实验14 磁阻效应及磁阻传感器的特性研究
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，在同样强度的磁场作用下，其电阻大小不同，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、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、测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。
3、 作出锑化铟传感器的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。
5、观测在弱正弦交流磁场中，磁阻传感器的交流倍频特性。
二、实验预习问题
1、由于严禁在带电情况下对励磁线圈插拔，实验中插拔励磁电流连线之前如何操作？ 2、打开电源前，测试仪的“IM/F调节”和 “Is调节”必须处在什么位置？ 3、磁阻效应是怎样产生的？磁阻效应和霍尔效应有何内在的联系？ 4、什么是横向磁阻效应，什么是纵向磁阻效应？ 5、请简述横向磁阻效应的产生机理。
6、实验时为何要保持霍尔工作电流和流过磁阻元件的电流不变？ 7、磁阻公式如何表示？
8、不同的磁场强度时，磁阻传感器的电阻值与磁感应强度关系有何规律？
三、实验原理
一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的改变而变化的现象称为磁阻效应。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，电阻增大，此现象称为磁阻效应。如果将图1中UH短路，磁阻效应更为明显。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。
图1 磁阻效应原理图 图2 测量磁电阻实验装置
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的磁场时的电阻率为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)与外磁场的关系规律都是相似的。实验证明，磁阻效应对外加磁场的极性不灵敏，就是正负磁场的效应相同。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；随磁场的增强，ΔR/ R(0)与磁感应强度B呈线性函数关系；当外加磁场超过某特定值时，ΔR/ R(0)与磁感应强度B的响应会趋于饱和。
四、实验仪器
实验采用DH4510磁阻效应实验仪，研究锑化铟（InSb）磁阻元件的磁阻特性，图3(a) 和3(b)为该仪器示意图。
图3(a) 磁阻效应实验仪面板图
图3(b) 磁阻效应测试架示意图
DH4510磁阻效应实验仪由实验仪和测试架两部分组成。实验仪包括双路可调直流恒流源、电流表、数字式磁场强度计（毫特计）和磁阻电压转换测量表（毫伏表）、控制电源等。测试架包括励磁线圈、锑化铟（InSb）磁阻传感器、砷化镓（GaAs）霍尔传感器、转换继电器及导线等组成。仪器连接如图4所示。
图4 磁阻效应接线图
五、实验内容
1、在锑化铟磁阻传感器工作电流保持不变的条件下，测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。作ΔR/ R(0)与B的关系曲线，并进行曲线拟合。
2、用锑化铟磁阻传感器测量一个未知的磁场强度，与毫特计测得的磁场强度做比较，估算测量误差。
六、实验步骤
仪器开机前须将“IM/F调节”电位器”、“Is调节” 电位器逆时针方向旋到底。
1、实验仪的“IM/F励磁信号输出”端子用导线接至测试架的“IM/F励磁信号输入”端子，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连，如图4所示。调节“IM/F调节”电位器可改变励磁电磁铁线圈电流的大小，从而改变电磁铁间隙中磁感应强度的大小。
2、将实验仪背后的插座通过专用的连接线接至测试架的“控制输入”端。这是一路提供继电器工作的12V直流控制电源，作为继电器的控制电压。同时也是观察弱正弦交变磁场中磁阻传感器交流倍频特性的频率调节电位器的连接线。
3、信号源上“Is电流输出”用专用连接线接至“Is工作电流切换K1”接线柱的中间两端，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连。
4、实验仪的“信号输入”两端用专用连接线接至“输出信号切换K2”接线柱的中间两端，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连。
5、将“Is工作电流切换K1”接线柱的下面两端与“输出信号切换K2”接线柱的下面两端相连，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连。
6、将锑化铟（InSb）磁阻传感器引出线的红/黑香蕉插头（绿/蓝色线）与“Is工作电流切换K1”接线柱的下面两端相连，红的香蕉头插接红接线柱，黑的香蕉插头接黑接线柱。
7、砷化镓（GaAs）霍尔传感器的红/黑香蕉插头（棕/红色线）为工作电流输入端，与“Is工作电流切换K1”接线柱的上面两端相连；红/黑香蕉插头（橙/黄色线）为霍尔电压输出端，与“输出信号切换K2” 接线柱的上面两端相连。红香蕉插头接红接线柱，黑香蕉头插接黑接线柱。 8、确认接线正确完成后，必须使测试仪的“IM/F调节”和“Is调节”旋钮均逆时针旋转到底。接通电源后，将实验仪左边的“信号选择”切换开关处于弹起状态，此时励磁信号为直流信号，IM/F励磁电流表（左边）应为0A；Is工作电流表（中间）也为0mA；将实验仪右边的“信号选择”切换开关处于按下状态，测试架的“控制开关”也处于按下状态，这时会将测试架上取出的霍尔电压信号输入到实验仪，经内部处理转换成磁场强度作为毫特计显示出来，此时显示值（右边）也为0mT。
9、调节“Is调节”旋钮， 让Is工作电流表显示为1.00mA，毫特计此时显示的是零磁场下的初始值（因毫特计霍尔片批量制造技术原因，一般小于±8mT）为系统误差，记下此数值，可在下面的测试数据中扣除。
10、调节“IM/F调节” 旋钮，使磁场强度显示值为“初始值+磁场强度B”，并记录磁场强度B及对应的励磁电流IM/F。弹起实验仪右边“信号选择”开关和测试架上的“控制开关”测量并记录该磁场强度下对应的磁阻电压UR，
11、按下实验仪右边“信号选择”开关和测试架上的“控制开关”。
12、磁场强度B参考表1；励磁电流IM/F，磁阻电压UR，为测量所得数据；R(Ω), ΔR/R(0)为计算所得数据。重复以上10～11步骤测量计算，填入表1。
13、根据表1数据，在B<0.06T时对ΔR/ R（0）作曲线拟合，求出R与B的函数关系。 14、根据表1数据，在B>0.12T时对ΔR/ R（0）作曲线拟合，求出R与B的函数关系。 15、调节IM/F电流，使电磁铁产生一个未知的磁场强度。测量磁阻传感器的磁阻电压，根据求得的ΔR/ R(0)与B的关系曲线，求出磁场强度。
16、用仪器所配的毫特计测量该磁场强度，将测得的磁场强度作为准确值与磁阻传感器测得的磁场强度值相比较，估算测量误差。
七、选做实验
在上述实验步骤1-8连接和调节的基础上，将Is工作电流调为2.5mA，将信号源左边的“信号选择”切换开关按下，此时励磁信号为交流信号，再用仪器所配的波形观察线将实验仪“IM/F励磁信号输出”接至双踪示波器（最好用数字示波器）的“1”通道；弹起实验仪右边“信号选择”开关和测试架的“控制开关”再用仪器所配的波形观察线将实验仪“信号输入”接至示波器的“2” 通道，调节示波器可以观测到两信号构成的李萨如图形，如图5所示。
图5 交流励磁信号与磁阻传感器信号构成的李萨如图形
八、实验数据记录
表 1数据记录表格 电流Is=1mA
电磁铁 IM/F(mA) 0 17 33 49 63 78 95 110 151 227 298 369 InSb UR(mV) B(mT) 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 100.0 150.0 200.0 250.0 B~△R/R(0)对应关系 R(Ω) △R/R(0)
磁阻效应及磁阻传感器的特性研究
