基础物理实验研究性实验报告
巨磁电阻效应及其应用
目录
摘要 .................................................................................................................................................. 1 1.基本原理........................................................................................................................................ 1 2.实验仪器........................................................................................................................................ 2
2.1实验仪主机 ......................................................................................................................... 2 2.2基本特性组件模块 ............................................................................................................. 3 2.3电流测量组件 ..................................................................................................................... 3 2.4角位移测量组件 ................................................................................................................. 3 2.5磁读写组件 ......................................................................................................................... 4 3.实验内容........................................................................................................................................ 4
3.1GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 ............................................................................. 4 3.2GMR磁阻特性测量............................................................................................................. 5 3.3GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 ..................................................... 5 3.4用GMR模拟传感器测量电流 ........................................................................................... 6 3.5GMR梯度传感器的特性及应用 ......................................................................................... 7 3.6磁记录与读出 ..................................................................................................................... 7 4.注意事项........................................................................................................................................ 8 5.数据处理........................................................................................................................................ 8
5.1 GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 ............................................................................ 8
5.1.1公式推导 .................................................................................................................. 8 5.1.2GMR模拟传感器的磁电转换特性数据处理 .......................................................... 9 5.2 GMR磁阻特性测量 .......................................................................................................... 10 5.3 GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 .................................................. 11 5.4用GMR模拟传感器测量电流 ......................................................................................... 11 5.5 GMR梯度传感器的特性及应用 ...................................................................................... 12 5.6磁记录与读出 ................................................................................................................... 13 6.误差分析...................................................................................................................................... 13 7.结果讨论...................................................................................................................................... 14 8.实验总结...................................................................................................................................... 14 [参考文献] ...................................................................................................................................... 15 附录 ................................................................................................................................................ 15
基础物理实验研究性报告
摘要
本文的主要内容包括对GMR模拟传感器的磁电转换特性、GMR磁阻特性、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性的测量及探究，对运用GMR模拟传感器测量电流的探究，对GMR梯度传感器的特性探究及应用，以及磁记录与磁读出的原理与过程。通过具体实验数据处理，进一步理解实验的原理及步骤，并作出相应的误差分析与结果讨论。最后，对本次实验进行总结并表达感想。
关键词：GMR，传感器，实验，数据处理，总结
1.基本原理
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。实验证明，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。
下图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。
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1多层膜GMR结构图
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
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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。
2.实验仪器
实验所用仪器与主要组件简介如下：
2.1实验仪主机
如图为巨磁阻实验仪系统的实验仪前面板图。 包括：
（1）输入部分
电流表部分：可做为一个独立的电流表使用。两个档位：2mA档和200mA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。
电压表部分：可做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。 （2）输出部分
恒流源部分：可变恒流源，对外提供电流
恒压源部分：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。
巨磁阻实验仪操作面板
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2.2基本特性组件模块
基本特性组件由GMR模拟传感器、螺线管线圈、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
式中n为线圈密度，I为流经线圈的电流强度，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， ?0?4??10?7H/m为真空中的磁导率）。
基本特性组件
2.3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。
电流测量组件
2.4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。
角位移测量组件
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