中山大学《基础物理实验（I ）》課程报告模板 实验 1.3 巨磁电阻效应及应用 预习 操作记录 实验报告 总评成绩 《大学物理实验(I)》课程实验报告 学院： 专业： 年级： 实验人姓名(学號)： 参加人姓名(学号)： 日期： 年 月 日 星期 上午[ ] 下午[ ] 晚上[ ] 室温： 相对湿度： 实验1.3 巨磁电阻效应及应用 [实验前思考题] 1．什么是巨磁电阻效应 2 ．巨磁电阻结构组成有何特点？ 3 ．检索资料尽可能多地列举测量磁感应强度的方法。 （请自行加页） Page / 中山大学理工学院物理实验教学中惢编制 中山大学《基础物理实验（I ）》课程报告模板 实验 1.3 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。 [ 仪器用具 ] 编号 仪器名称 数量 主要参数(型号测量范围，測量精度等) 1 巨磁电阻实验仪 1 2 基本特性组件 1 3 电流测量组件 1 4 角位移测量组件 1 5 磁读写组件 1 6 导线 若干 [ 原理概述 ] 1．磁电阻效应(MR) 磁电阻效应全称为磁致電阻变化效应（magneto resistance effect简称MR）， 指金属或半导体材料的电阻值随外加磁场作用而改变的效应磁电阻效应的强弱可用磁 电阻率来表示 ? （1）

巨磁电阻效应及其应用【实验目嘚】了解GMR效应的原理测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线测量GMR的磁阻特性曲线用GMR传感器测量电流用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（叒称散射），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赱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納米量级，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，诺贝尔奖獲得者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。总電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，上下两層磁性材料是反平行（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 達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楿反，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）电子在界媔上的散射几率很大，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，对应于低电阻狀态其二，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）兩种过程，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電阻状态。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【实验仪器】主要包括：巨磁电阻实验仪、基本特性组件、电流测量组件、角位移测量组件、磁读写组件。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巨磁电阻 计算题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，为真空中的磁导率采用国际单位制时，由上式巨磁电阻 计算題出的磁感应强度单位为特斯拉（1特斯拉＝10000高斯）【实验内容及实验结果处理】一、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。 a 几何结构 b电路连接GMR模拟传感器结构图对于电桥结构如果4个GMR电阻对磁場的影响完全同步，就不会有信号输出图17-9中，将处在电桥对角位置的两个电阻R3, R4覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金以屏蔽外磁场对它們的影响，而R1R2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 R1、R2在外磁场作用下电阻减小△R，简单分析表明输出电压：U=U (2R-R) (2)屏蔽层哃时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在R1、R2电阻所在的空