基于Analog Discovery 2的巨磁阻效应实验系统

2019-09-26白洪亮李会杏吴兴伟李雪春

物理实验 2019年9期

白洪亮，张鹏，温昕，姚志，李会杏，吴兴伟，李雪春

(大连理工大学基础物理国家级实验教学示范中心，辽宁大连 116024)

巨磁阻效应是量子力学和凝聚态物理学现象，可以在磁性材料和非磁性材料相间的多层薄膜(每层只有1个到几个原子层厚)结构中被观察到. 巨磁阻效应曾经具有重要的商业应用价值，被广泛应用到硬盘磁头上，又具有重要的科学意义，引导开辟了自旋电子学这一全新科学领域[1]. 巨磁阻效应的主要发现者费尔(Albert Fert)和格林贝格尔(Peter Grünberg)获得了2007年诺贝尔物理学奖. 巨磁阻效应既涉及到自旋电子学这一前沿科学领域，应用中又与电桥、磁电信号的激发与转换等技术紧密联系[2]，适合作为综合性、开放性题目引入到物理实验教学中[3]. 口袋式仪表Analog Discovery 2具有接口丰富、性能稳定、价格实惠的优点，可以替代实验室中常用的很多仪表[4-6]. 尝试将Analog Discovery 2应用于巨磁阻效应实验系统中，由其接管各类信号的供给、检测以及分析工作，借助其配套控制软件WaveForms丰富而强大的功能，将大量低层次的重复劳动交由计算机和软件完成，学生将有限的时间投入到更具有创造性和探索性的工作中，提高了实验的效率和开放性.

1 巨磁阻效应

产生巨磁阻效应的基本结构是多层膜结构，主要包括2类导电层：铁磁层和非铁磁层. 如图1所示，无外磁场时，相邻的2层铁磁膜在反铁磁作用下磁化方向相反(状态1)；当外界磁场足够强时，铁磁膜的磁化方向与外磁场方向趋同(状态2). 自由电子在铁磁膜之间运动时，在状态2遇到的阻碍作用要小于状态1，宏观上看巨磁阻器件呈现出低磁场高阻态、高磁场低阻态的特点. 正是巨磁阻器件的这一特点使其成为理想的磁敏传感器[7].

图1 巨磁阻器件的R-B特征曲线

实际使用时，为了消除温度等环境因素对测量的影响，提高测量精度，巨磁阻传感器一般采用桥式结构. 如图2所示，电桥由4个相同的巨磁阻器件组成，在无磁场情况下阻值都为R. 电桥左下和右上对角位置的2个巨磁阻器件因表面覆盖有高磁导率的材料而对磁场不敏感，即使在磁场中阻值也不会变化；左上和右下对角位置的巨磁阻器件则直接暴露于磁场之中，阻值随磁场变化而改变.

图2 等臂电桥结构的巨磁阻传感器

设桥式巨磁阻传感器输入端VIN+和VIN-之间的电势差为VIN，输出端VOUT+和VOUT-之间的电势差为VOUT，无外磁场时，因所有巨磁阻器件阻值相同，VOUT=0；当外磁场不为零时，暴露于磁场的巨磁阻器件阻值减小ΔR，变为R-ΔR，则输出端电势差VOUT不再为0，其与ΔR的关系为

(1)

相比于ΔR，磁阻相对变化量ΔR/R更具有实际应用意义，因而是巨磁阻传感器最为重要的参量之一. 式(1)改写为

(2)

2 Analog Discovery 2简介

Analog Discovery 2(简称AD2)是Digilent公司推出的第2代模拟电路设计套件，包括硬件和软件2部分. 硬件部分主要包括多组模拟信号接口和16个数字信号接口. 软件部分被称为WaveForms(简称WFs)，可以免费在电脑上安装使用，并支持Digilent出品的其他硬件[5,8]. AD2的硬件部分还支持LabVIEW编程控制. 硬件和软件之间的通讯通过USB数据线完成. 依靠WFs软件，AD2可以被同时配置为包括示波器、信号发生器、直交流电源、数字信号发生器、频谱仪和逻辑分析仪等在内的各类仪表，WFs丰富的数据处理和支持脚本操控的功能，还可以帮助使用者完成更高层次、更多样化的测试需要.

AD2的硬件接口(如图3所示)非常丰富，包括模拟通道和数字通道，各接口的相关情况可以通过查阅使用手册获得. AD2自带的接口是针形接口，但是可以通过适配器转为BNC+针形接口. 针形接口适用于静态或者低频信号测试，BNC适用于高频信号或者对环境干扰非常敏感的测量任务. 2类接口支持的信号种类有所差别，针形接口同时支持差分信号和单端信号，BNC接口则只能支持单端信号(另一端必须接地). 考虑到本系统对各类通道需求比较多，信号频率也处于低频段，所以只采用了AD2的针形接口作为模拟和数字信号的通道.

图3 Analog Discovery 2的数据接口

3 基于AD2的巨磁阻效应实验仪

设计的巨磁阻效应实验仪包含了3个基本功能：测量巨磁阻器件的R-B特征曲线，利用巨磁阻传感器测量转速，对小角位移定标和测量. 3个功能所用的巨磁阻传感器完全相同，都是NVE的AA002-02E 桥式巨磁阻传感器. 传感器被焊接在电路板上，并通过导线与AD2的相关接口接通. 巨磁阻传感器的输入信号和输出信号由AD2提供和测量.

R-B特征曲线测量需要引入可变磁场，本系统中用螺线管来提供，并用AD2的交流信号接口提供励磁电流. 对于不同的巨磁阻传感器，其饱和场会有所差别，受最大输出功率和输出电压限制，单纯依靠AD2驱动螺线管可能无法使传感器饱和，因而有时需要额外增加线性功率信号放大器对驱动信号进行放大. 系统采用了JUNTEK的DPA-698对螺线管驱动信号进行了增压. 图4给出了测量巨磁阻器件R-B特征曲线接线图. 桥式巨磁阻传感器的直流输入电压VIN由直流电压供电接口V+和V-接口提供，螺线管的励磁电流和直流电机的驱动电流由交流信号供给接口W1(同时支持直流偏置信号)和接地接口↓提供. 螺线管内轴线上磁场的大小和方向用间接方法获得. 将小阻值定值电阻R0与W1及螺线管串联，通过1+和1-接口测量定值电阻两端的电压VR0. 螺线管内轴线处磁场的磁感应强度最终可以通过

得出. 巨磁阻传感器的输出电压VOUT由示波器接口2+和2-实时测得.

图4 巨磁阻器件的R-B特征曲线测试接线图

测量转速功能的连接方式与前面类似. 选用直流电机产生高速运动，通过在电机轴上加装条状磁铁，可以获得与电机同周期变化的磁场，继而用巨磁阻传感器测出磁场变化得到电机的转速. 该功能的连线方式见图5.

图5 直流电机的转速测量接线图

小角位移的定标和测量功能与测转速的功能类似，出于实现小角度的快速定标和准确测量的考虑，又做了较多的改进：用15个齿的齿轮状磁体替代条状磁铁，提高转动过程的角分辨能力；用转速和转角可以严格控制的步进电机替代直流电机，提高实验效率，丰富实验内容；将两者轴连到一起，并用AD2的数字通道通过CW250驱动器(1/8细分)来控制步进电机(固有步进角1.8°)的转动过程，实现转动过程的自动和精细控制.

为了能让巨磁阻传感器在线性区间工作，在巨磁阻传感器的另一侧加入1块条形磁铁提供偏置磁场. 预实验中发现条状磁铁、巨磁阻传感器及齿轮状磁体的相对位置及形状对于测试结果影响很大，为了便于观察相关因素带来的影响，将各主要部分的支架换成了可以三维移动的架台，并给条状磁铁配备了不同材质和形状的导磁头. 这些设计融合了多种实验技术和思想，使得实验系统的科学性得到了提高，特别适合开设探索性、综合性和研究性项目. 图6给出了用AD2采集巨磁阻传感器信号和控制步进电机的连线示意图及实物.

(b)图6 步进电机的角位移测量实物图及接线图

4 实验结果

图7给出了基于图4的巨磁阻传感器R-B特征曲线测试界面的截图. 从左上到右下4个窗口分别为示波器Y-T模式窗口、X-Y模式窗口、直流电源控制窗口和交流信号控制窗口. 在X-Y模式窗口中可以看到未经处理的VOUT-VR0曲线. 虽然与要测的R-B特征曲线有差别，但是仍然可以清楚地看出在VR0=0附近存在2个分立的峰，这正是巨磁阻传感器的典型特征.

图7 R-B特征曲线测量界面

利用WFs软件示波器功能里Y通道的定制功能，可以增加基于已有通道和函数的新通道并在示波器界面中予以显示. 将VR0，N等参量的数值以及VOUT和VR0通道的数据代入式(2)，可以进一步得到2个新的数据通道ΔR/R和B(图8左侧)，将其引入X-Y模式显示窗口可以得到如图8右侧所示的巨磁阻传感器R-B特征曲线. 改变励磁电压的频率，还可以进一步观察巨磁阻传感器在不同动态磁场中的R-B特征曲线的变化规律.

图8 经过数学处理后的R-B特征曲线测试结果

图9为用巨磁阻传感器测量直流电机转速的实验结果. 用AD2的示波器功能可以轻松得到VOUT的周期性曲线，再用Measurement功能可以自动求出电机的转速(频率).

图9 直流电机的转速测量界面

图10为用示波器功能测量步进电机转动的测量界面. 由于齿轮状磁铁导致磁场的变化周期变为了步进电机转动周期的1/15，如果能更加准确地确定VOUT曲线与转动角度的关系，则可以用巨磁阻传感器测量小角位移. 由图10中曲线周期及齿状磁铁齿数(15齿)可以推出步进电机的转速是22.86°/s，而根据步进电机的驱动脉冲频率(100 Hz)和驱动器的细分数(1/8)可推得步进电机的转速为22.50°/s，两者相差1.6%，测量的准确性较为理想. 由于步进电机的转动是步进式，每1步所用时间相同，角度固定，所以VOUT-t曲线中的时间轴标度与转角成线性关系，1个周期对应24°. 若仅测量小角位移，可以选取VOUT-t曲线中平均位置附近近似线性变化的区域作为测量区间，可以更好地降低测量不确定度.