基础物理实验研究性实验报告
巨磁电阻效应及其应用
目录
摘要 (1)
1.基本原理 (1)
2.实验仪器 (2)
2.1实验仪主机 (2)
2.2基本特性组件模块 (3)
2.3电流测量组件 (3)
2.4角位移测量组件 (3)
2.5磁读写组件 (4)
3.实验内容 (4)
3.1GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 (4)
3.2GMR磁阻特性测量 (5)
3.3GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 (5)
3.4用GMR模拟传感器测量电流 (6)
3.5GMR梯度传感器的特性及应用 (7)
3.6磁记录与读出 (7)
4.注意事项 (8)
5.数据处理 (8)
5.1 GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 (8)
5.1.1公式推导 (8)
5.1.2GMR模拟传感器的磁电转换特性数据处理 (9)
5.2 GMR磁阻特性测量 (10)
5.3 GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 (11)
5.4用GMR模拟传感器测量电流 (11)
5.5 GMR梯度传感器的特性及应用 (12)
5.6磁记录与读出 (13)
6.误差分析 (13)
7.结果讨论 (14)
8.实验总结 (14)
[参考文献] (15)
附录 (15)
摘要
本文的主要内容包括对GMR模拟传感器的磁电转换特性、GMR磁阻特性、GMR 开关（数字）传感器的磁电转换特性的测量及探究，对运用GMR模拟传感器测量电流的探究，对GMR梯度传感器的特性探究及应用，以及磁记录与磁读出的原理与过程。通过具体实验数据处理，进一步理解实验的原理及步骤，并作出相应的误差分析与结果讨论。最后，对本次实验进行总结并表达感想。
关键词：GMR，传感器，实验，数据处理，总结
1.基本原理
根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。电阻定律R=ρl/S中，把电阻率ρ视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm），可以忽略边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为0.3nm），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。
电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。实验证明，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和；总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。
下图所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。
无外磁场时顶层磁场方向
无外磁场时底层磁场方向
图1多层膜GMR结构图
有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献：
其一，界面上的散射。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行－反平行，或反平行－平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高
电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。
其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁膜之间穿行。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。
2.实验仪器
实验所用仪器与主要组件简介如下：
2.1实验仪主机
如图为巨磁阻实验仪系统的实验仪前面板图。
包括：
（1）输入部分
电流表部分：可做为一个独立的电流表使用。两个档位：2mA档和200mA档，可通过电流量程切换开关选择合适的电流档位测量电流。
电压表部分：可做为一个独立的电压表使用。两个档位：2V档和200mV档，可通过电压量程切换开关选择合适的电压档位。
（2）输出部分
恒流源部分：可变恒流源，对外提供电流
恒压源部分：提供GMR传感器工作所需的4V电源和运算放大器工作所需的±8V电源。
巨磁阻实验仪操作面板
2.2基本特性组件模块
基本特性组件由GMR 模拟传感器、螺线管线圈、输入输出插孔组成，用以对GMR 的磁电转换特性，磁阻特性进行测量。
GMR 传感器置于螺线管的中央。螺线管用于在实验过程中产生大小可计算的磁场，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：
特斯拉实验B=μ0nI
式中n 为线圈密度，I 为流经线圈的电流强度，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， m H /10470-⨯=πμ为真空中的磁导率）。
基本特性组件
2.3电流测量组件
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。与一般测量电流需将电流表接入电路相比，这种非接触测量不干扰原电路的工作，具有特殊的优点。
电流测量组件
2.4角位移测量组件
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。利用该原理可以测量角位移（转速，速度）。汽车上的转速与速度测量仪就是利用该原理制成的。
角位移测量组件