巨磁电阻效应实验仪

吴春姬，纪　红，徐智博，张剑楠，王文全

(吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012)

巨磁电阻效应实验仪

吴春姬，纪红，徐智博，张剑楠，王文全

(吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012)

摘要：自制了巨磁电阻效应实验仪，测量了不同外磁场和工作电压下巨磁阻传感器输出电压的变化. 研究了巨磁阻传感器敏感轴与外磁场间夹角与传感器输出电压间关系，传感器输出电压的与偏离角度成余弦关系.

关键词：巨磁电阻效应;输出电压;外磁场

1引言

阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应[1]而共同获得了2007年诺贝尔物理学奖. 近年，巨磁阻技术发展异常迅速，应用领域不断扩大，目前巨磁阻技术已成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术. 目前利用巨磁电阻(Giant magneto resistive， GMR)材料制成的生物传感器,在生命科学研究领域具有重要的作用. 另外GMR传感器在汽车电子技术、机电一体化控制、家用电器、卫星定位、导航系统以及精密测量技术中都将具有广阔的开发与应用价值[2-3].

为了使理科学生能够接触和感受到物理学科的发展，可以尝试将物理学科前沿的尤其是获得诺贝尔奖的一些实验内容纳入实验教学体系. 实验教学中不断融入近现代的先进科技成果，可以提高学生的综合素质和实验动手能力，使得毕业生能够很快地适应当今社会高技术的发展. 为此，研制巨磁电阻效应实验仪无论是充实实验内容，提高实验教学水平，还是提高教师、实验技术人员及学生的素质和能力都是有意义的一项工作. 本实验仪已经运用到学生实验教学当中，且取得了很好的教学效果.

2实验基本原理

1)巨磁电阻效应

巨磁阻效应,是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无磁场作用时存在巨大变化的现象,巨磁阻效应是一种量子力学效应,它产生于层状的磁性薄膜结构,这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成.

一般用二流体模型来解释巨磁电阻效应，铁磁金属中的电流由自旋向上和自旋向下的电子分别传输(图1),自旋磁矩方向与区域磁化方向平行的传导电子所受的散射小,因而电阻率低. 当磁性多层膜相邻磁层的磁矩反铁磁耦合时,自旋向上、向下的传导电子在传输过程中分别接受周期性的强、弱散射,因而均表现为高电阻态R1；当多层膜中的相邻磁层在外加磁场作用下趋于平行时(图2),自旋向上的传导电子受到较弱的散射作用,构成了低电阻通道R3,而自旋向下的传导电子则因受到强烈的散射作用形成高电阻通道R2,因为有一半电子处于低阻通道,所以此时的磁性多层膜表现为低电阻态. 这就是磁性多层膜巨磁电阻效应的起因[4].

图1　无磁场时处于高阻态

图2　外加磁场时处于低阻态

2)亥姆霍兹线圈

载流圆线圈磁场：根据毕奥-萨伐尔定律，半径为R通以电流为I的圆线圈在线圈圆心O点的磁感应强度为

(1)

其中，I是励磁电流，μ0是真空磁导率，N0是线圈的匝数.

亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间的距离正好等于圆形线圈的半径R. 这种线圈的特点是能在其公共轴线中点附近产生较广的均匀磁场区域，设x为亥姆霍兹线圈中轴线上某点离中心点处的距离，则亥姆霍兹线圈轴线上任意一点的磁感应强度为

(2)

实验中取N0=200，R=10 cm. 因此，在亥姆霍兹线圈轴线上的中心点O处的磁感应强度为

(3)

3) 巨磁电阻传感器的工作原理

实验中的巨磁电阻传感器由4个电阻构成惠斯通电桥结构(图3)，这是为了消除温度变化等环境因素对传感器输出稳定性的影响，增加传感器的灵敏度. 把巨磁电阻传感器放在亥姆霍兹线圈磁场中(图4)，R1和R2是磁屏蔽电阻，R3和R4是巨磁电阻，当传感器感应出磁场后会使R1和R2值不变,R3和R4磁电阻值发生变化，从而在AB两侧感应出电压差，不同的磁场对应不同的磁电阻变化而引起的电压差，所以磁场与传感器输出电压间有一一对应关系.

图3　巨磁阻传感器原理图

图4　巨磁阻实验仪原理图

在相同磁场下，当外磁场方向平行于传感器敏感轴方向时，传感器输出最大. 当外磁场方向偏离传感器敏感轴方向时，传感器输出与偏离角度成余弦关系，因此传感器的灵敏度为S(θ)=S(0)cosθ.

3实验仪器结构

仪器实物图如图5所示，实验仪器由以下4个部分组成:

a.工作电源，直流稳压电源提供0~12 V，连续可调;

b.标准磁场，直流稳流电源(0~3 A)和亥姆霍兹线圈(取N0=200，R=10 cm);

c.巨磁电阻传感器(图6)，美国NVE公司生产的AA0002-02[5]，可测磁场线性范围为-10~+10 Gs饱和磁场≤15 Gs;

d.自组直流数字电压表，用于测量传感器输出电压.

把巨磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈轴线中心位置.

图5　仪器实物图

图6　巨磁电阻传感器

4实验结果

图7　励磁电流I与传感器输出电压UAB间的关系

图8为励磁电流(0.6 A)不变时，不同工作电压与传感器输出电压之间的关系. 由图可以看出不同工作电压与传感器输出电压间呈线性关系，这说明巨磁电阻传感器工作电压越大，输出电压就越大，传感器越敏感.

图8　工作电压E与传感器输出电压UAB间的关系

图9　夹角θ与传感器输出电压UAB间的关系

图9为巨磁电阻传感器敏感轴和外磁场间夹角与传感器输出电压之间的关系. 电源电压是6 V，励磁电流是0.6 A，由图也可以看出当电源工作电压和线圈励磁电流不变时，当外磁场方向平行于传感器敏感轴方向(θ=0°)时，传感器输出电压最大. 当外磁场方向偏离传感器敏感轴方向时，传感器输出电压慢慢变小，传感器输出电压与偏离角度成余弦关系，理论上在θ=90°时应该为零，但是由于环境中存在很多附加磁场，不能严格达到零. 由此原理来可以制作导航仪和机器人机械手[6].

图10为励磁电流为0.6 A时，GMR传感器灵敏度与工作电压的关系，如图10所示，GMR传感器灵敏度与工作电压之间不存在很明显的关系.

图10　GMR传感器灵敏度与工作电压的关系

作为施加磁场函数的电桥输出电压UAB被称作传感器的传递函数，测量巨磁阻材料的磁阻特性会发现,随着外磁场增大电阻逐渐减小，期间有一段线形区间，在此线形区内,阻值的改变量ΔR与施加的外磁场成正比，因此该区内也可以认为是传递函数的线性范围. 传感器的灵敏度S与传递函数的线性范围对于传感器来说是2个重要的特征.

5结论

利用惠斯通电桥原理制成的GMR传感器研制了巨磁阻实验仪，当改变外磁场时磁电阻发生变化. 在工作电压不变时，在一定范围内励磁电流与传感器输出电压间呈线性关系. 外磁场不变

时，工作电压和传感器输出电压间也呈线性关系. 当外磁场方向平行于传感器敏感轴方向(θ=0°)时，UAB最大. 当外磁场方向偏离传感器敏感轴方向时，传感器输出电压与偏离角度成余弦关系. 当外磁场不变时,工作电压越大，传感器输出电压越大. 巨磁电阻传感器的灵敏度与传感器工作电压间没有很明显的关系.

参考文献：

[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]郭成锐，江健军，邸永江． 巨磁阻抗传感器应用研究最新进展[J]. 电子元件与材料,2006,25(11):8-11.

[4]钱政,张翔. 巨磁电阻电流传感器的特性测试与分析[J]. 高压电器,2007，4(5):340-343.

[5]张朝民，张欣，陆申龙，等. 巨磁电阻效应实验仪的研制与应用[J]. 物理实验,2009，29(6):15-19.

[6]肖又专,曾荣伟,王林忠，等. 巨磁电阻传感器的应用[J]. 磁性材料及器件,2001,32(2):40- 44.

[责任编辑：郭伟]

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

中图分类号：O472.5

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)03-0033-04

作者简介：吴春姬(1981-)，女，吉林汪清人，吉林大学物理学院工程师，硕士，主要从事磁性材料的研究.

基金项目：国家自然科学基金资助(No.11074092);国家基础科学人才培养基金资助(No. J1103202)

收稿日期：2014-06-25；修改日期：2014-09-17

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文