材科制备与检测技术实验第4章 ③高压系统的操作应特别注意安全，实验前应检查好地线，每次观察完毕必须将高 压降至零位。由于电路中有一个滤波电容，所以关闭高压开关后不要马上去接触高压 部分 ④电子在加速前进中打在金属上会激发X射线，对人体有害。要注意在观察窗调整 样品时不要加高压，加高压时要加防护罩。观察荧光屏上的衍射图样时避免直接照射。 ⑤电子衍射仪为高压真空器件，为了防止在实验时各金属表面的严重放气，整个系 统应长期保持真空。当仪器长期不用时，应定期用机械系抽真空。 【思考与讨论】 (1)100kV加速电压下电子波的波长为多少？为什么要用品体作电子衍射光册才能 观察到衍射现象？ (2)实验中为什么选用金属晶体而不选用共价晶体和离子晶体作为晶体光栅？ (3)如果用单品体作样品会观察到什么样的电子衍射图样？为什么？ (4)试简述根据电子衍射现象研究品体结构的基本原理和方法。 (5)电子行射与X射线衍射有何异同？ 【参考文献】 [1]周世助.量子力学教程，第2版.北京：人民教育出版社，2009. [2]高立模近代物理实验.天津：南开大学出版社，2006 [3]吴思诚，王祖铨，近代物理实验，北京：高等教有出版社，2005 [4]史庆藩.英汉近代物理实验，北京：国防工业出版社，2010. [5]成元发，肖海波.近代物理实验.北京：科学出版社，2009. 实验42磁性材料的磁电阻特性测量 磁电阻效应(magnetoresistance effect)是指在外加磁场中材料的电阻率发生变化的 现象，也称为磁致电阻变化效应。目前发现的磁电阻效应有正常磁电阻(ordinary magne toresistance,)MR)效应，各向异性磁电阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)效应，巨 磁电阻(giant magnetoresistance,GMR)效应、庞磁电阻(colossal magnetoresistance CMR)效应和遂道磁电阳(tunnel magnetoresistance,TMR)效应等。巨陵电阻效应是指 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显著变化的现象。1988 年法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter A. Grunberg)各自独立发现了巨磁电阻数应，并因此共同获得了2007年诺贝尔物理学奖 这一发现开启了磁电子新技术的大门一 一自旋电子学，并很快引发了磁盘的大容量、小型 化革命。巨磁电阻效应现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域。根据磁电阻效应 制成的各种磁敏电阻器件可用于角度，转速、加速度、位移等物理量的测量和控制，在家用 151
— １５１ — ③ 高压系统的操作应特别注意安全,实验前应检查好地线,每次观察完毕必须将高 压降至零位.由于电路中有一个滤波电容,所以关闭高压开关后不要马上去接触高压 部分. ④ 电子在加速前进中打在金属上会激发 X射线,对人体有害.要注意在观察窗调整 样品时不要加高压,加高压时要加防护罩.观察荧光屏上的衍射图样时避免直接照射. ⑤ 电子衍射仪为高压真空器件,为了防止在实验时各金属表面的严重放气,整个系 统应长期保持真空.当仪器长期不用时,应定期用机械泵抽真空. 【思考与讨论】 (１)１００kV 加速电压下电子波的波长为多少? 为什么要用晶体作电子衍射光栅才能 观察到衍射现象? (２)实验中为什么选用金属晶体而不选用共价晶体和离子晶体作为晶体光栅? (３)如果用单晶体作样品会观察到什么样的电子衍射图样? 为什么? (４)试简述根据电子衍射现象研究晶体结构的基本原理和方法. (５)电子衍射与 X射线衍射有何异同? 【参考文献】 [１] 周世勋．量子力学教程．第２版．北京:人民教育出版社,２００９． [２] 高立模．近代物理实验．天津:南开大学出版社,２００６． [３] 吴思诚,王祖铨．近代物理实验．北京:高等教育出版社,２００５． [４] 史庆藩．英汉近代物理实验．北京:国防工业出版社,２０１０． [５] 成元发,肖海波．近代物理实验．北京:科学出版社,２００９． 实验４Ｇ２ 磁性材料的磁电阻特性测量 磁电阻效应(magnetoresistanceeffect)是指在外加磁场中材料的电阻率发生变化的 现象,也称为磁致电阻变化效应.目前发现的磁电阻效应有正常磁电阻(ordinarymagneＧ toresistance,OMR)效应、各向异性磁电阻(anisotropicmagnetoresistance,AMR)效应、巨 磁电 阻 (giant magnetoresistance,GMR)效 应、庞 磁 电 阻 (colossalmagnetoresistance, CMR)效应和隧道磁电阻(tunnelmagnetoresistance,TMR)效应等.巨磁电阻效应是指 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显著变化的现象.１９８８ 年法国科学家阿尔贝 费尔(AlbertFert)和德国科学家彼得 格林贝格尔(PeterA． Grünberg)各自独立发现了巨磁电阻效应,并因此共同获得了２００７年诺贝尔物理学奖. 这一发现开启了磁电子新技术的大门———自旋电子学,并很快引发了磁盘的大容量、小型 化革命.巨磁电阻效应现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域.根据磁电阻效应 制成的各种磁敏电阻器件可用于角度、转速、加速度、位移等物理量的测量和控制,在家用
物理实验教程一近代物理实经 电器、汽车工业和自动控制技术中得到广泛应用。在高精度电子罗盘等磁场测量传感器 和生物传感器方面磁电阻效应也有重要应用。本实验采用多层膜巨磁电阻、自旋阀巨磁 电阻和各向异性磁电阻3种磁电阻传感器，研究各种磁电阻的基本特性和磁电阻传感器 的输出特性，并应用磁电阻传感器测量电流。 【实验目的】 ()理解磁电阻效应的基本原理，掌握测量磁电阻特性的实验方法和技术。 (2)测量多层膜巨磁电阻、自旋阀巨磁电阻、各向异性磁电阻的基本特性。 (3)掌握测量磁电阻传感器输出特性的基本原理和实验方法。 【预习要求】 (1)什么是磁电阻效应？正常磁电阻与巨磁电阻有何区别？ (2)为什么巨磁电阻会随外加磁场的增大而减小？ (3)实验中磁场是如何测量的？ (4)什么是磁电阻传感器的灵敏度？ 【实验原理】 一、磁电阻效应 早在1856年英国物理学家威廉·汤姆森即开尔文勋爵(William Thomson,Lord Klvi)就发现了磁电阻效应。通常以电阻率的相对变化率来表示磁电阻的大小，磁电阻 通常定义为： △2_Ps-Pg (4-2-1) 式中，P为无外磁场作用时的电阻率：a为有外磁场B作用时的电阻率。有时式(4-2-1) 也可以表示为： △R_RB-Rg R。 R。 (4-2-2) 式中，R。为无外磁场作用时的电阻：R为有外磁场B作用时的电阻。 根据式(4-2-1)或式(4-2-2).可以将磁电阳划分为两类，即正磁电阻和负磁电阳。如 果考虑磁场与电场之间的关系，又可以分为纵向磁电阻、横向磁电阻和垂直磁电阻，如图 4-2-1所示（图中』为电流密度），沿电流方向测量磁电阻。 (a) (e) 图4-2-1依赖于磁场和电流方向的三种磁电阻 (a)纵向磁电阳：(b)横向磁电阻：（©）垂直磁电阻 目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应大致包括：由磁场直接引起的磁性材料的正 常磁电阻效应、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻效应、掺杂稀土氧化物中的庞大磁电 —152
— １５２ — 电器、汽车工业和自动控制技术中得到广泛应用.在高精度电子罗盘等磁场测量传感器 和生物传感器方面磁电阻效应也有重要应用.本实验采用多层膜巨磁电阻、自旋阀巨磁 电阻和各向异性磁电阻３种磁电阻传感器,研究各种磁电阻的基本特性和磁电阻传感器 的输出特性,并应用磁电阻传感器测量电流. 【实验目的】 (１)理解磁电阻效应的基本原理,掌握测量磁电阻特性的实验方法和技术. (２)测量多层膜巨磁电阻、自旋阀巨磁电阻、各向异性磁电阻的基本特性. (３)掌握测量磁电阻传感器输出特性的基本原理和实验方法. 【预习要求】 (１)什么是磁电阻效应? 正常磁电阻与巨磁电阻有何区别? (２)为什么巨磁电阻会随外加磁场的增大而减小? (３)实验中磁场是如何测量的? (４)什么是磁电阻传感器的灵敏度? 【实验原理】 一、磁电阻效应 早在１８５６年英国物理 学 家 威 廉 汤 姆 森 即 开 尔 文 勋 爵 (William Thomson,Lord Kelvin)就发现了磁电阻效应.通常以电阻率的相对变化率来表示磁电阻的大小,磁电阻 通常定义为: Δρ ρ０ ＝ ρB －ρ０ ρ０ (４Ｇ２Ｇ１) 式中,ρ０ 为无外磁场作用时的电阻率;ρB 为有外磁场B 作用时的电阻率.有时式(４Ｇ２Ｇ１) 也可以表示为: ΔR R０ ＝ RB －R０ R０ (４Ｇ２Ｇ２) 式中,R０ 为无外磁场作用时的电阻;RB 为有外磁场B 作用时的电阻. 根据式(４Ｇ２Ｇ１)或式(４Ｇ２Ｇ２),可以将磁电阻划分为两类,即正磁电阻和负磁电阻.如 果考虑磁场与电场之间的关系,又可以分为纵向磁电阻、横向磁电阻和垂直磁电阻,如图 ４Ｇ２Ｇ１所示(图中J 为电流密度),沿电流方向测量磁电阻. 图４Ｇ２Ｇ１ 依赖于磁场和电流方向的三种磁电阻 (a)纵向磁电阻;(b)横向磁电阻;(c)垂直磁电阻 目前,已被研究的磁性材料的磁电阻效应大致包括:由磁场直接引起的磁性材料的正 常磁电阻效应、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻效应、掺杂稀土氧化物中的庞大磁电
0 材科制各与检测技术实验第4章 阻效应，磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻效应以及隧道磁电阻效应等。图4-2-2列 出了几种磁电阻材料的电阻值R随外磁场B的变化形式，图中的百分数表示最大磁电 阻。在上述磁电阻效应中，正常磁电阻已经逐步被巨磁电阻取代，成为应用最为普遍的磁 电阻。 R R 约109% 1 B/T 2 8/mT (a)正常破电阻(OMR》 (d)巨电阻(GMR) 约20% -505m (b)老楼电阻(CMR】 (e)能道蓝电阻(TMR R R 约红 123m时 100 100Bm (©)各向异性磁电阻(AMR (0粉未磁电阻 图4-2-2几种典型的磁电阻效应 二、多层膜巨磁电阻效应 1,多层膜巨磁电阻效应基本原理 巨磁电阻材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时大幅度诚小，电阻率 相对变化率比各向异性磁电阻的高1一2个数量级。磁场的微弱变化将导致巨磁电阻材 料的电阻率产生明显改变，从而能够用来探测微弱信号。一般材料的△p/。值都很小，通 常小于1%，各向异性磁电阻材料（如坡莫合金）的△/。值可达到3%，而巨磁电阻材料 的△0/。值通常都在10%以上，有些可达到100%以上。 多层膜巨磁电阻是一种层状结构，由厚度为几个纳米的铁磁金属层(F,Co,Ni等)和 非磁性金属层(Cr,Cu,Ag等)交替制成，相邻铁磁金属层的磁矩方向相反。这种多层膜 的电阻随外磁场变化而显著变化。当外磁场为零时，材料电阻最大，当外磁场足够大时， 原本反向平行的各铁磁金属层磁矩都沿外磁场方向排列，材料电阻最小。 多层膜巨磁电阻效应可以用二流体模型来解释。在铁磁金属层中，导电的5电子要 受到磁性原子磁矩的散射作用，散射的概率取决于导电的s电子自旋方向与薄膜中磁性 原子磁矩方向的相对取向，即自旋方向与磁矩方向一致的电子受到的散射作用很弱，自旋 方向与磁矩方向相反的电子则受到强烈的散射作用，而传导电子受到的散射作用的强弱 直接影响到材料电阻的大小。 153
— １５３ — 阻效应、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻效应以及隧道磁电阻效应等.图４Ｇ２Ｇ２列 出了几种磁电阻材料的电阻值 R 随外磁场B 的变化形式,图中的百分数表示最大磁电 阻.在上述磁电阻效应中,正常磁电阻已经逐步被巨磁电阻取代,成为应用最为普遍的磁 电阻. 图４Ｇ２Ｇ２ 几种典型的磁电阻效应 二、多层膜巨磁电阻效应 １．多层膜巨磁电阻效应基本原理 巨磁电阻材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时大幅度减小,电阻率 相对变化率比各向异性磁电阻的高１~２个数量级.磁场的微弱变化将导致巨磁电阻材 料的电阻率产生明显改变,从而能够用来探测微弱信号.一般材料的 Δρ/ρ０ 值都很小,通 常小于１％,各向异性磁电阻材料(如坡莫合金)的 Δρ/ρ０ 值可达到３％,而巨磁电阻材料 的 Δρ/ρ０ 值通常都在１０％以上,有些可达到１００％以上. 多层膜巨磁电阻是一种层状结构,由厚度为几个纳米的铁磁金属层(Fe,Co,Ni等)和 非磁性金属层(Cr,Cu,Ag等)交替制成,相邻铁磁金属层的磁矩方向相反.这种多层膜 的电阻随外磁场变化而显著变化.当外磁场为零时,材料电阻最大;当外磁场足够大时, 原本反向平行的各铁磁金属层磁矩都沿外磁场方向排列,材料电阻最小. 多层膜巨磁电阻效应可以用二流体模型来解释.在铁磁金属层中,导电的s电子要 受到磁性原子磁矩的散射作用,散射的概率取决于导电的s电子自旋方向与薄膜中磁性 原子磁矩方向的相对取向,即自旋方向与磁矩方向一致的电子受到的散射作用很弱,自旋 方向与磁矩方向相反的电子则受到强烈的散射作用,而传导电子受到的散射作用的强弱 直接影响到材料电阻的大小
物理实验教程一近代物理失险O 根据二流体模型，传导电子分成自旋向上和自旋向下两种。由于多层膜中非磁性金 属层对两组自旋状态不同的传导电子的影响是相同的，所以只考虑铁磁金属层的影响。 当外磁场为零时，相邻铁磁金属层的磁矩方向相反，如图4-2-3(a)所示，两种电子都在穿 过与其自旋方向相同的铁磁金属层后在下一铁磁金属层受到强烈的散射作用，其阻值 (R)较大，宏观上材料处于高电阻状态。当外磁场饱和时，原本反向平行排列的各铁磁金 属层磁矩都沿外磁场方向排列，一半电子可以穿过许多铁磁金属层且只受到很弱的散射 作用，其阻值()较小，另一半在每个铁磁金属层都受到很强的散射作用，其阻值(R)较 大，宏观上材料处于低电阻状态。这样就产生了巨磁电阻现象。 电流方向 R R 外磁场B (a)当外脑场为零时。巨磁电阻材料处于高电阻状态 电流方向一 R R 外蓝场B> (b)当外磁场胞和时，巨磁电阳材料处于低电阻状态 图4-2-3二流体模型对巨磁电阻效应的解释 2.多层膜巨磁电阻传感器的输出电压及灵敏度测号 多层膜巨磁电阻传感器的电路原理如图424所示，由4个相同的巨磁电阻组成惠斯 登电桥结构，分别为R,=R,=R,=R,=R。其中电阻R,和R,涂有磁屏被层，其阳值 不随外磁场变化，即R2=R,=R。通过测量传感器的输出电压VT随外磁场的变化曲 线可以给出两者的线性区域范围，在线性区域内磁电阻的灵敏度S(单位： mV·V-1·mT)可由下式计算得到： (4-2-3) 亥姆霍兹线图轴线中心位置磁感应强度的计算公式为： B-82,N-8X4红X10×201=17.98×10- (4-2-4) 5号×0.100 154
— １５４ — 根据二流体模型,传导电子分成自旋向上和自旋向下两种.由于多层膜中非磁性金 属层对两组自旋状态不同的传导电子的影响是相同的,所以只考虑铁磁金属层的影响. 当外磁场为零时,相邻铁磁金属层的磁矩方向相反,如图４Ｇ２Ｇ３(a)所示,两种电子都在穿 过与其自旋方向相同的铁磁金属层后在下一铁磁金属层受到强烈的散射作用,其阻值 (R)较大,宏观上材料处于高电阻状态.当外磁场饱和时,原本反向平行排列的各铁磁金 属层磁矩都沿外磁场方向排列,一半电子可以穿过许多铁磁金属层且只受到很弱的散射 作用,其阻值(r)较小,另一半在每个铁磁金属层都受到很强的散射作用,其阻值(R)较 大,宏观上材料处于低电阻状态.这样就产生了巨磁电阻现象. 图４Ｇ２Ｇ３ 二流体模型对巨磁电阻效应的解释 ２．多层膜巨磁电阻传感器的输出电压及灵敏度测量 多层膜巨磁电阻传感器的电路原理如图４Ｇ２Ｇ４所示,由４个相同的巨磁电阻组成惠斯 登电桥结构,分别为R１ ＝R２ ＝R３ ＝R４ ＝RB . 其中电阻R２ 和R４ 涂有磁屏蔽层,其阻值 不随外磁场变化,即R２＝R４ ≡R０. 通过测量传感器的输出电压VOUT随外磁场的变化曲 线 可 以 给 出 两 者 的 线 性 区 域 范 围,在 线 性 区 域 内 磁 电 阻 的 灵 敏 度 S (单 位: mVV－１mT－１)可由下式计算得到: S＝ １ V＋ dVOUT dB ＝ １ V＋ ΔVOUT ΔB (４Ｇ２Ｇ３) 亥姆霍兹线圈轴线中心位置磁感应强度的计算公式为: B ＝ ８μ０NI ５ ２ ３r ＝ ８×４π×１０－７ ×２００ ５ ２ ３ ×０．１００ I＝１７．９８×１０－４I (４Ｇ２Ｇ４)
材料制备与检测技术实验第4章 式中，B为磁感应强度，1为通过线圈的电流：r为线圈半径，r=0.100m。测出亥姆霍兹 线圈的通电电流，由式(4-2-4)就可计算出相应的磁感应强度。 图424多层膜巨磁电阻传感器的惠斯登电桥结构 3.多层膜巨磁电阻测量原理 采用伏安法测量多层膜巨磁电阻。在测量多层膜巨磁电阻时需要将R,和R,短路， 将传感器等效成简单的巨磁电阻，测量结构图和等效图如图4-2-5所示。 等效后的传感器总电阻为单个巨磁电阻的一半，即R=R/2。再将一个已知阻值 的精密电阻R,与传感器总电阻R串联，施加一个已知工作电压V+,在R,两端并联 个数字电压表，使可则出惠斯登电桥中单个巨蓝电阻的阻值R:,如图4-2-5(b)所示。 00 0。 (a)测敏结构图 (b)等效电路图 图4-2-5多层膜巨磁电阻的测量结构图和等效电路图 根据图4-2-5(b)可得： R._V.-V (4-2-5) R 式中，V为数字电压表读数。式(4-2-5)可变为： R=2R,Y,- (4-2-6) 当外磁场为0时，有： R。=2R,(V4-V) (4-2-7) V。 式中，R。为巨磁电阻在外磁场为0时的阻值：V。为数字电压表在外磁场为0时的读数 -155
— １５５ — 式中,B 为磁感应强度;I 为通过线圈的电流;r 为线圈半径,r＝０．１００m.测出亥姆霍兹 线圈的通电电流,由式(４Ｇ２Ｇ４)就可计算出相应的磁感应强度. 图４Ｇ２Ｇ４ 多层膜巨磁电阻传感器的惠斯登电桥结构 ３．多层膜巨磁电阻测量原理 采用伏安法测量多层膜巨磁电阻.在测量多层膜巨磁电阻时需要将R２ 和R４ 短路, 将传感器等效成简单的巨磁电阻,测量结构图和等效图如图４Ｇ２Ｇ５所示. 等效后的传感器总电阻为单个巨磁电阻的一半,即Rtotal＝RB/２. 再将一个已知阻值 的精密电阻Ra 与传感器总电阻Rtotal串联,施加一个已知工作电压V＋ ,在Ra 两端并联一 个数字电压表,便可测出惠斯登电桥中单个巨磁电阻的阻值RB ,如图４Ｇ２Ｇ５(b)所示. 图４Ｇ２Ｇ５ 多层膜巨磁电阻的测量结构图和等效电路图 根据图４Ｇ２Ｇ５(b)可得: RB ２ ＝ V＋－V V Ra (４Ｇ２Ｇ５) 式中,V 为数字电压表读数.式(４Ｇ２Ｇ５)可变为: RB ＝ ２Ra(V＋－V) V (４Ｇ２Ｇ６) 当外磁场为０时,有: R０ ＝ ２Ra(V＋－V０) V０ (４Ｇ２Ｇ７) 式中,R０ 为巨磁电阻在外磁场为０时的阻值;V０ 为数字电压表在外磁场为０时的读数
物理实验教程一近代物理实检. 由式(4-2-6)和式(4-2-7)可得： RBV。(V+-V) R。=V(V,-V。 (4-2-8) 因此所测巨磁电阻材料的磁电阻为： △R_RB-R。_V(V+-V) R。 m,-1 (4-2-9) 实验中通常绘制R/R。-B关系曲线，以观察磁电阻特性。从R/R。-B关系曲线中 找到线性区域的范围，并利用式(4-2-9)计算出磁电阻的最大值，该值常用来衡量磁电阻 效应的强弱。 4.多层膜巨磁电阻传感器测量电流 通有电流的导线周围会产生感应磁场，多层膜巨磁电阻传感器在导线周围时会因受 到其感应磁场作用输出一定的电压值，如图4-2-6所示。若两者之间的距离一定，当电流 增大时，感应磁场增大，则传感器的输出电压增大；反之，当电流减小时，感应磁场减小，传 感器的输出电压也减小。在磁电阻的线性区域内，电流,与传感器输出电压Vr成正 比关系，即 1,-kVour (4-2-10) 式中，k为比例常数。通过多次测量可以拟合出k值，进而根据式(4210)测量电流。 P ☑ 图42-6多层膜巨磁电阻测量电流原理图 三、自旋阀巨磁电阻效应 1自旋巨磁电阻效应基本原理 自旋阀巨磁电阻材料主要由钉扎层（一般由FeMn层和Ni-Fe层构成）、自由层(Ni Fe层)和隔离层(Cu)构成。为了防止氧化，一般再镀一层保护层（图4-2-7）。 在钉扎层中，FeMn层和Ni-Fe层之间存在交换耦合作用，这导致Ni-Fe层中出现单 向各向异性。因此，钉扎层的磁滞回线将以一非零场H。为中心(H为偏置磁场)。自 由层通过隔离层与钉扎层中的Ni-F层存在很弱的耦合，所以自由层的磁滞回线基本上 是以零场为中心的。因此，类似于多层膜巨磁电阻的起因，在这样的结构中也存在较大的 磁致电阻。在偏置磁场的作用下，钉扎层的磁矩方向在外磁场小于H:时不发生改变，而 自由层的磁矩方向则随外磁场方向变化而改变。当自由层的磁矩方向与钉扎层的磁矩方 向平行时，体系处于低电阻状态，当两者反向平行时，体系处于高电阻状态。由于体系的 电阻随自由层磁矩方向的变化而改变，所以形象地称这种结构为自旋阀。 自旋阀巨磁电阻材料具有低饱和场、单位磁场电阻变化率高的特点，广泛应用于硬盘 -156
— １５６ — 由式(４Ｇ２Ｇ６)和式(４Ｇ２Ｇ７)可得: RB R０ ＝ V０(V＋－V) V(V＋－V０) (４Ｇ２Ｇ８) 因此所测巨磁电阻材料的磁电阻为: ΔR R０ ＝ RB －R０ R０ ＝ V０(V＋－V) V(V＋－V０)－１ (４Ｇ２Ｇ９) 实验中通常绘制RB/R０ＧB 关系曲线,以观察磁电阻特性.从RB/R０ＧB 关系曲线中 找到线性区域的范围,并利用式(４Ｇ２Ｇ９)计算出磁电阻的最大值,该值常用来衡量磁电阻 效应的强弱. ４．多层膜巨磁电阻传感器测量电流 通有电流的导线周围会产生感应磁场,多层膜巨磁电阻传感器在导线周围时会因受 到其感应磁场作用输出一定的电压值,如图４Ｇ２Ｇ６所示.若两者之间的距离一定,当电流 增大时,感应磁场增大,则传感器的输出电压增大;反之,当电流减小时,感应磁场减小,传 感器的输出电压也减小.在磁电阻的线性区域内,电流Ix 与传感器输出电压VOUT 成正 比关系,即 Ix ＝kVOUT (４Ｇ２Ｇ１０) 式中,k 为比例常数.通过多次测量可以拟合出k 值,进而根据式(４Ｇ２Ｇ１０)测量电流. 图４Ｇ２Ｇ６ 多层膜巨磁电阻测量电流原理图 三、自旋阀巨磁电阻效应 １．自旋阀巨磁电阻效应基本原理 自旋阀巨磁电阻材料主要由钉扎层(一般由 FeＧMn层和 NiＧFe层构成)、自由层(NiＧ Fe层)和隔离层(Cu)构成.为了防止氧化,一般再镀一层保护层(图４Ｇ２Ｇ７). 在钉扎层中,FeＧMn层和 NiＧFe层之间存在交换耦合作用,这导致 NiＧFe层中出现单 向各向异性.因此,钉扎层的磁滞回线将以一非零场 HB 为中心(HB 为偏置磁场).自 由层通过隔离层与钉扎层中的 NiＧFe层存在很弱的耦合,所以自由层的磁滞回线基本上 是以零场为中心的.因此,类似于多层膜巨磁电阻的起因,在这样的结构中也存在较大的 磁致电阻.在偏置磁场的作用下,钉扎层的磁矩方向在外磁场小于 HB 时不发生改变,而 自由层的磁矩方向则随外磁场方向变化而改变.当自由层的磁矩方向与钉扎层的磁矩方 向平行时,体系处于低电阻状态;当两者反向平行时,体系处于高电阻状态.由于体系的 电阻随自由层磁矩方向的变化而改变,所以形象地称这种结构为自旋阀. 自旋阀巨磁电阻材料具有低饱和场、单位磁场电阻变化率高的特点,广泛应用于硬盘
材科制备与检测技术实验第4章 保护层 Fe-Mn >钉扎层 Ni-Fe 隔离层 Ni-Fe 白由层 缓冲层 基片 图4-2-7自旋阀巨磁电阻材料结构 磁头中，使存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使磁盘存储密度得到大幅 度提高。 2.自旋阀巨磁电阻传感器的输出电压及灵敏度测量 如图4-2-8所示.自旋阀巨磁电阻传感器也采用惠斯登电桥结构，磁电阻R,和R,的 钉扎层磁矩方向与R:和R,的相反。当外磁场方向向右时，R,和R,的阻值增大，R:和 R,的阻值减小，此时传感器的输出电压VT为正，且随外磁场的增大而增大：反之，当外 磁场转变方向向左时，R,和R,的阻值诚小，R2和R,的阻值增大，此时传感器的输出电 压V为负，且随外磁场的增大而增大。这一特性使得自旋阀巨磁电阻传感器比多层膜 巨磁电阻传感器更加灵敏。自旋阀巨磁电阻传感器的输出电压及灵敏度的测量原理和方 法与多层膜巨磁电阻传感器的相同。 04 图42-8自旋阀巨磁电阻传感器的斯登电桥结构 3.自旅间巨磁电阻测量原理 与多层膜巨磁电阻类似，自旋阀巨磁电阻的测量也采用伏安法。为了测量磁电阻，将 惠斯登电桥中的R,和R,短路，如图4-2-9(：)所示，此时典斯登电桥等效为半个磁电阻 如图4-2-9(b)所示。通过串联一个精密电阻R。来测量电流，测量原理和方法与多层膜巨 磁电阻的相同。 四、各向异性磁电阻效应 1,各向异性磁电阻效应基本原理 各向异性磁电阻(AMR)效应是指铁磁金属和合金体中磁场方向平行于电流方向的 电阻率P,与磁场方向垂直于电流方向的电阻率P1发生变化的效应。各向异性磁电阻具 有小的饱和磁场以及高的磁场灵敏度，现已广泛应用于各类传感器中。 各向异性磁电阻效应是由铁磁性磁畴在外磁场的作用下各向异性运动造成的，因此 -157
— １５７ — 图４Ｇ２Ｇ７ 自旋阀巨磁电阻材料结构 磁头中,使存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少,从而使磁盘存储密度得到大幅 度提高. ２．自旋阀巨磁电阻传感器的输出电压及灵敏度测量 如图４Ｇ２Ｇ８所示,自旋阀巨磁电阻传感器也采用惠斯登电桥结构,磁电阻R１ 和R３ 的 钉扎层磁矩方向与R２ 和R４ 的相反.当外磁场方向向右时,R１ 和R３ 的阻值增大,R２ 和 R４ 的阻值减小,此时传感器的输出电压VOUT为正,且随外磁场的增大而增大;反之,当外 磁场转变方向向左时,R１ 和R３ 的阻值减小,R２ 和R４ 的阻值增大,此时传感器的输出电 压VOUT为负,且随外磁场的增大而增大.这一特性使得自旋阀巨磁电阻传感器比多层膜 巨磁电阻传感器更加灵敏.自旋阀巨磁电阻传感器的输出电压及灵敏度的测量原理和方 法与多层膜巨磁电阻传感器的相同. 图４Ｇ２Ｇ８ 自旋阀巨磁电阻传感器的惠斯登电桥结构 ３．自旋阀巨磁电阻测量原理 与多层膜巨磁电阻类似,自旋阀巨磁电阻的测量也采用伏安法.为了测量磁电阻,将 惠斯登电桥中的R２ 和R４ 短路,如图４Ｇ２Ｇ９(a)所示,此时惠斯登电桥等效为半个磁电阻, 如图４Ｇ２Ｇ９(b)所示.通过串联一个精密电阻Ra 来测量电流,测量原理和方法与多层膜巨 磁电阻的相同. 四、各向异性磁电阻效应 １．各向异性磁电阻效应基本原理 各向异性磁电阻(AMR)效应是指铁磁金属和合金体中磁场方向平行于电流方向的 电阻率ρ‖ 与磁场方向垂直于电流方向的电阻率ρ⊥ 发生变化的效应.各向异性磁电阻具 有小的饱和磁场以及高的磁场灵敏度,现已广泛应用于各类传感器中. 各向异性磁电阻效应是由铁磁性磁畴在外磁场的作用下各向异性运动造成的,因此
物理实验教程一近代物理实检. (a)测量结构图 (b)等效电路图 图42-9自旋阀巨磁电阻的测量结构图和等效电路图 强烈依赖于自发的磁化方向。由长而薄的坡莫合金（铁镍合金）制成的各向异性磁电阻如 图4-2-10所示，其电阻率ρ(8)依赖于磁化强度矢量M和电流密度J方向间的夹角0，具 体关系式为： p(0)=p1+(p1-p1)cos20 (4-2-11) 式中，P1和P1分别为电流密度J平行于M和垂直于M时的电阻率。 如果各向异性磁电阻的磁化方向与电流密度方向完全平行或者垂直，当外磁场很弱 时磁电阻的灵敏度很低。为了解决这一问题，通常采用加偏置电流或者偏置磁场的方法， 使磁电阻的自身磁化方向和电流方向在无外磁场时成45°，以提高磁电阻在微弱磁场下的 灵敏度、扩大线性工作范围，如图4-2-11所示。 电流 铝合金带 ☑， 图4+211各向异性磁电阻的磁化方向 2。各向异性磁电阻传感器的输出电压及灵敏度测量 与白旋阀巨磁电阻传感器类似，各向异性磁电阻传感器也采用惠斯登电桥结构，如图 4-2-12(a)所示。不同之处是各向异性磁电阻的4个电阻以菱形方式布置，而且R,和R 的自身磁化方向完全相同，R:和R的自身磁化方向完全相同，且与R:和R方向对称。 当在垂直方向上施加方向向上的外磁场时，电阻内的磁化方向受外磁场影响而偏转一定 角度△0，如图4-212(b)所示，R,和R内的磁化方向与电流方向的夹角变小，即 45°一△9，R:和R:内的磁化方向与电流方向的夹角变大，即0=45°+△9。根据式 (4-2-11)可知.R,.R,.R。和R,的阻值为. R1=R=R1+(R1-R1)cos2(45°-△0)=R+△R (4-2-12) R2=R,=R,+(R,-R1)cOs2(45°+△0)=R。-△R (4-2-13) 式中，R。为无外磁场作用时的磁电阻阻值，可表示为： R。=R1+(R1-R1)Cos245°=2(R1-R1) (4-2-14) —158
— １５８ — 图４Ｇ２Ｇ９ 自旋阀巨磁电阻的测量结构图和等效电路图 强烈依赖于自发的磁化方向.由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成的各向异性磁电阻如 图４Ｇ２Ｇ１０所示,其电阻率ρ(θ)依赖于磁化强度矢量 M 和电流密度J 方向间的夹角θ,具 体关系式为: ρ(θ)＝ρ⊥＋ (ρ‖ －ρ⊥ )cos２θ (４Ｇ２Ｇ１１) 式中,ρ‖ 和ρ⊥ 分别为电流密度J 平行于M 和垂直于M 时的电阻率. 如果各向异性磁电阻的磁化方向与电流密度方向完全平行或者垂直,当外磁场很弱 时磁电阻的灵敏度很低.为了解决这一问题,通常采用加偏置电流或者偏置磁场的方法, 使磁电阻的自身磁化方向和电流方向在无外磁场时成４５°,以提高磁电阻在微弱磁场下的 灵敏度、扩大线性工作范围,如图４Ｇ２Ｇ１１所示. 图４Ｇ２Ｇ１０ 各向异性磁电阻结构 图４Ｇ２Ｇ１１ 各向异性磁电阻的磁化方向 ２．各向异性磁电阻传感器的输出电压及灵敏度测量 与自旋阀巨磁电阻传感器类似,各向异性磁电阻传感器也采用惠斯登电桥结构,如图 ４Ｇ２Ｇ１２(a)所示.不同之处是各向异性磁电阻的４个电阻以菱形方式布置,而且R１ 和R３ 的自身磁化方向完全相同,R２ 和R４ 的自身磁化方向完全相同,且与R１ 和R３ 方向对称. 当在垂直方向上施加方向向上的外磁场时,电阻内的磁化方向受外磁场影响而偏转一定 角度 Δθ,如图４Ｇ２Ｇ１２(b)所示,R１ 和 R３ 内的磁化方向与电流方向的夹角变小,即θ＝ ４５°－Δθ,R２ 和 R４ 内 的 磁 化 方 向 与 电 流 方 向 的 夹 角 变 大,即θ＝４５°＋Δθ.根 据 式 (４Ｇ２Ｇ１１)可知,R１,R２,R３ 和R４ 的阻值为: R１ ＝R３ ＝R⊥＋ (R‖ －R⊥ )cos２(４５°－Δθ)＝R０ ＋ΔR (４Ｇ２Ｇ１２) R２ ＝R４ ＝R⊥＋ (R‖ －R⊥ )cos２(４５°＋Δθ)＝R０ －ΔR (４Ｇ２Ｇ１３) 式中,R０为无外磁场作用时的磁电阻阻值,可表示为: R０ ＝R⊥＋ (R‖ －R⊥ )cos２４５°＝ １ ２ (R‖ －R⊥ ) (４Ｇ２Ｇ１４)
材料制各与检测技术实验第4章 △R为有外磁场作用时磁电阻阻值的改变量，可表示为 AR=2(R1-R1)sin(2△9) (4-2-15) 由式(4-2-12)和式(4-2-13)可以看出，当外磁场方向垂直向上时.R,和R,增大，而 R和R:减小，输出电压为正值：当外磁场方向垂直向下时，R和R,减小，而R:和R 增大，输出电压为负值。 各向异性磁电阻传感器的输出电压及灵敏度的测量原理和方法与多层膜巨磁电阻传 感器的相同。 .R 0 ()惠斯登电桥结构 ()磁电阻磁化方向 图4-2-12各向异性磁电阻传感器的惠斯登电桥结构及磁化方向 3.各向异性磁电阻测量原理 与多层膜巨磁电阻类似，各向异性磁电阻的测量也采用伏安法。如图4-2-13所示，将 惠斯登电桥中的R:和R,短路，测量原理和方法与多层膜巨磁电阻的相同。 0/ (a)测量结构图 ()等效电路图 图42-13各向异性磁电阻的测量结构图和等效电路图 【实验器材】 实验装置采用FD-MRSA型磁电阻与巨磁电阻效应综合实验仪，由多层膜巨磁电阻 传感器、自旋阀巨磁电阻传感器，各向异性磁电阻传感器、传感器电源、亥姆霍兹线圈、亥 姆霍兹线圈用恒流源，测量用恒流源等部分组成。 实验中工作电压V+=5V,多层膜巨磁电阻测量中匹配的精密电阻为1,2kQ,自旋 阀巨磁电阻测量中匹配的精密电阻为360Ω，各向异性磁电阻测量中匹配的精密电阻为 159
— １５９ — ΔR 为有外磁场作用时磁电阻阻值的改变量,可表示为: ΔR ＝ １ ２ (R‖ －R⊥ )sin(２Δθ) (４Ｇ２Ｇ１５) 由式(４Ｇ２Ｇ１２)和式(４Ｇ２Ｇ１３)可以看出,当外磁场方向垂直向上时,R１ 和 R３ 增大,而 R２ 和R４ 减小,输出电压为正值;当外磁场方向垂直向下时,R１ 和 R３ 减小,而 R２ 和 R４ 增大,输出电压为负值. 各向异性磁电阻传感器的输出电压及灵敏度的测量原理和方法与多层膜巨磁电阻传 感器的相同. (a)惠斯登电桥结构 (b)磁电阻磁化方向 图４Ｇ２Ｇ１２ 各向异性磁电阻传感器的惠斯登电桥结构及磁化方向 ３．各向异性磁电阻测量原理 与多层膜巨磁电阻类似,各向异性磁电阻的测量也采用伏安法.如图４Ｇ２Ｇ１３所示,将 惠斯登电桥中的R２ 和R４ 短路,测量原理和方法与多层膜巨磁电阻的相同. 图４Ｇ２Ｇ１３ 各向异性磁电阻的测量结构图和等效电路图 【实验器材】 实验装置采用 FDＧMRSＧA 型磁电阻与巨磁电阻效应综合实验仪,由多层膜巨磁电阻 传感器、自旋阀巨磁电阻传感器、各向异性磁电阻传感器、传感器电源、亥姆霍兹线圈、亥 姆霍兹线圈用恒流源、测量用恒流源等部分组成. 实验中工作电压V＋ ＝５V,多层膜巨磁电阻测量中匹配的精密电阻为１．２kΩ,自旋 阀巨磁电阻测量中匹配的精密电阻为３６０Ω,各向异性磁电阻测量中匹配的精密电阻为
物理实验教程—近代物理实检O 2700。 【实验内容】 一、基础性实验内容 1.测量三种磁电阻的电阻特性 测量不同外磁场下磁电阻阻值R。,绘制R/R。-B关系曲线，分析磁电阻特性，并求 电阻相对变化率(R:一R。)/R。的最大值。 2.测量三种传感器的输出电压和灵敏度 测量不同外磁场下传感器的输出电压V,绘制VoT-B关系曲线，计算传感器灵敏 度，并分析输出特性 3.应用三种传感器测量电流 (1)定标：在不同电流1，下测量磁电阻传感器的输出电压VT,绘制I,Vr关系 曲线，在线性区域拟合出斜率。 (2)测量：在定标电流范围内，用磁电阻传感器测量任意大、中、小3个电流值，并将 测量结果与标准值对比，分析测量误差。 二、设计性实验内容 试结合现有实验条件通过查阅文献资料自主设计实验方案采用巨磁电阻传感器测量 地磁场。 实验要求为：阐述实验基本原理和方法，说明测量系统组成和基本实验步骤，进行实 际实验测量，选择合理方法处理实验数据，分析与讨论实验结果。 【注意事项】 (1)实验中需要注意地磁场对实验产生的影响。 (2)巨磁电阻传感器应尽量避免在铁磁性材料附近使用。 (3)仪器上的恒流源不用时应归零，以提高使用寿命。 (4)更换传感器时需先关掉主机电源，再调换传感器，并注意传感器插针位置，不要 损坏传感器接插件。 (5)各向异性磁电阻传感器遇到较强磁场时，其灵敏度会降低，故测量前需要按机箱 面板上的红色复位键使其恢复原来的灵敏度。 【思考与讨论】 (1)多层膜巨磁电阻和白旋阀巨磁电阻在磁场较大时为何会出现饱和？ (2)三种磁电阻是否均有磁滞回线？为什么？ (3)试根据实验结果分析三种磁电阻的特性有何异同。 (4)实验中采用什么方法测量磁电阻的阻值？为什么不直接测量电阻值？ (5)磁电阻传感器产生磁畴饱和现象后用什么方法可以恢复其灵敏度？为什么？ 【参考文献】 [1]张飞雁，黄水平，李志芳，等.综合与近代物理实验，北京：机械工业出版社，2012 [2]黄柳宾，王军.物理实验教程一近代物理实验.东营：中国石油大学出版社，2006. 160-
— １６０ — ２７０Ω. 【实验内容】 一、基础性实验内容 １．测量三种磁电阻的电阻特性 测量不同外磁场下磁电阻阻值RB ,绘制RB/R０ＧB 关系曲线,分析磁电阻特性,并求 电阻相对变化率(RB －R０)/R０ 的最大值. ２．测量三种传感器的输出电压和灵敏度 测量不同外磁场下传感器的输出电压VOUT,绘制VOUTＧB 关系曲线,计算传感器灵敏 度,并分析输出特性. ３．应用三种传感器测量电流 (１)定标:在不同电流Ix 下测量磁电阻传感器的输出电压VOUT,绘制IxＧVOUT 关系 曲线,在线性区域拟合出斜率. (２)测量:在定标电流范围内,用磁电阻传感器测量任意大、中、小３个电流值,并将 测量结果与标准值对比,分析测量误差. 二、设计性实验内容 试结合现有实验条件通过查阅文献资料自主设计实验方案采用巨磁电阻传感器测量 地磁场. 实验要求为:阐述实验基本原理和方法,说明测量系统组成和基本实验步骤,进行实 际实验测量,选择合理方法处理实验数据,分析与讨论实验结果. 【注意事项】 (１)实验中需要注意地磁场对实验产生的影响. (２)巨磁电阻传感器应尽量避免在铁磁性材料附近使用. (３)仪器上的恒流源不用时应归零,以提高使用寿命. (４)更换传感器时需先关掉主机电源,再调换传感器,并注意传感器插针位置,不要 损坏传感器接插件. (５)各向异性磁电阻传感器遇到较强磁场时,其灵敏度会降低,故测量前需要按机箱 面板上的红色复位键使其恢复原来的灵敏度. 【思考与讨论】 (１)多层膜巨磁电阻和自旋阀巨磁电阻在磁场较大时为何会出现饱和? (２)三种磁电阻是否均有磁滞回线? 为什么? (３)试根据实验结果分析三种磁电阻的特性有何异同. (４)实验中采用什么方法测量磁电阻的阻值? 为什么不直接测量电阻值? (５)磁电阻传感器产生磁畴饱和现象后用什么方法可以恢复其灵敏度? 为什么? 【参考文献】 [１] 张飞雁,黄水平,李志芳,等．综合与近代物理实验．北京:机械工业出版社,２０１２． [２] 黄柳宾,王军．物理实验教程———近代物理实验．东营:中国石油大学出版社,２００６．