巨磁电阻效应应用实验设计及实现

罗志高

(中山大学 公共实验教学中心，广东 广州 510275)

磁电阻效应又称磁致电阻变化效应，指金属或半导体材料的电阻值随外加磁场作用而改变的效应。在多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料的磁化方向是相反的，称为反平行(或反铁磁)耦合，施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的磁化方向都与外磁场方向一致，称为平行耦合。外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合，此过程中中间层电阻发生显著变化。这种效应称为巨磁电阻效应(Giant MagnetoResistance，GMR)。分别由法国物理学家阿贝尔·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格(Peter Grunberg)在铁-铬-铁薄膜周期结构中发现，并因此获得2007年的诺贝尔物理学奖[1-5]。

1 手动测量巨磁电阻效应实验

本实验采用世纪中科公司的巨磁电阻效应实验仪以及它的基本特性组件、电流测量组件、角位移测量组件和磁读写组件。分别测量GMR传感器的磁电转换、GMR磁阻特性、GMR开关(数字)传感器的磁电转换特性曲线测量、GMR传感器测量电流、GMR梯度传感器的特性及应用和磁记录与读出。

1.1 测量GMR传感器的磁电转换

GMR传感器的磁电转换特性测量数据见表1。

表1 GMR传感器的磁电转换特性测量数据(其中B=Uout·N·Im，N=24 000)

作图如图1所示。

图1 GMR传感器的磁电转换特性

1.2 测量GMR磁阻特性

测量GMR磁阻特性数据见表2。测量结果如图2。

表2 测量GMR磁阻特性数据

图2 GMR磁阻特性测量结果图

自动测量采样率为几赫兹低频段就是手动测量的结果，因此不再叙述手动测量GMR开关(数字)传感器的磁电转换特性曲线测量、GMR传感器测量电流、GMR梯度传感器的特性及应用和磁记录与读出(图2)。

2 自动测量巨磁电阻效应实验

在原来手动测量的基础上增加微型计算机、850数据采集器和电压电流传感器，其中850数据采集器A端口接电压传感器，B和C端口分别接电流传感器，即A通道为电压传感器，B通道为电流传感器，C通道为电流传感器，“螺线管电流输入”串联B通道电流传感器，电压表输入两个端口并联接电压传感器，在计算机中安装PASCOCapstone软件，检查850数据采集器硬件设置是否正常如图3所示，拖动右边图表按钮，形成一个表如图4所示，然后在左边计算器栏中设置如下。

图3 硬件设置

图4 计算器栏中设置情况

B=μ。*n*[Im，通道B(毫安mA)]*10 单位为：Gauss

μ。=4*π*0.0000001， 单位为：H/m

n=24000 (线圈密度24 000匝/米)

U=[Uout，通道A(毫伏mV)] 单位为：mV

R=4000/IR单位为：欧姆

IR=[Ir，通道C(毫安mA),▼] 单位为：mA

测量GMR传感器的磁电转换特性：纵坐标设为Uout，横坐标为Im，建立Uout—B表如图5所示。调节励磁电流Im前先点击表下面的记录，采样率先做100Hz，再做5Hz，结果如图5和图6所示。

图5 采样率100 Hz时GMR传感器的磁电转换特性测量

图6 采样率5 Hz时GMR传感器的磁电转换特性测量

其中：螺线管内的磁感应强度B，B=μ0nIm式中，μ0=4π×10-7H/m为真空磁导率。

测量GMR磁阻特性结果如图7和图8所示。

图7 采样率100 Hz时GMR磁阻特性测量

图8 采样率2 Hz时GMR磁阻特性测量

测量GMR开关(数字)传感器的磁电转换特性曲线：结果如图9和图10所示。

图9 采样率100 Hz时GMR开关(数字)传感器的磁电转换特性曲线

图10 采样率5 Hz时GMR开关(数字)传感器的磁电转换特性曲线

GMR传感器测量电流：结果如图11和图12所示。

图11 采样率100 Hz时GMR传感器测量电流

图12 采样率5 Hz时GMR传感器测量电流

GMR梯度传感器的特性及应用(采样率50Hz)如图13所示。

图13 采样率50 Hz时GMR梯度传感器的特性及应用

磁记录与读出(采样率50Hz)如图14所示

图14 磁记录与读出结果

3 结 语

通过手动测量和自动测量进行对照，可以发现自动测量采样率的低频段就是手动测量的结果，采样率越高，图形受影响程度越高，也同时反应了仪器的精度，该实验也受到厂家的高度重视，并且对仪器设备进一步做了改进。该实验已经用于我校《大学物理实验》教学中，受到师生们的肯定，使得实验内容和测量手段更完善，加深了学生对巨磁电阻原理及应用认识，培养了学生多种分析问题和的处理问题能力。