巨磁電阻效應(yīng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

羅志高

(中山大學(xué) 公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，廣東 廣州 510275)

磁電阻效應(yīng)又稱磁致電阻變化效應(yīng)，指金屬或半導(dǎo)體材料的電阻值隨外加磁場作用而改變的效應(yīng)。在多層膜結(jié)構(gòu)中，無外磁場時(shí)，上下兩層磁性材料的磁化方向是相反的，稱為反平行(或反鐵磁)耦合，施加足夠強(qiáng)的外磁場后，兩層鐵磁膜的磁化方向都與外磁場方向一致，稱為平行耦合。外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合，此過程中中間層電阻發(fā)生顯著變化。這種效應(yīng)稱為巨磁電阻效應(yīng)(Giant MagnetoResistance，GMR)。分別由法國物理學(xué)家阿貝爾·費(fèi)爾(Albert Fert)和德國物理學(xué)家彼得·格倫貝格(Peter Grunberg)在鐵-鉻-鐵薄膜周期結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)，并因此獲得2007年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1-5]。

1 手動(dòng)測量巨磁電阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用世紀(jì)中科公司的巨磁電阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀以及它的基本特性組件、電流測量組件、角位移測量組件和磁讀寫組件。分別測量GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換、GMR磁阻特性、GMR開關(guān)(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量、GMR傳感器測量電流、GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用和磁記錄與讀出。

1.1 測量GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換

GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量數(shù)據(jù)(其中B=Uout·N·Im，N=24 000)

作圖如圖1所示。

圖1 GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性

1.2 測量GMR磁阻特性

測量GMR磁阻特性數(shù)據(jù)見表2。測量結(jié)果如圖2。

表2 測量GMR磁阻特性數(shù)據(jù)

圖2 GMR磁阻特性測量結(jié)果圖

自動(dòng)測量采樣率為幾赫茲低頻段就是手動(dòng)測量的結(jié)果，因此不再敘述手動(dòng)測量GMR開關(guān)(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量、GMR傳感器測量電流、GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用和磁記錄與讀出(圖2)。

2 自動(dòng)測量巨磁電阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

在原來手動(dòng)測量的基礎(chǔ)上增加微型計(jì)算機(jī)、850數(shù)據(jù)采集器和電壓電流傳感器，其中850數(shù)據(jù)采集器A端口接電壓傳感器，B和C端口分別接電流傳感器，即A通道為電壓傳感器，B通道為電流傳感器，C通道為電流傳感器，“螺線管電流輸入”串聯(lián)B通道電流傳感器，電壓表輸入兩個(gè)端口并聯(lián)接電壓傳感器，在計(jì)算機(jī)中安裝PASCOCapstone軟件，檢查850數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)置是否正常如圖3所示，拖動(dòng)右邊圖表按鈕，形成一個(gè)表如圖4所示，然后在左邊計(jì)算器欄中設(shè)置如下。

圖3 硬件設(shè)置

圖4 計(jì)算器欄中設(shè)置情況

B=μ。*n*[Im，通道B(毫安mA)]*10 單位為：Gauss

μ。=4*π*0.0000001， 單位為：H/m

n=24000 (線圈密度24 000匝/米)

U=[Uout，通道A(毫伏mV)] 單位為：mV

R=4000/IR單位為：歐姆

IR=[Ir，通道C(毫安mA),▼] 單位為：mA

測量GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性：縱坐標(biāo)設(shè)為Uout，橫坐標(biāo)為Im，建立Uout—B表如圖5所示。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流Im前先點(diǎn)擊表下面的記錄，采樣率先做100Hz，再做5Hz，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 采樣率100 Hz時(shí)GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量

圖6 采樣率5 Hz時(shí)GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量

其中：螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，B=μ0nIm式中，μ0=4π×10-7H/m為真空磁導(dǎo)率。

測量GMR磁阻特性結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 采樣率100 Hz時(shí)GMR磁阻特性測量

圖8 采樣率2 Hz時(shí)GMR磁阻特性測量

測量GMR開關(guān)(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線：結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 采樣率100 Hz時(shí)GMR開關(guān)(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線

圖10 采樣率5 Hz時(shí)GMR開關(guān)(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線

GMR傳感器測量電流：結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 采樣率100 Hz時(shí)GMR傳感器測量電流

圖12 采樣率5 Hz時(shí)GMR傳感器測量電流

GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用(采樣率50Hz)如圖13所示。

圖13 采樣率50 Hz時(shí)GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用

磁記錄與讀出(采樣率50Hz)如圖14所示

圖14 磁記錄與讀出結(jié)果

3 結(jié) 語

通過手動(dòng)測量和自動(dòng)測量進(jìn)行對照，可以發(fā)現(xiàn)自動(dòng)測量采樣率的低頻段就是手動(dòng)測量的結(jié)果，采樣率越高，圖形受影響程度越高，也同時(shí)反應(yīng)了儀器的精度，該實(shí)驗(yàn)也受到廠家的高度重視，并且對儀器設(shè)備進(jìn)一步做了改進(jìn)。該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)用于我校《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)中，受到師生們的肯定，使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和測量手段更完善，加深了學(xué)生對巨磁電阻原理及應(yīng)用認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生多種分析問題和的處理問題能力。