巨磁電阻效應實驗儀

吳春姬，紀　紅，徐智博，張劍楠，王文全

(吉林大學 物理學院，吉林 長春 130012)

巨磁電阻效應實驗儀

吳春姬，紀紅，徐智博，張劍楠，王文全

(吉林大學 物理學院，吉林 長春 130012)

摘要：自制了巨磁電阻效應實驗儀，測量了不同外磁場和工作電壓下巨磁阻傳感器輸出電壓的變化. 研究了巨磁阻傳感器敏感軸與外磁場間夾角與傳感器輸出電壓間關(guān)系，傳感器輸出電壓的與偏離角度成余弦關(guān)系.

關(guān)鍵詞：巨磁電阻效應;輸出電壓;外磁場

1引言

阿爾貝·費爾和彼得·格林貝格爾因分別獨立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應[1]而共同獲得了2007年諾貝爾物理學獎. 近年，巨磁阻技術(shù)發(fā)展異常迅速，應用領(lǐng)域不斷擴大，目前巨磁阻技術(shù)已成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機、MP3播放器的標準技術(shù). 目前利用巨磁電阻(Giant magneto resistive， GMR)材料制成的生物傳感器,在生命科學研究領(lǐng)域具有重要的作用. 另外GMR傳感器在汽車電子技術(shù)、機電一體化控制、家用電器、衛(wèi)星定位、導航系統(tǒng)以及精密測量技術(shù)中都將具有廣闊的開發(fā)與應用價值[2-3].

為了使理科學生能夠接觸和感受到物理學科的發(fā)展，可以嘗試將物理學科前沿的尤其是獲得諾貝爾獎的一些實驗內(nèi)容納入實驗教學體系. 實驗教學中不斷融入近現(xiàn)代的先進科技成果，可以提高學生的綜合素質(zhì)和實驗動手能力，使得畢業(yè)生能夠很快地適應當今社會高技術(shù)的發(fā)展. 為此，研制巨磁電阻效應實驗儀無論是充實實驗內(nèi)容，提高實驗教學水平，還是提高教師、實驗技術(shù)人員及學生的素質(zhì)和能力都是有意義的一項工作. 本實驗儀已經(jīng)運用到學生實驗教學當中，且取得了很好的教學效果.

2實驗基本原理

1)巨磁電阻效應

巨磁阻效應,是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象,巨磁阻效應是一種量子力學效應,它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成.

一般用二流體模型來解釋巨磁電阻效應，鐵磁金屬中的電流由自旋向上和自旋向下的電子分別傳輸(圖1),自旋磁矩方向與區(qū)域磁化方向平行的傳導電子所受的散射小,因而電阻率低. 當磁性多層膜相鄰磁層的磁矩反鐵磁耦合時,自旋向上、向下的傳導電子在傳輸過程中分別接受周期性的強、弱散射,因而均表現(xiàn)為高電阻態(tài)R1；當多層膜中的相鄰磁層在外加磁場作用下趨于平行時(圖2),自旋向上的傳導電子受到較弱的散射作用,構(gòu)成了低電阻通道R3,而自旋向下的傳導電子則因受到強烈的散射作用形成高電阻通道R2,因為有一半電子處于低阻通道,所以此時的磁性多層膜表現(xiàn)為低電阻態(tài). 這就是磁性多層膜巨磁電阻效應的起因[4].

圖1　無磁場時處于高阻態(tài)

圖2　外加磁場時處于低阻態(tài)

2)亥姆霍茲線圈

載流圓線圈磁場：根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，半徑為R通以電流為I的圓線圈在線圈圓心O點的磁感應強度為

(1)

其中，I是勵磁電流，μ0是真空磁導率，N0是線圈的匝數(shù).

亥姆霍茲線圈是一對彼此平行且連通的共軸圓形線圈，兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈之間的距離正好等于圓形線圈的半徑R. 這種線圈的特點是能在其公共軸線中點附近產(chǎn)生較廣的均勻磁場區(qū)域，設(shè)x為亥姆霍茲線圈中軸線上某點離中心點處的距離，則亥姆霍茲線圈軸線上任意一點的磁感應強度為

(2)

實驗中取N0=200，R=10 cm. 因此，在亥姆霍茲線圈軸線上的中心點O處的磁感應強度為

(3)

3) 巨磁電阻傳感器的工作原理

實驗中的巨磁電阻傳感器由4個電阻構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)(圖3)，這是為了消除溫度變化等環(huán)境因素對傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器的靈敏度. 把巨磁電阻傳感器放在亥姆霍茲線圈磁場中(圖4)，R1和R2是磁屏蔽電阻，R3和R4是巨磁電阻，當傳感器感應出磁場后會使R1和R2值不變,R3和R4磁電阻值發(fā)生變化，從而在AB兩側(cè)感應出電壓差，不同的磁場對應不同的磁電阻變化而引起的電壓差，所以磁場與傳感器輸出電壓間有一一對應關(guān)系.

圖3　巨磁阻傳感器原理圖

圖4　巨磁阻實驗儀原理圖

在相同磁場下，當外磁場方向平行于傳感器敏感軸方向時，傳感器輸出最大. 當外磁場方向偏離傳感器敏感軸方向時，傳感器輸出與偏離角度成余弦關(guān)系，因此傳感器的靈敏度為S(θ)=S(0)cosθ.

3實驗儀器結(jié)構(gòu)

儀器實物圖如圖5所示，實驗儀器由以下4個部分組成:

a.工作電源，直流穩(wěn)壓電源提供0~12 V，連續(xù)可調(diào);

b.標準磁場，直流穩(wěn)流電源(0~3 A)和亥姆霍茲線圈(取N0=200，R=10 cm);

c.巨磁電阻傳感器(圖6)，美國NVE公司生產(chǎn)的AA0002-02[5]，可測磁場線性范圍為-10~+10 Gs飽和磁場≤15 Gs;

d.自組直流數(shù)字電壓表，用于測量傳感器輸出電壓.

把巨磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈軸線中心位置.

圖5　儀器實物圖

圖6　巨磁電阻傳感器

4實驗結(jié)果

圖7　勵磁電流I與傳感器輸出電壓UAB間的關(guān)系

圖8為勵磁電流(0.6 A)不變時，不同工作電壓與傳感器輸出電壓之間的關(guān)系. 由圖可以看出不同工作電壓與傳感器輸出電壓間呈線性關(guān)系，這說明巨磁電阻傳感器工作電壓越大，輸出電壓就越大，傳感器越敏感.

圖8　工作電壓E與傳感器輸出電壓UAB間的關(guān)系

圖9　夾角θ與傳感器輸出電壓UAB間的關(guān)系

圖9為巨磁電阻傳感器敏感軸和外磁場間夾角與傳感器輸出電壓之間的關(guān)系. 電源電壓是6 V，勵磁電流是0.6 A，由圖也可以看出當電源工作電壓和線圈勵磁電流不變時，當外磁場方向平行于傳感器敏感軸方向(θ=0°)時，傳感器輸出電壓最大. 當外磁場方向偏離傳感器敏感軸方向時，傳感器輸出電壓慢慢變小，傳感器輸出電壓與偏離角度成余弦關(guān)系，理論上在θ=90°時應該為零，但是由于環(huán)境中存在很多附加磁場，不能嚴格達到零. 由此原理來可以制作導航儀和機器人機械手[6].

圖10為勵磁電流為0.6 A時，GMR傳感器靈敏度與工作電壓的關(guān)系，如圖10所示，GMR傳感器靈敏度與工作電壓之間不存在很明顯的關(guān)系.

圖10　GMR傳感器靈敏度與工作電壓的關(guān)系

作為施加磁場函數(shù)的電橋輸出電壓UAB被稱作傳感器的傳遞函數(shù)，測量巨磁阻材料的磁阻特性會發(fā)現(xiàn),隨著外磁場增大電阻逐漸減小，期間有一段線形區(qū)間，在此線形區(qū)內(nèi),阻值的改變量ΔR與施加的外磁場成正比，因此該區(qū)內(nèi)也可以認為是傳遞函數(shù)的線性范圍. 傳感器的靈敏度S與傳遞函數(shù)的線性范圍對于傳感器來說是2個重要的特征.

5結(jié)論

利用惠斯通電橋原理制成的GMR傳感器研制了巨磁阻實驗儀，當改變外磁場時磁電阻發(fā)生變化. 在工作電壓不變時，在一定范圍內(nèi)勵磁電流與傳感器輸出電壓間呈線性關(guān)系. 外磁場不變

時，工作電壓和傳感器輸出電壓間也呈線性關(guān)系. 當外磁場方向平行于傳感器敏感軸方向(θ=0°)時，UAB最大. 當外磁場方向偏離傳感器敏感軸方向時，傳感器輸出電壓與偏離角度成余弦關(guān)系. 當外磁場不變時,工作電壓越大，傳感器輸出電壓越大. 巨磁電阻傳感器的靈敏度與傳感器工作電壓間沒有很明顯的關(guān)系.

參考文獻：

[1]Baibich M N, Broto J M, Fert A, et al. Gant magneto-resistance of (001) Fe/ (001) Cr magnetic super-lattices [J]. Physical Review Letter, 1988,61(21):2472-2475.

[2]Jaafar S, Ahmad A S, Ghosh P S, et al. A new approach in modeling AC flashover voltage for polluted in sulator [A]. Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena(CEIDP)[C]. Selangor:University Tenaga Nasional, 2002:558- 561.

[3]郭成銳，江健軍，邸永江． 巨磁阻抗傳感器應用研究最新進展[J]. 電子元件與材料,2006,25(11):8-11.

[4]錢政,張翔. 巨磁電阻電流傳感器的特性測試與分析[J]. 高壓電器,2007，4(5):340-343.

[5]張朝民，張欣，陸申龍，等. 巨磁電阻效應實驗儀的研制與應用[J]. 物理實驗,2009，29(6):15-19.

[6]肖又專,曾榮偉,王林忠，等. 巨磁電阻傳感器的應用[J]. 磁性材料及器件,2001,32(2):40- 44.

[責任編輯：郭偉]

Experimental instrument of giant magnetoresistance effect

WU Chun-ji， JI Hong， XU Zhi-bo， ZHANG Jian-nan， WANG Wen-quan

(College of Physics， Jilin University, Changchun 130012， China)

Abstract:The basic principles of giant magnetoresistance (GMR) effect was introduced. The changes of the output voltage of the giant magnetoresistance sensor in different external magnetic field and under different working voltages were measured by a selfmade apparatus. The dependence of the output voltage on the angle between the GMR sensor sensitive axis and the external magnetic field was studied. It could be concluded that there was a cosine relation between the deviation angle and the sensor output voltage.

Key words:giant magnetoresistance effect; output voltage; external magnetic field

中圖分類號：O472.5

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)03-0033-04

作者簡介：吳春姬(1981-)，女，吉林汪清人，吉林大學物理學院工程師，碩士，主要從事磁性材料的研究.

基金項目：國家自然科學基金資助(No.11074092);國家基礎(chǔ)科學人才培養(yǎng)基金資助(No. J1103202)

收稿日期：2014-06-25；修改日期：2014-09-17

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文