巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、1巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解GMR效應(yīng)的原理2、測(cè)量GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線3、測(cè)量GMR的磁阻特性曲線4、用GMR傳感器測(cè)量電流5、用GMR梯度傳感器測(cè)量齒輪的角位移，了解GMR轉(zhuǎn)速（速度）傳感器的原理【實(shí)驗(yàn)原理】根據(jù)導(dǎo)電的微觀機(jī)理，電子在導(dǎo)電時(shí)并不是沿電場(chǎng)直線前進(jìn)，而是不斷和晶格中的原子產(chǎn)生碰撞（又稱散射），每次散射后電子都會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向，總的運(yùn)動(dòng)是電場(chǎng)對(duì)電子的定向加速與這種無規(guī)散射運(yùn)動(dòng)的

2、疊加。稱電子在兩次散射之間走過的平均路程為平均自由程，電子散射幾率小，則平均自由程長(zhǎng)，電阻率低。電阻定律R=?lS中，把電阻率?視為常數(shù)，與材料的幾何尺度無關(guān)，這是因?yàn)橥ǔ２牧系膸缀纬叨冗h(yuǎn)大于電子的平均自由程（例如銅中電子的平均自由程約34nm），可以忽略邊界效應(yīng)。當(dāng)材料的幾何尺度小到納米量級(jí)，只有幾個(gè)原子的厚度時(shí)（例如，銅原子的直徑約為0.3nm），電子在邊界上的散射幾率大大增加，可以明顯觀察到厚度減小，電阻率增加的現(xiàn)象。電子除攜帶電

3、荷外，還具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁場(chǎng)兩種可能取向。早在1936年，英國(guó)物理學(xué)家，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者N.F.Mott指出，在過渡金屬中，自旋磁矩與材料的磁場(chǎng)方向平行的電子，所受散射幾率遠(yuǎn)小于自旋磁矩與材料的磁場(chǎng)方向反平行的電子。總電流是兩類自旋電流之和總電阻是兩類自旋電流的并聯(lián)電阻，這就是所謂的兩電流模型。在圖2所示的多層膜結(jié)構(gòu)中，無外磁場(chǎng)時(shí)，上下兩層磁性材料是反平行（反鐵磁）耦合的。施加足夠強(qiáng)的外磁場(chǎng)后，兩層鐵磁膜的方向都與

4、外磁場(chǎng)方向一致，外磁場(chǎng)使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合。電流的方向在多數(shù)應(yīng)用中是平行于膜面的。無外磁場(chǎng)時(shí)頂層磁場(chǎng)方向頂層鐵磁膜中間導(dǎo)電層底層鐵磁膜無外磁場(chǎng)時(shí)底層磁場(chǎng)方向圖2多層膜GMR結(jié)構(gòu)圖圖3是圖2結(jié)構(gòu)的某種GMR材料的磁阻特性。由圖可見，隨著外磁場(chǎng)增大，電阻逐漸減小，其間有一段線性區(qū)域。當(dāng)外磁場(chǎng)已使兩鐵磁膜完全平行耦合后，繼續(xù)加大磁場(chǎng)，電阻不再減小，進(jìn)入磁飽和區(qū)域。磁阻變化率ΔRR達(dá)百分之十幾，加反向磁場(chǎng)時(shí)磁阻特性是對(duì)稱的。注

5、意到圖2中的曲線有兩條，分別對(duì)應(yīng)增大磁場(chǎng)和減小磁場(chǎng)時(shí)的磁阻特性，這是因?yàn)殍F圖3某種GMR材料的磁阻特性磁場(chǎng)強(qiáng)度高斯電阻歐姆3a幾何結(jié)構(gòu)b電路連接GMR模擬傳感器結(jié)構(gòu)圖對(duì)于電橋結(jié)構(gòu)，如果4個(gè)GMR電阻對(duì)磁場(chǎng)的影響完全同步，就不會(huì)有信號(hào)輸出。圖179中，將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€(gè)電阻R3R4覆蓋一層高導(dǎo)磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁場(chǎng)對(duì)它們的影響，而R1，R2阻值隨外磁場(chǎng)改變。設(shè)無外磁場(chǎng)時(shí)4個(gè)GMR電阻的阻值均為R，R1、R2在外磁場(chǎng)作用下