电子学是以电子的电荷移动为基础的，电子自旋往往被忽略了。巨磁电阻效应表明，电子自旋对于电流的影响非常强烈，电子的电荷与自旋两者都可能载运信息。自旋电子学的研究和发展，引发了电子技术与信息技术的一场新的革命。目前电脑，音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头，基本上都应用了巨磁电阻效应。利用巨磁电阻效应制成的多种传感器，已广泛应用于各种测量和控制领域。除利用铁磁膜-金属膜-铁磁膜的GMR效应外，由两层铁磁膜夹一极薄的绝缘膜或半导体膜构成的隧穿磁阻(TMR)效应，已显示出比GMR效应更高的灵敏度。除在多层膜结构中发现GMR效应，并已实现产业化外，在单晶，多晶等多种形态的钙钛矿结构的稀土锰酸盐中，以及一些磁性半导体中，都发现了巨磁电阻效应。

本实验介绍多层膜GMG效应的原理，并通过实验让学生了解几种GMR传感器的结构、特性及应用领域。

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.测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线。

5.用GMR传感器测量电流。

6.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。

图 3 某种GMR 材料的磁阻特性

磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆

7. 通过实验了解磁记录与读出的原理。

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则散射运动的叠加。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=ρl/S 中，把电阻率ρ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。

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

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ΔR/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3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 。如图4所示。

自旋阀结构的SV-GMR(Spin valve GMR)由钉扎层、被

钉扎层、中间导电层和自由层构成。其中，钉扎层使用反

铁磁材料，被钉扎层使用硬铁磁材料，铁磁和反铁磁材料

在交换耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场将被钉扎层的磁化方向固定，不随外磁场改变。自由层使用软铁磁材料，它的磁化方向易于随外磁场转动。这样，很弱的外磁场就会改变自由层与被钉扎层磁场的相对取向，对应于很

高的灵敏度。制造时，使自由层的初始磁化方向与被钉扎层垂直，磁记录材料的磁化方向与被钉扎层的方向相同或相反（对应于0或1），当感应到磁记录材料的磁场时，自由层的磁化方向就向与被钉扎层磁化方向相同（低电阻）或相反（高电阻）的方向偏转，检测出电阻的变化，就可确定记录材料所记录的信息，硬盘所用的GMR 磁头就采用这种结构。

我们实验仪器GMR 材料的多层结构是基于一个Ni-Fe-Co 磁性层和Cu 间隔层。

仪器介绍

1.

实验仪

图 5 巨磁阻实验仪操作面板

图5所示为实验系统的实验仪前面板图。

区域1——电流表部分：作为一个独立的电流表使用。

图 4 自旋阀SV-GMR 结构图 自由层

中间导电层

被钉扎层

钉扎层

区域1

区域2

区域3

两个档位：2mA档和20mA档，可通过电流量程切换开关选择合适的电流档位测量电流。

区域2——电压表部分：作为一个独立的电压表使用。

两个档位：2V档和200mV档，可通过电压量程切换开关选择合适的电压档位。

区域3——恒流源部分：可变恒流源。

实验仪还提供GMR传感器工作所需的4V电源和运算放大器工作所需的±8V电源。

2.基本特性组件

图 6 基本特性组件

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=μ0nI （1）式中n为线圈密度，I为流经线圈的电流强度，μ0=4π×10-7H/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）。

3.电流测量组件

图7 电流测量组件

电流测量组件将导线置于GMR模拟传感器近旁，用GMR传感器测量导线通过不同大小电流时导线周围的磁场变化，就可确定电流大小。与一般测量电流需将电流表接入电路相比，这种非接触测量不干扰原电路的工作，具有特殊的优点。

4.角位移测量组件

图8 角位移测量组件

角位移测量组件用巨磁阻梯度传感器作传感元件，铁磁性齿轮转动时，齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场的分布，使梯度传感器输出发生变化，每转过一齿，就输出类似正弦波一个周期的波形。利用该原理可以测量角位移（转速，速度）。汽车上的转速与速度测量仪就是利用该原理制成的。

5.磁读写组件

图9 磁读写组件

磁读写组件用于演示磁记录与读出的原理。磁卡做记录介质，磁卡通过写磁头时可写入数据，通过读磁头时将写入的数据读出来。

实验内容与步骤

1. 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，图10是某型号传感器的结构。

图 10 GMR 模拟传感器结构图

R 2

R 1

R 3 R 4

输出－ 输入＋

a 几何结构

对于电桥结构，如果4个GMR 电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。图10中，将处在电桥对角位置的两个电阻R 3、R 4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R 1、R 2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 ，R 1、R 2在外磁场作用下电阻减小ΔR ，简单分析表明，输出电压：

U OUT =U IN ΔR/（2R-ΔR ）

（2） 屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在R 1、R 2电阻所在的空间,进一步提高了R 1、R 2的磁灵敏度。

从图10的几何结构还可见，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kΩ，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出。

图11是某GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线。图12是磁电转换特性的测量原理图。

图 12 模拟传感器磁电转换特性实验原理图

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“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”，恒流输出接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“模拟信

图 11 GMR 模拟传感器的磁电转换特性 输出/V

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。由于恒流输出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－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。

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。

表 1 GMR模拟传感器磁电转换特性的测量电桥电压4V

根据螺线管上标明的线圈密度，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做出磁电转换特性曲线。

不同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。

2.GMR磁阻特性测量

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，就可计算磁阻。测量原理如图13所示。

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“巨磁电阻供电”，恒流输出接至“螺线管电流输入”。

图13 磁阻特性测量原理图

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。由于恒流输出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－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。

表 2 GMR磁阻特性的测量磁阻两端电压4V

根据螺线管上标明的线圈密度，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，磁阻为纵坐标作出磁阻特性曲线。应该注意，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，我们做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，同一外磁场强度下磁阻的差值反映了材料的磁滞特性。

3. GMR 开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量

将GMR 模拟传感器与比较电路，晶体管放大电路集成在一起，就构成GMR 开关（数字）传感器，结构如图14所示。

比较电路的功能是，当电桥电压低于比较电压时，输出低电平；当电桥电压高于比较电压时，输出高电平。选择适当的GMR 电桥并结合调节比较电压，可调节开关传感器开关点对应的磁场强度。

图 14 GMR 开关传感器结构图 图 15 GMR 开关传感器磁电转换特性 GMR 电桥

比较电路

输出

输出电压/V

磁场强度 /高斯

开

开

关 关

图15是某种GMR 开关传感器的磁电转换特性曲线。当磁场强度的绝对值从低增加到12高斯时，开关打开（输出高电平），当磁场强度的绝对值从高减小到10高斯时，开关关闭（输出低电平）。

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“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”，“电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”输入插孔，恒流输出接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“开关信号输出”接至实验仪电压表。

从50mA 逐渐减小励磁电流，输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的励磁电流于表 3“减小磁场”列中。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，输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的负值励磁电流于表 3“减小磁场”列中。将电流调至－50mA 。

逐渐减小负向电流，输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的负值励磁电流于表 3“增大磁场”列中，电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的正值励磁电流于表 3“增大磁场”列中。

表 3 GMR 开关传感器的磁电转换特性测量 高电平＝ V 低电平＝ V

根据螺线管上标明的线圈密度，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，电压读数为纵坐标做出开关传感器的磁电转换特性曲线。

利用GMR开关传感器的开关特性已制成各种接近开关，当磁性物体（可在非磁性物体上贴上磁条）接近传感器时就会输出开关信号。广泛应用在工业生产及汽车，家电等日常生活用品中，控制精度高，恶劣环境（如高低温，振动等）下仍能正常工作。

注意事项

1.由于巨磁阻传感器具有磁滞现象，因此，在实验中，恒流输出只能单方向调节，不可回调。

否则测得的实验数据将不准确。实验表格中的电流只是作为一种参考，实验时以实际显示

的数据为准。

2.测试卡组件不能长期处于“写”状态。

3.实验过程中，实验环境不得处于强磁场中。

巨磁电阻效应及其应用 实验报告

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=ρl/S 中，把电阻率ρ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。 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 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 ΔR/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。 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆

磁电阻与巨磁电阻实验报告

磁电阻与巨磁电阻 姓名：刘一宁班级:核32 指导教师：王合英实验日期：2015.03.13 【摘要】：本实验使用了由基本电路原理配合巨磁电阻原件制作的一套巨磁电阻实验仪，通过改变巨磁电阻处的磁场测量了巨磁电阻的磁阻特性曲线、磁电转换特性曲线，并在体验了其在测量电流、测量转速、磁读写等方面的应用。最后获得了巨磁电阻词组特性曲线、GMR 模拟传感器的磁电转换曲线、GMR开关传感器的磁电转换特性曲线、巨磁电阻测量电流的数据、齿轮旋转过程中巨磁电阻梯度传感器输出电压曲线、磁信号读出情况，自旋阀磁电阻两个不同角度的磁阻特性曲线。发现巨磁电阻的磁阻随磁场变大而减小，且与方向无关，但是其存在磁滞现象。而自旋阀磁电阻则在磁场由一个方向磁饱和变化到另一个方向磁饱和的过程中磁电阻不断减小或增加，这与磁电阻和磁场的角度有关，且在0磁场附近变化特别明显。 关键词：巨磁电阻、自旋阀磁电阻、磁阻特性曲线、磁电转换特性 一、引言： 1988年法国巴黎大学的肯特教授研究小组首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应，在国际上引起了很大的反响。20世纪90年代，人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。 1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达5Gbit/in2，最近达到11Gbit/in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外同样可应用于测量位移，角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床，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，

巨磁电阻实验报告

巨磁电阻实验报告

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=ρl/S中，把电阻率ρ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。 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

磁阻效应及磁阻传感器实验

一、实验题目：磁阻效应及磁阻传感器的特性研究 二、实验目的：1、了解磁阻效应的基本原理及测量磁阻效应的方法； 2、测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系； 3、画出锑化铟传感器电阻变化与磁感应强度的关系曲线，并进行相应的曲线 和直线拟合； 4、学习用磁阻传感器测量磁场的方法。 三、实验原理： 磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。和霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到的洛仑兹力而产生的。若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。磁阻效应还与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其电阻不同，该效应称为几何磁阻效应。由于半导体的电阻率随磁场的增加而增加，有人又把该磁阻效应称为物理磁阻效应。目前，磁阻效应广泛应用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储（磁卡、硬盘）等领域。 一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B变化规律称为磁阻效应。如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，则小于此速度的电子将沿霍尔电场作用的方向偏转，而大于此速度的电子则沿相反方向偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，即沿电场方向的电流密度减小，电阻增大，也就是由于磁场的存在，增加了电阻，此现象称为磁阻效应。如果将图1中U H短路，磁阻效应更明显。因为在上述的情况里，磁场与外加电场垂直，所以该磁阻效应称为横向磁阻效应。 当磁感应强度平行于电流时，是纵向情况。若载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向无关，纵向磁感应强度不引起载流子漂移运动的偏转，因而没有纵向霍尔效应的磁阻。而对于载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向有关的情形，若作用力的方向不在载流子的有效质量和弛豫时间的主轴方向上，此时，载流子的加速度和漂移移动方向与作用力的方向不相同，也可引起载流子漂移运动的偏转现象，其结果总是导致样品的纵向电流减小电阻增加。在磁感应强度与电流方向平行情况下所引起的电阻增加的效应，被称为纵向磁阻效应。 通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ（0）表示。其中ρ（0）为零磁场时的电阻率，设磁电阻电阻值在磁感受应强度为B的磁场的电阻率为ρ（B），则Δρ=ρ（B）－ρ（0）。由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/ R（0）正比于Δρ/ρ（0），这里ΔR=R （B）－R（0）。因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量ΔR/ R（0）来表示磁阻效应的大小。 测量磁电阻电阻值R与磁感应强度B的关系实验装置及线路如图2所示。尽管不同的磁阻装置有不同的灵敏度，但其电阻的相对变化率ΔR/ R（0）与外磁场的关系都是相似的。实验证明，磁阻效应对外加磁场的极性不灵敏，就是正负磁场的相应相同。一般情况下外加磁场较弱时，电阻相对变化率ΔR/ R（0）正比于磁感应强度B的二次方；随磁场的加强，ΔR/ R （0）与磁感应强度B呈线性函数关系；当外加磁场超过特定值时，ΔR/ R（0）与磁感应强

巨磁电阻效应及其应用实验报告

巨磁电阻效应及其应用实 验报告 The following text is amended on 12 November 2020.

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。 ;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。 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ΔR/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。

巨磁电阻实验报告

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=ρl/S 中，把电阻率ρ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。 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 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 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆

实验报告磁阻传感器和地磁场的测量

实验报告磁阻传感器和 地磁场的测量 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】

磁阻传感器和地磁场的测量 一． 实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。 二．实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图6-8-1所示。薄膜的电阻率 )(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。 HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图6-8-2所示，图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电 阻值变化有增有减。因而输出电压out U 可以用下式表示为b out V R R U ??? ? ???=

巨磁电阻效应及应用实验

巨磁电阻效应及其应用 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。 图 1 反铁磁有序 后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如错误!未找到引用源。所示。则磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。 直接交换作用的特征长度为0.1～0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因此取得“超晶格”的名称。上世纪八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序，层间耦合，电子输运等进行了广泛的基础方面的研究。 德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态。研究对象是一个三明治结构的薄膜，两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm 的铬层。选择这个材料系统并不是偶然的，首先金属铁和铬是周期表上相近的元素，具有类似的电子壳层，容易实现两者的电子状态匹配。其次，金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同，它们之间晶格结构也是匹配的，这两类匹配非常有利于基本物理过程的探索。但是，很长时间以来制成的三明治薄膜都是多晶体，格伦贝格尔和很多研究者一样，并没有特别的发现。直到1986年，他采用了分子束外延(MBE)方法制备薄膜，样品成分还是铁-铬-铁三层膜，不过已经是结构完整的单晶。在

巨磁阻效应实验报告

巨磁阻效应实验报告 篇一:磁阻效应实验报告 近代物理实验报告 专业2011级应用物理学班级(2) 指导教师彭云雄姓名同组人 实验时间 2013 年 12 月23 日实验地点 K7-108 实验名称磁阻效应实验 一、实验目的 1、 2、 3、 4、测量电磁铁的磁感应强度与励磁电流的关系和电磁铁磁场分布。测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系。作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。对此关系曲线的非线性区域和线性区域分别进行拟合。 二、实验原理 图1磁阻效应原理 1 一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。 如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。若将图1中a端和b端短路，则磁阻效应更明显。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ(0)表示。其中ρ(0)为零磁场时的电阻率，设磁电阻在磁感应强度为B的磁场中电阻率为ρ(B)，则

Δρ=ρ(B)-ρ(0)。由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/R(0)正比于 Δρ/ρ(0)，这里ΔR=R(B)-R(0)，因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量 ΔR/R(0)来表示磁阻效应的大小。 图2 图2所示实验装置，用于测量磁电阻的电阻值R与磁感应强度B之间的关系。实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率ΔR/R(0)正比于磁感应强度B的平方，而在强磁场中ΔR/R(0)与磁感应强度B呈线性关系。磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。 2 如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦波交流磁场中，由于磁电阻相对变化量ΔR/R(0)正比于B，则磁阻传感器的电阻值R将随角频率2ω作周期性变化。即在弱正弦波交流磁场中，磁阻传感器具有交流电倍频性能。若外界交流磁场的磁感应强度B为 B=B0COSωt (1) (1)式中，B0为磁感应强度的振幅，ω为角频率，t为时间。 2设在弱磁场中ΔR/R(0)=KB(2) (2)式中，K为常量。由(1)式和(2)式可得 R(B)=R(0)+ΔR=R(0)+R(0)×[ΔR/R(0)] 22=R(0)+R(0)KB0COSωt 2 1212R(0)KB0+R(0)KB0COS2ωt (3) 22 1122(3)式中，R(0)+R(0)KB0为不随时间变化的电阻值，而R(0)KB0cos2ωt为以角频22=R(0)+ 率2ω作余弦变化的电阻值。因此，磁阻传感器的电阻值在弱正弦波交流磁场中，将产生倍频交流电阻阻值变化。

实验报告磁阻传感器和地磁场的测量

磁阻传感器和地磁场的测量 一．实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。 二．实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图6-8-1所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式 θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。

HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图6-8-2而输出电压out U 可以用下式表示为b out V R R U ??? ? ???= 磁阻传感器的构造示意图 磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压，如V V b 00.6=，HMC1021Z 磁阻传感器输出电压out U 与外界磁场的磁感应强度成正比关系，KB U U out +=0 上式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。0U 为外加磁场为零时传感器的输出量。 由于亥姆霍兹线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为：I R NI B 42 /301096.445 8 -?== μ 上式中N 为线圈匝数（500匝）；亥姆霍兹线圈的平均半径cm R 10=；真空磁导率270/104A N -?=πμ。

磁电阻测量实验报告

竭诚为您提供优质文档/双击可除磁电阻测量实验报告 篇一：巨磁电阻实验报告 实验报告班 姓名张涛学号1003120505指导老师徐富新 实验时间20XX年5月25日，第十三周，星期日 篇二：_磁电阻特性_实验报告 实验8-1Insb磁电阻特性研究 【实验目的】 1、掌握磁感应强度的测量方法； 2、了解磁电阻的一些基本知识； 3、测量和分析Insb材料磁电阻特性；【实验原理】 磁电阻(magnetoResistance，mR)通常定义为 ?RR(0) ? R(b)?R(0) R(0) （8-1-1）

其中：R（0）是零外场下的电阻，R（b）是外场b下的电阻。有时，上式也可以表示为目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应大致包括：由磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻、掺杂稀土氧化物中特大磁电阻、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻、以及隧道磁电阻等。图8-1-2列出了几种磁电阻阻值R随外磁场μ0h的变化形式。在以上磁电阻效应中，正常磁电阻应用最为普遍。 图8-1-1几种典型的磁电阻效应 正常磁电阻普遍存在于所有磁性与非磁性材料中，其来源于外磁场对载流子的洛仑兹力，它导致载流子运动发生偏转或产生螺旋运动，从而使载流子碰撞几率增加，造成电阻升高，因而，在正常磁电阻中，??//、??T和???均为正，并且有?T??//。正常磁电阻与外场的关系如图8-1-2所示。在特定的温度，随外场的增加，在低场区域，正常磁电阻近似地与外场成平方关系。对于单晶样品，在较高的磁场区域，??//显示了饱和的趋势(曲线 图8-1-2 Ｂ)，而??T和???显示出各向异性，即随外场增加或正 比于(曲线A)或趋于饱和(曲线b)。对于多晶样品，在强场中，正常磁电阻则显示出与外场h的线性关系(曲线c)。正 常磁电阻的各项异性来源于费米面的褶皱。

巨磁电阻效应及应用

实验十四巨磁电阻效应及应用 【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.测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线 5.用GMR传感器测量电流 6.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 7.通过实验了解磁记录与读出的原理 【实验仪器】 巨磁电阻效应及应用实验仪 【实验原理】 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G 乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 GMR作为自旋电子学的开端具有深远的科学意义。传统的电子学是以电子的电荷移动为基础的，电子自旋往往被忽略了。巨磁电阻效应表明，电子自旋对于电流的影响非常强烈，电子的电荷与自旋两者都可能载运信息。自旋电子学的研究和发展，引发了电子技术与信息技术的一场新的革命。目前电脑，音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头，基本上都应用了巨磁电阻效应。利用巨磁电阻效应制成的多种传感器，已广泛应用于各种测量和控制领域。除利用铁磁膜-金属膜-铁磁膜的GMR效应外，由两层铁磁膜夹一极薄的绝缘膜或半导体膜构成的隧穿磁阻(TMR)效应，已显示出比GMR效应更高的灵敏度。除在多层膜结构中发现GMR效应，并已实现产业化外，在单晶，多晶等多种形态的钙钛矿结构的稀土锰酸盐中，以及一些磁性半导体中，都发现了巨磁电阻效应。 本实验介绍多层膜GMR效应的原理，并通过实验让学生了解几种GMR传感器的结构、特性及应用领域。 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则散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自 221

巨磁电阻实验

巨磁电阻效应及其应用巨磁电阻(Giant magneto resistance, 简称GMR)效应表示在一个巨磁电阻系统中, 非常弱小的磁性变化就能导致巨大的电阻变化的特殊效应. 法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter Grunberg )因分别独立发现巨磁阻效应而共同荣膺2007年诺贝尔物理学奖. G MR是一种量子力学和凝聚态物理学现象, 是磁阻效应的一种, 可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层（几个纳米厚）结构中观察到. 在量子力学出现后, 德国科学家海森伯(W. Heisenberg, 1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用, 这个交换作用是短程的, 称为直接交换作用. 随后, 科学家们又发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物也具有反铁磁有序状态, 即在有序排列的磁材料中, 相邻原子因受负的交换作用, 自旋为反平行排列, 如图1所示. 此时磁矩虽处于有序状态, 但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零. 这种磁有序状态称为反铁磁性. 反铁磁性通过化合物中的氧离子(或其他非金属离子)将最近的磁性原子的磁矩耦合起来, 属于间接交换作用. 此外, 在稀土金属中也出现了磁有序, 其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层. 相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径, 所以稀土金属中的传导电子担当了中介, 将相邻的稀土原子磁矩耦合起来, 这就是RKKY 型间接交换作用. 直接交换作用的特征长度为0.1—0.3nm, 间接交换作用可以长达1nm以上. 据此美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念．所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料, 其特点是这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长. 上世纪八十年代, 制作高质量的纳米尺度样品技术的出现使得金属超晶格成为研究前沿. 因此凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序, 层间耦合, 电子输运等进行了广泛的基础方面的研究. 其中相关的代表性研究工作简介如下. 其一是德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔. 他一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态, 其研究对象是一个三明治结构的薄膜, 两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm的铬层. 之所以选择选择这一材料系统, 首先是因为金属铁和铬是周期表上相近的元素, 具有类似的电子壳层, 容易实现两者的电子状态匹配. 其次, 金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同, 它们之间晶格结构相匹配. 这两类匹配非常有利于对基本物理过程进行探索. 尽管如此, 长期以来该课题组所获得的三明治薄膜仅为多晶体. 随着制备薄膜技术的发展, 分子束外延(MBE)方法的应用才使得结构完整的单晶样品得以问世, 其成分依然是铁-铬-铁三层膜. 此后,

巨磁电阻效应及其应用实验报告记录

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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=ρl/S 中，把电阻率ρ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。 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 ΔR/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。 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆

巨磁电阻效应及其应用-数据处理

五、实验数据及处理 1.GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 实验数据及由公式B = μ0nI算得的磁感应强度如下表所示：（n=24000匝/m）

以B为横坐标，输出电压U为纵坐标，作图得： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最低处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的； （2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；

2. GMR的磁阻特性曲线的测量 根据实验数据由公式B = μ0nI算得的磁感应强度，由R=U/I算得的电阻如下表所示：（磁阻两端电压U=4V）

作图如下： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最高处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的； （2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；

3. GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 实验数据及由公式B = μ0nI算得的磁感应强度如下表所示： 高电平：1V，低电平：-1V 作图如下： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内；（2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；

磁阻传感器实验报告

磁阻传感器/地磁场测量 一、 二、 关于磁阻传感器 磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的一种传感器。广泛应用于工业，汽车制造，以及可用于地磁场测量。 三、 四、 磁阻传感器原理(如图1) 磁性材料(如坡莫合金)具有各向异性，对它进行磁化时，其磁化方向将取决于材料的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。当给带状坡莫合金材料通电流时，材料的电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角。如果给材料施加一个磁场B(被测磁场)， 就会使原来的磁化方向转动。如果磁化方向 转向垂直于电流的方向，则材料的电阻将减 小;如果磁化方向转向平行于电流的方向，则 材料的电阻将增大。磁阻效应传感器一般有 四个这样的电阻组成，并将它们接成电桥。 在被测磁场B 作用下，电桥中位于相对位置 的两个电阻阻值增大，另外两个电阻的阻值 减小。在其线性范围内，电桥的输出电压与 被测磁场成正比。 五、 六、 磁阻传感器/地磁场测量的实验过程(如图2) 1.将磁阻传感器放在赫姆霍兹线圈公共轴线中点，使管脚和磁感应强度方向平行。 2. 从0开始每隔10mA 改变励磁电流，分别测量出励磁电流为正向和反向时磁阻传感器的输出电压1U 和2U ，2/)(21U U U -=。测正向和反向两次，目的是消除地磁沿亥姆霍兹线圈方向(水平)分量的影响。 3.用亥姆霍磁线圈产生的磁场磁感应强度作为已知量，采用最小二乘法拟合，测量磁阻传感器的灵敏度K 。 4.将磁阻传感器平行固定在转盘上，调 整转盘至水平(可用水准器指示)。水平 旋转转盘，找到传感器输出电压最大方 向，这个方向就是地磁场磁感应强度的 水平分量∥B 的方向。记录此时传感器输 出电压1U 后，再旋转转盘，记录传感器 图1 磁阻传感器示意图 图2 地磁场测量/磁阻传感器演示

巨磁阻效应实验要点

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。

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。 ;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。 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