巨磁电阻与磁电阻实验报告

　 巨磁电阻与磁电阻实验

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　 【摘要】

　本实验使用了由基本电路原理配合巨磁电阻原件制作的一套巨磁电阻实验仪，通过改变巨磁电阻处的磁场测量了巨磁电阻的磁阻特性曲线、磁电转换特性曲线，并在体验了其在测量电流、测量转速、磁读写等方面的应用。最后获得了巨磁电阻词组特性曲线、GMR 模拟传感器的磁电转换曲线、GMR 开关传感器的磁电转换特性曲线、巨磁电阻测量电流的数据、齿轮旋转过程中巨磁电阻梯度传感器输出电压曲线、磁信号读出情况，自旋阀磁电阻两个不同角度的磁阻特性曲线。发现巨磁电阻的磁阻随磁场变大而减小，且与方向无关，但是其存在磁滞现象。而自旋阀磁电阻则在磁场由一个方向磁饱和变化到另一个方向磁饱和的过程中磁电阻不断减小或增加，这与磁电阻和磁场的角度有关，且在 0 磁场附近变化特别明显。

　 【关键词】

　巨磁电阻、自旋阀磁电阻、磁阻特性曲线、磁电转换特性

　一、实验背景 2007年12月10日，法国物理学家阿尔贝·费尔（Albert Fert）和德国物理学家彼得·格伦贝格（Peter Crünberg ）分别获得了一枚印着蓝白红标志的2007年诺贝尔物理奖章，他们各自独立发现的巨磁阻效应（giant magnetoresistance, GMR）

　[1， 2] 。

　早在一百多年前，人们对铁磁金属的输运特性受磁场影响的现象，就做过相当仔细的观测。莫特的双电流理论，把电子自旋引入对磁电阻的解释，而巨磁电阻恰恰是基于对具有自旋的电子在磁介质中的散射机制的巧妙利用。

　目前巨磁电阻传感器已应用于测量位移、角度等传感器、数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等很多领域，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能工作于恶劣的工作条件等优点。利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器（MRAM）

　，其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器。巨磁电阻薄膜材料的广泛应用，也是纳米材料的第一项实际应用，它使得人们对磁性尤其是纳米尺寸的磁性薄膜介质之输运特性的研究有了突飞猛进的发展，由此带来计算机存储技术的革命性变化，从而深刻地改变了整个世界。

　本实验的目的是通过纳米结构层状薄膜的巨磁电阻效应及不同结构的 GMR 传感器特性测量和自旋阀磁电阻测量，了解磁性薄膜材料和自旋电子学的有关知识，并由磁电阻和巨磁电阻的历史发展中解决问题的思想方法，认识诺贝尔物理奖项目巨磁电阻的原理、技术和对科学技术发展的重要贡献。体会实验的设计与实施，理解其原理和方法，体验科学发现的精髓与快乐，促进学生逐步形成系统的物理思想，期望由此启发学生对物理科学和高新技术的浓厚兴趣。

　二、实验原理 磁电阻 MR（magneto-resistance 的缩写符号）效应是指物质在磁场的作用下电阻发生变化的物理现象。磁电阻效应按磁电阻值的大小和产生机理的不同可分为：正常磁电阻效应(Ordinary MR: OMR)、各向异性磁电阻效应(Anisotropic MR: AMR)、巨磁电阻效应(giant MR: GMR)和庞磁电阻效应( Colossal MR: CMR)等。

　GMR 作为自旋电子学的开端具有深远的科学意义。自旋电子学的研究和发展，引发了电子技术与信息技术的一场新的革命。传统的电子学是以电子的电荷移动为基础的，不考虑电子自旋。巨磁电阻效应表明，电子自旋对于电流的影响非常强烈，电子的电荷与自旋两者都可能载运信息。利用巨磁电阻效应制成的多种传感器，已广泛应用于各种测量和控制领域。

　本实验通过纳米结构层状薄膜的巨磁电阻效应及不同结构的GMR传感器特性测量和自旋阀磁电阻测量，

　了解磁性薄膜材料和自旋电子学的有关知识，并由磁电阻和巨磁电阻的历史发展， 及关键人物解决问题的思想方法，认识诺贝尔物理奖项目巨磁电阻的原理、技术，和对科学技术发展的重要贡献。

　本实验使用了巨磁电阻实验仪、基本特性测量组件、GMR 传感器、电流测量组件、角位移组件、磁卡读写组件等实验装置。其中巨磁电阻实验仪包括稳压电源、恒流源、电压表、电流表。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 的磁阻特性和磁电转换特性进行测量。在这个实验中使用螺线管线圈提供变化磁场，GMR 传感器置于螺线管的中央。而在将 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。但是对于电桥结构，如果 4 个 GMR电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。故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，以屏蔽外磁场对它们的影响，而 R1、R2 阻值随外磁场改变。分析表明，输出电压：U OUT

　= U IN ΔR/（2R-ΔR）。屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在 R1、R2 电阻所在的空间,进一步提高了 R1、R2 的磁灵敏度。同时巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至 kΩ数量级，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出。电流测量组件将导线置于 GMR 模拟传感器近旁，用 GMR 传感器测量导线通过不同大小电流时导线周围的磁场变化，就可确定电流大小。角位移测量组件用巨磁阻梯度传感器作传感元件，铁磁性齿轮转动时，齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场的分布，使梯度传感器输出发生变化，每转过一齿，就输出类似正弦波一个周期的波形。磁读写组件用于演示磁记录与读出的原理。磁卡做记录介质，磁卡通过写磁头时可写入数据，通过读磁头时将写入的数据读出来。写磁头是绕线的磁芯，线圈中通过电流时产生磁场，在磁性记录材料上记录信息。巨磁阻读磁头利用磁记录材料上不同磁场时电阻的变化读出信息。最后采用四端接线法接自旋阀磁电阻，放置于线圈中央，调整其与线圈轴线的夹角可以测量自旋阀磁电阻在不同外磁场方向时的的磁阻特性曲线。

　三、实验仪器设备 实验仪器包括 GMR 传感器、巨磁电阻实验仪稳压电源、恒流源、螺线管、电压表、电流表、基本特性测量组件、电流测量组件、角位移组件、磁卡读写组件。巨磁电阻实验仪包括稳压电源、恒流源、电压表、电流表。稳压电源提供测量所需要的电压，恒流源为螺线管供电提供测量所需的磁场，电压表和电流表分别用于测量 GMR 的电压或电流。

　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，图 10 是某型号传感器的结构。

　

　

　4 

　 10 H / m

　 图

　10 GMR 模拟传感器结构图

　对于电桥结构 ， 如果 4 个 GMR 电阻对磁场的响应完全同步 ， 就不会有信号输出。图 10 中， 将处在电桥对角位置的两个电阻 R 3 ，R 4 覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金 ， 以屏蔽外磁场对它们的影响 ， 而 R 1 ，R 2 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，R 1 ，R 2 在外磁场作用下电阻减小 ΔR，简单分析表明，输出电压：

　U OUT

　= U IN ΔR（ /

　 2R-ΔR）

　（6）

　屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在 R 1 ，R 2 电阻所在的空间 , 进一步提高了 R 1 ，R 2 的磁灵敏度。从图 10 的几何结构还可见，巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条 ，以 增大其电阻至 k Ω数量级 ， 使其在较小工作电流下得到合适的电压输出 。

　测量所用磁场可以用电磁铁，也可以用螺线管。本实验用螺线管线圈提供变化磁场。GMR传感器置于螺线管的中央。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 = μ 0 nI （7）

　 7

　式中 n

　为线圈密度，I

　为流经线圈的电流强度， 0 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）

　。

　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 磁阻特性和磁电转换特性进行测量。测量时GMR传感器置于螺线管的中央。

　四、

　实验目的 1.GMR 效应的原理 2.GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线 3.GMR 的磁阻特性曲线 4.MR传感器测量电流

　5.MR 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 五、实验内容、步骤 1.GMR 效应的原理；根据磁阻变化设计表格，测量 GMR 的磁阻特性曲线；观察曲线特点，理解磁阻曲线所反映的物理原理。

　2.测量 GMR 模拟传感器和 GMR 数字开关传感器的磁电转换特性曲线；比较两种磁电转换曲线的异同，了解 GMR 做不同传感器应用时技术处理和电路结构特点，体会物理原理到技术应用的实验设计思想。

　3.GMR 模拟传感器测量电流，分析偏置磁场对传感器应用的影响及原因。

　4.GMR 梯度传感器测量齿轮的角位移，了解 GMR 转速（速度）传感器的结构和原理。

　5.实验了解磁记录与读出的原理。

　6.自旋阀的磁电阻曲线，与多层膜磁电阻曲线比较，分析其异同及原因。

　六、实验数据及处理分析 原始数据记录：

　 1 、GMR 模拟传感器的磁电转换特性测量

　根据实验数据由公式 B = μ0nI 算得的磁感应强度，由 R=U/I 算得的电阻

　励磁电流I1(mA) 磁感应强度 B 输出电压 U（mV）

　励磁电流I1(mA) 磁感应强度 B 输出电压 U（mV）

　100 30.159289

　235 -100 -30.1593 236 90 27.143361

　235 -90 -27.1434 235 80 24.127432

　233 -80 -24.1274 234 70 21.111503

　228 -70 -21.1115 230 60 18.095574

　210 -60 -18.0956 214

　50 15.079645

　180 -50 -15.0796 185 40 12.063716

　144.8 -40 -12.0637 150 30 9.047787

　107 -30 -9.04779 112 20 6.031858

　69.1 -20 -6.03186 73.9 10 3.015929

　33.5 -10 -3.01593 37.8 6 1.809557

　20.6 -6 -1.80956 24.7 3 0.904779

　12.3 -3 -0.90478 15.4 1 0.301593

　6.5 -1 -0.30159 9.7 0 0.000000

　3.6 0 0 5.6 -1 -0.301593

　0.6 1 0.301593 3.2 -3 -0.904779

　2.4 3 0.904779 1.3 -6 -1.809557

　3.9 6 1.809557 2.2 -10 -3.015929

　15.1 10 3.015929 11.3 -20 -6.031858

　63.1 20 6.031858 62.5 -30 -9.047787

　104.9 30 9.047787 101.9 -40 -12.063716

　140.7 40 12.06372 138.1 -50 -15.079645

　176.5 50 15.07964 173.8 -60 -18.095574

　210 60 18.09557 207 -70 -21.111503

　228 70 21.1115 227 -80 -24.127432

　233 80 24.12743 233 -90 -27.143361

　235 90 27.14336 235 -100 -30.159289

　236 100 30.15929 235 以 B 为横坐标，输出电压 U 为纵坐标，作图得：

　误差分析：

　（1）

　在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负 0.2mA 以050100150200250-40 -20 0 20 40磁场减少时B-U磁场增大时B-U磁感应强度B与输出电压U的关系曲线输出电压U（mV）磁感应强度B(G)

　内，反应在图像上就是最低处的输出都在 y 轴上，实际上应当是分别分布在 y 轴左右两侧的； （2）

　用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）

　使用 Excel 表格处理数据的过程中可能会有精度损失； 2 、 GMR 的磁阻特性曲线的测量 根据实验数据由公式 B = μ0nI 算得的磁感应强度，由 R=U/I 算得的电阻，如下表所示：

　（磁阻两端电压U=4V），如下表所示：

　（磁阻两端电压 U=4V）

　励磁电流I1(mA) 磁感应强度 B 输出电压 U（mV）

　励磁电流I1(mA) 磁感应强度 B 输出电压 U（mV）

　100 30.159289

　235 -100 -30.1593 236 90 27.143361

　235 -90 -27.1434 235 80 24.127432

　233 -80 -24.1274 234 70 21.111503

　228 -70 -21.1115 230 60 18.095574

　210 -60 -18.0956 214 50 15.079645

　180 -50 -15.0796 185 40 12.063716

　144.8 -40 -12.0637 150 30 9.047787

　107 -30 -9.04779 112 20 6.031858

　69.1 -20 -6.03186 73.9 10 3.015929

　33.5 -10 -3.01593 37.8 6 1.809557

　20.6 -6 -1.80956 24.7 3 0.904779

　12.3 -3 -0.90478 15.4 1 0.301593

　6.5 -1 -0.30159 9.7 0 0.000000

　3.6 0 0 5.6 -1 -0.301593

　0.6 1 0.301593 3.2 -3 -0.904779

　2.4 3 0.904779 1.3 -6 -1.809557

　3.9 6 1.809557 2.2 -10 -3.015929

　15.1 10 3.015929 11.3 -20 -6.031858

　63.1 20 6.031858 62.5 -30 -9.047787

　104.9 30 9.047787 101.9 -40 -12.063716

　140.7 40 12.06372 138.1 -50 -15.079645

　176.5 50 15.07964 173.8 -60 -18.095574

　210 60 18.09557 207 -70 -21.111503

　228 70 21.1115 227 -80 -24.127432

　233 80 24.12743 233 -90 -27.143361

　235 90 27.14336 235 -100 -30.159289

　236 100 30.15929 235

　作图如下：

　 误差分析：

　（1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负 0.2mA 以内，反应在图像上就是最高处的输出都在 y 轴上，实际上应当是分别分布在 y 轴左右两侧的； （2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用 Excel 表格处理数据的过程中可能会有精度损失； 3 、GMR 开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 实验数据及由公式 B = μ0nI 算得的磁感应强度如下表所示，高电平：1V， 低电平：-1V 减小磁场 增大磁场 开关动作 励磁电流/mA 电压/V 磁感应强度/G 开关动作 励磁电流/mA 电压/V 磁感应强度/G 关 30.2 1.882 4.0

　关 29.5 1.882 4.5

　开 -30.5 0.0941 -5.0

　开 -32.2 0.0941 -4.5

　作图如下：

　050100150200250-40 -20 0 20 40磁场减少时B-U磁场增大时B-U磁感应强度B与输出电压U的关系曲线输出电压U（mV）磁感应强度B(G)

　 误差分析：

　（1）

　在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负 0.2mA 以内； （2）

　用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响；

　（3）

　使用 Excel 表格处理数据的过程中可能会有精度损失；

　4 、用 用 GMR 传感器测量电流

　低磁偏置 25mV：

　励磁电流 I(mA) 输出电压 U（mV）

　励磁电流 I(mA) 输出电压 U（mV）

　300 27.2 -300 23.0 200 26.5 -200 23.7 100 25.8 -100 24.3 0 25.1 0 25.0 -100 24.4 100 25.8 -200 23.7 200 26.5 -300 23.0 300 27.1 作图如下：

　00.20.40.60.811.21.41.61.82-20.0 -15.0 -10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0磁场减小时巨磁阻磁场增大时巨磁阻磁感应强度B(G)输出电压U（V）开关特性曲线

　 适当磁偏置 151mV：

　励磁电流 I(mA) 输出电压 U（mV）

　励磁电流 I(mA) 输出电压 U（mV）

　300 154.0 -300 148.5 200 153.2 -200 149.5 100 152.3 -100 150.5 0 151.3 0 151.4 -100 150.4 100 152.4 -200 149.5 200 153.3 -300 148.6 300 154.2 作图如下：

　误差分析：

　（1）

　操作中，设置低磁偏置和适当磁偏置时，由于输出电压对偏置磁铁的位置变动很灵敏，故初始磁偏置时的输出电压距离要求会有误差； （2）

　在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负 0.2mA 以内； （3）

　用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能22.523.023.524.024.525.025.526.026.527.027.5-400 -200 0 200 400低磁偏置减少电流低磁偏置增大电流低磁偏置25mV待测励磁电流与输出电压关系曲线148.0149.0150.0151.0152.0153.0154.0155.0-400 -200 0 200 400低磁偏置减少电流低磁偏置增大电流适当磁偏置151mV待测励磁电流与输出电压关系曲线

　因磁滞现象造成影响； （4）

　使用 Excel 表格处理数据的过程中可能会有精度损失； （5）

　测量适当磁偏置时，减小励磁电流时的初始电流 300mA 对应的输出电压偏离直线较多，可能由于操作原因，比如偏置磁铁的不稳定或触碰等。

　5 、GMR 梯度传感器的特性及应用 起始角度/度 139 136 133 130 127 124 121 118 转动角度/度 0 3 6 9 12 15 18 21 输出电压/mV 821 857 870 873 936 962 959 881 起始角度/度 115 112 109 106 103 100 97 94 转动角度/度 24 27 30 33 36 39 42 45 输出电压/mV 828 852 869 866 943 946 987 897 作图如下

　误差分析：

　（1）

　转动齿轮时，由于每次转动的幅度很小，由于操作原因会有转动的角度误差存在； （2）

　转动齿轮后读数时，会有因读数造成的角度误差存在； 6、通过实验了解磁记录与读出的原理

　实验数据如下表所示：

　十进制数 92 二进制数 0 1 0 1 1 1 0 0 磁卡区域号 0 1 2 3 4 5 6 7 读出电平（V）

　2.9 1.916 2.9 1.916 1.916 1.916 2.9 2.9

　80082084086088090092094096098010000 9 18 27 36 45转动角度/度输出电压/mV

　误差分析：设置的二进制数据写入时，磁卡区域可能未严格对齐； R GMR 传感器在有关领域的应用实例：

　基于 GMR 传感器阵列的生物检测：

　GMR 传感器比电子传感器更灵敏、可重复性强，具有更宽的工作温度、工作电压和抗机械冲击、震动的优异性能，而且 GMR 传感器的工作点也不会随时间推移而发生偏移。

　GMR 传感器的制备成本和检测成本低，对样本的需求量很小。由 GMR 传感器组成的阵列，还可以结合现有的 IC 工艺，提高整体设备的集成度，进行多目标的检测。同时，对比传统的荧光检测法，磁性标记没有很强的环境噪声，标记本身不会逐渐消退，也不需要昂贵的光学扫描设备以及专业的操作人员。

　测量原理：GMR 阵列传感器生物检测的基本模式用 GMR 阵列传感器进行生物检测，是以磁性颗粒为标记物，采用直接标记法或两步标记法，在施加一定方向的外加磁场的情况下，用磁敏传感器对磁性标记产生的寄生磁场进行检测，从而实现对生物目标定性定量分析。

　测量方法：以 DNA 检测为例，第一步将已知序列的 DNA 探针链结合在包埋了自旋阀传感器的芯片表面，加入用生物素标记的 DNA 目标链溶液，进行充分杂交；第二步，加入被抗生物素包裹的磁性颗粒，形成生物素一抗生物素共价键，从而选择性地捕获磁性标记。

　标记反应完成后，用外加梯度磁场将未参与标记的多余磁性颗粒分离，再施加激励磁场将磁标记(磁性颗粒)磁化，磁化的磁标记产生的寄生磁场引起传感器阻值的变化，从而导致反映生物反应的信号输出。

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