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磁阻效应试验研究 摘要 磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：数字式罗盘、交通车辆检测，导航系统、伪钞检测、位置测量等。本文首先回顾一下磁阻效应研究的历史，介绍磁阻效应和霍尔效应的有关概念，然后评述到目前为止所揭示的产生磁阻效应的物理机制，其中将重点介绍大学物理磁阻效应的实验研究，主要为一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。通过实验研究这就有利于我们从更深刻的角度把握磁阻效应的本质，从而扩大研究范围；接下来将介绍有关磁阻效应的应用，介绍ZKY-CC各向异性磁阻传感器（AMR）与磁场测量仪，并结合实验进行研究，最后展望磁阻体的研究前景以及在其实用化进展中存在的一些问题。 关键词：磁阻效应；试验；研究 目 录 1 磁阻效应的概述 1 1.1 磁阻效应的概念 1 1.2 磁阻效应的分类 1 1.3 磁阻效应的应用 2 2 磁阻效应实验 2 2.1 实验目的 2 2.2 实验原理 3 2.3 实验仪器 4 2.4 实验内容 6 2.5 注意事项 10 3 磁阻效应研究总结 10 参考文献 12 1 磁阻效应的概述 1.1 磁阻效应的概念 磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。 1.2 磁阻效应的分类 1.2.1 常磁阻 对所有非磁性金属而言，由于在磁场中受到洛伦兹力的影响，传导电子在行进中会偏折，使得路径变成沿曲线前进，如此将使电子行进路径长度增加，使电子碰撞机率增大，进而增加材料的电阻。磁阻效应最初于1856年由威廉·汤姆森，即后来的开尔文爵士发现，但是在一般材料中，电阻的变化通常小于5%，这样的效应后来被称为“常磁阻”。 1.2.2 巨磁阻 所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻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。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。 1.2.3 超巨磁阻 超巨磁阻效应（也称庞磁阻效应）存在于具有钙钛矿(Perovskite)ABO3的陶瓷氧化物中。其磁阻变化随着外加磁场变化而有数个数量级的变化。其产生的机制与巨磁阻效应(GMR)不同，而且往往大上许多，所以被称为“超巨磁阻”。 如同巨磁阻效应(GMR)，超巨磁阻材料亦被认为可应用于高容量磁性储存装置的读写头。不过，由于其相变温度较低，不像巨磁阻材料可在室温下展现其特性，因此离实际应用尚需一些努力。 1.2.4 异向磁阻 有些材料中磁阻的变化，与磁场和电流间夹角有关，称为异向性磁阻效应。此原因是与材料中s轨域电子与d轨域电子散射的各向异性有关。由于异向磁阻的特性，可用来精确测量磁场。 1.2.5 穿隧磁阻效应 穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。此效应首先于1975年由MichelJulliere在铁磁材料(Fe)与绝缘体材料(Ge)发现；室温穿隧磁阻效应则于1995年，由TerunobuMiyazaki与Moodera分别发现。此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。 1.3 磁阻效应的应用 磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。 磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。 其中最典型的锑化铟（InSb）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的磁阻器件磁电阻，有着十分重要的应用价值。 2007年诺贝尔物理学奖授予来自法国国家科学研究中心的物理学家艾尔伯·费尔和来自德国尤利希研究中心的物理学家皮特·克鲁伯格，以表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献。 2 磁阻效应实验 2.1 实验目的 1．了解各向异性磁电阻传感器测量磁场的基本原理； 2．学会用各向异性磁电阻传感器测定地亥姆霍兹线圈磁场的方法； 3．验证场的叠加原理。 2.2 实验原理 磁电阻效应有基于霍尔效应的普通磁电阻效应和各向异性磁电阻效应之分。对于强磁性金属(铁、钴、镍 及其合金) , 当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时, 电阻几乎不随外加磁场而变; 当外加磁场偏离金属的内磁化方向时, 金属的电阻减小, 这就是各向异性磁电阻效应(见图1)。 本实验所使用的各向异性磁电阻传感器由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成电阻。沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。坡莫合金薄膜的电阻和电流与磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻最大，电流与磁化方向垂直时电阻最小。坡莫合金薄膜的电阻率依赖于磁化强度和电流 方向的夹角, 即 （1） 其中, 分别是平行于和垂直于时的电阻率。 图1 各向异性磁电阻效应 在HMC型磁电阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的坡莫合金薄膜构成惠斯通电桥，结构如图2所示。当外加磁场时, 因坡莫合金具有各向异性的磁电阻效应, 电桥电阻的阻值变化, 导致传感器输出电压的变化。图2中，易磁化轴方向与电流方向的夹角为45度。理论分析与实践表明，采用45度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。 无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平行时，磁化方向即易磁化轴方向，电桥的4个桥臂电阻阻值相同，输出为零。当在磁敏感方向施加如图1所示方向的磁场时，合成磁化方向将在易磁化方向的基础上逆时针旋转。结果使左上和右下桥臂电流与磁化方向的夹角增大，电阻减小；右上与左下桥臂电流与磁化方向的夹角减小，电阻增大。靠电阻阻值的变化将外加磁感应强度转换成差动输出的电压, 该输出电压可用下式表示 （2） 式中为电桥工作电压，为桥臂电阻，为磁电阻阻值的相对变化率，与外加磁场强度成正比，故HMC型磁电阻传感器输出电压与磁场强度成正比，可利用磁电阻传感器测量磁场。 a 磁干扰使磁畴排列紊乱 b 复位脉冲使磁畴沿易磁化轴整齐排列 c 反向置位脉冲使磁畴排列方向反转 图3 置位/反向置位脉冲的作用 商品磁电阻传感器已制成集成电路，除图2所示的电源输入端和信号输出端外，还有复位/反向置位端和补偿端两对功能性输入端口，以确保磁电阻传感器的正常工作。 复位/反向置位的机理可参见图3。HMC型磁电阻传感器置于超过其线性工作范围的磁场中时，磁干扰可能导致磁畴排列紊乱，改变传感器的输出特性。此时可在复位端输入脉冲电流，通过内部电路沿易磁化轴方向产生强磁场，使磁畴重新整齐排列，恢复传感器的使用特性。若脉冲电流方向相反，则磁畴排列方向反转，传感器的输出极性也将相反。 从补偿端每输入5mA补偿电流，通过内部电路将在磁敏感方向产生1高斯的磁场。可用来补偿传感器的偏离。 HMC型磁电阻传感器的磁电转换特性曲线。其中电桥偏离是在传感器制造过程中，4个桥臂电阻不严格相等带来的，外磁场偏离是测量某种磁场时，外界干扰磁场带来的。不管要补偿哪种偏离，都可调节补偿电流，用人为的磁场偏置使特性曲线平移，使所测磁场为零时输出电压为零。 2.3 实验仪器 实验仪结构如图5所示，核心部分是HMC型磁电阻传感器，辅以角度、位置调节及读数机构，亥姆霍兹线圈等组成。 本仪器所用磁电阻传感器的工作范围为±6高斯，灵敏度为1mV/V/Gs。灵敏度表示，当磁电阻电桥的工作电压为1V，被测磁场磁感应强度为1高斯时，输出信号为1mV。 磁电阻传感器的输出信号通常须经放大电路放大后，再接显示电路，故由显示电压计算磁场强度时还需考虑放大器的放大倍数。本实验仪电桥工作电压5V，放大器放大倍数50，磁感应强度为1高斯时，对应的输出电压为0.25伏。 亥姆霍兹线圈是由一对彼此平行的共轴圆形线圈组成。两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间的距离d正好等于圆形线圈的半径R。这种线圈的特点是能在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场，根据毕奥－萨伐尔定律，可以计算出亥姆霍兹线圈公共轴线中点的磁感应强度为： 式中N为线圈匝数，I为流经线圈的电流强度，R为亥姆霍兹线圈的平均半径，为真空中的磁导率。采用国际单位制时，由上式计算出的磁感应强度单位为特斯拉（1特斯拉＝10000高斯）。本实验仪N＝310，R＝0.14m，线圈电流为1mA时，亥姆霍兹线圈中部的磁感应强度为0.02高斯。电源如图6所示。 磁电阻传感器盒 传感器轴向移动锁紧螺钉 传感器绕轴旋转锁紧螺钉 传感器水平旋转锁紧螺钉 亥姆霍兹线圈 传感器横向移动锁紧螺钉 线圈水平旋转锁紧螺钉 信号接口盒 仪器水平调节螺钉 图5 磁场实验仪 恒流源为亥姆霍兹线圈提供电流，电流的大小可以通过旋钮调节，电流值由电流表指示。电流换向按钮可以改变电流的方向。 补偿(OFFSET)电流调节旋钮调节补偿电流的方向和大小。电流切换按钮使电流表显示亥姆霍兹线圈电流或补偿电流。 传感器采集到的信号经放大后，由电压表指示电压值。放大器校正旋钮在标准磁场中校准放大器放大倍数。 复位（R/S）按钮每按下一次，向复位端输入一次复位脉冲电流，仅在需要时使用。 图6 仪器前面板示意图 2.4 实验内容 1．测量准备： 连接实验仪与电源，开机预热20分钟。 将磁电阻传感器位置调节至亥姆霍兹线圈中心，传感器磁敏感方向与亥姆霍兹线圈轴线一致。 调节亥姆霍兹线圈电流为零，按复位键（见图3，恢复传感器特性），调节补偿电流（见图4，补偿地磁场等因素产生的偏离），使传感器输出为零。调节亥姆霍兹线圈电流至300mA（线圈产生的磁感应强度6高斯），调节放大器校准旋钮，使输出电压为1.500伏。 2.磁电阻传感器特性测量 测量磁电阻传感器的磁电转换特性 磁电转换特性是磁电阻传感器最基本的特性。磁电转换特性曲线的直线部分对应的磁感应强度，即磁电阻传感器的工作范围，直线部分的斜率除以电桥电压与放大器放大倍数的乘积，即为磁电阻传感器的灵敏度。 按表1数据从300mA逐步调小亥姆霍兹线圈电流，记录相应的输出电压值。切换电流换向开关（亥姆霍兹线圈电流反向，磁场及输出电压也将反向），逐步调大反向电流，记录反向输出电压值。注意：电流换向后，必须按复位按键消磁。 表1 HMC型各向异性磁电阻传感器磁电转换特性的测量 线圈电流(mA) 300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 磁感应强度(高斯) 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 输出电压(V)