【目的要求】
1、 了解GMR效应的原理
2、 测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、 测量GMR的磁阻特性曲线 4、 用GMR传感器测量电流
5、 用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理
【原理简述】
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=l/S中，把电阻率视为常数，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。早在1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott指出，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。
在图2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。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。
电阻欧姆 \\ 磁场强度 / 高斯 图3 某种GMR材料的磁阻特性 无外磁场时顶层磁场方向 顶层铁磁膜 中间导电层 底层铁磁膜 无外磁场时底层磁场方向 图2 多层膜GMR结构图
图3是图2结构的某种GMR材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率 ΔR/R 达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。
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。
多层膜GMR结构简单，工作可靠，磁阻随外磁场线性变化的范围大，在制作模拟传感器方面得到广泛应用。在数字记录与读出领域，为进一步提高灵敏度，发展了自旋阀结构的GMR。
【实验装置】
巨磁电阻实验仪；基本特性组件；电流测量组件；角位移测量组件；磁读写组件；
【实验内容】
一、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量
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。
a 几何结构 b电路连接
GMR模拟传感器结构图
对于电桥结构，如果4个GMR电阻对磁场的影响完全同步，就不会有信号输出。图17-9中，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。设无外磁场时4个GMR电阻的阻值均为R， R1、R2在外磁场作用下电阻减小△R，简单分析表明，输出电压：
OUT
U
=UIN (2R-R) (2)
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。
从几何结构还可见，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数量级，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出。
GMR模拟传感器的磁电转换特性
模拟传感器磁电转换特性实验原理图
将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“传感器测量”。实验仪的4V电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“模拟信号输出”接至实验仪电压表。
按表1数据，调节励磁电流，逐渐减小磁场强度，记录相应的输出电压于表格“减小磁场”列中。由于恒流源本身不能提供负向电流，当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流i，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，从上到下记录相应的输出电压。电流至-100mA后，逐渐减小负向电流，电流到0时同样需要交换恒流输出的极性。从下到上记录数据于表一“增大磁场”列中。
理论上讲，外磁场为零时，GMR传感器的输出应为零，但由于半导体工艺的限制，4
个桥臂电阻值不一定完全相同，导致外磁场为零时输出不一定为零，在有的传感器中可以观察到这一现象。
根据螺线管上表明的线圈密度，由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度B。 以磁感应强度B作横坐标，电压表的读数为纵坐标作出磁电转换特性曲线。 不同外磁场强度时输出电压的变化反映了GMR传感器的磁电转换特性，同一外磁场强度下输出电压的差值反映了材料的磁滞特性。
表1 GMR模拟传感器磁电转换特性的测量（电桥电压4V）
磁感应强度/高斯 励磁电流/mA 磁感应强度/高斯 输出电压/mV 减小磁场 增大磁场 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 0 －5 －10 －20 －30 －40 231 231 230 229 223 202 167.2 129.8 92 56.7 40.4 24.3 11.2 39.4 73.4 110.5 150.4 233 233 232 230 222 195.0 154.6 114.7 75.7 43.2 15.3 19.3 36.9 52.8 88.1 125.9 164 －50 －60 －70 －80 －90 －100 189.6 220 230 232 233 233 200 224 231 232 233 234 二、GMR磁阻特性测量
磁阻特性测量原理图
为加深对巨磁电阻效应的理解，我们对构成GMR模拟传感器的磁阻进行测量。将基本特性组件的功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”，此时被磁屏蔽的两个电桥电阻R3、R4被短路，而R1、R2并联。将电流表串连进电路中，测量不同磁场时回路中电流的大小，就可以计算磁阻。
实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件。
将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”。实验仪的4伏电压源串连电流表后，接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“螺线管电流输入”。
按表2数据，调节励磁电流，逐渐减小磁场强度，记录相应的磁阻电流于表格“减小磁场”列中。由于恒源流本身不能提供负向电流，当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，从上到下记录相应的输出电压。
电流至一100mA后，逐渐减小负向电流，电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。从下到上记录数据于“增大磁场”列中。
根据螺线管上表明的线圈密度，由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度B。 由欧姆定律R=U/I 计算磁阻。
以磁感应强度B作横坐标，磁阻为纵坐标做出磁阻特性曲线。
应该注意，由于模拟传感器的两个磁阻是位于磁通聚集器中，与图3相比，我们作出的磁阻曲线斜率大了约10倍，磁通聚集器结构使磁阻灵敏度大大提高。
不同外磁场强度时磁阻的变化反映了GMR的磁阻特性，同一外磁场强度的差值反映了材料的磁滞特性。
表2 GMR磁阻特性的测量（磁阻两端电压4V）
磁阻/Ω 磁感应强度/高斯 减小磁场 励磁电流/mA 磁感应强度/高斯 磁阻电流/mA 磁阻/Ω 增大磁场 磁阻电流/mA 磁阻/Ω 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 0 －5 1.912 1.911 1.911 1.910 1.908 1.891 1.852 1.807 1.763 1.725 1.709 1.692 1.678 1.910 1.910 1.909 1.900 1.892 1.876 1.831 1.786 1.748 1.713 1.696 1.676 1.699 －10 －20 －30 －40 －50 －60 －70 －80 －90 －100
1.704 1.738 1.776 1.818 1.864 1.896 1.906 1.909 1.910 1.910 1.716 1.752 1.793 1.838 1.882 1.905 1.909 1.910 1.910 1.910 三、 GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量
将GMR模拟传感器与比较电路，晶体管放大电路集成在一起，就构成GMR开关（数字）传感器，结构如图14所示。
比较电路的功能是，当电桥电压低于比较电压时，输出低电平。当电桥电压高于比较电压时，输出高电平。选 择适当的GMR电桥并结合调节比较电压，可调节开关传感器开关点对应的磁场强度。
输出电压/V 输出 GMR 电桥 开 比较电路 关 关 开 磁场强度 /高斯 －20 －10 0 10 20 30 图14 GMR开关传感器结构图 图15 GMR开关传感器磁电转换特性
图15是某种GMR开关传感器的磁电转换特性曲线。当磁场强度的绝对值从低增加到12高斯时，开关打开（输出高电平），当磁场强度的绝对值从高减小到10高斯时，开关关闭（输出低电平）。
实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件。
将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“传感器测量”。实验仪的4伏电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，“电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”输入插孔，恒流源接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“开关信号输出”接至实验仪电压表。
从50mA逐渐减小励磁电流，输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的励磁电流于表3“减小磁场”列中。当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的负值励磁电流于表3“减小磁场”列中。将电流调至－50mA。
逐渐减小负向电流，输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的负值励磁电流于表3“增大磁场”列中，电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的正值励磁电流于表3“增大磁场”列中。
表3 GMR开关传感器的磁电转换特性测量 高电平＝ V 低电平＝ V
减小磁场 开关动作 关 开 励磁电流/mA 磁感应强度/高斯 开关动作 关 开 增大磁场 励磁电流/mA 磁感应强度/高斯 根据螺线管上标明的线圈密度，由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度B。 以磁感应强度B作横座标，电压读数为纵座标作出开关传感器的磁电转换特性曲线。 利用GMR开关传感器的开关特性已制成各种接近开关，当磁性物体（可在非磁性物体上贴上磁条）接近传感器时就会输出开关信号。广泛应用在工业生产及汽车，家电等日常生活用品中，控制精度高，恶劣环境（如高低温，振动等）下仍能正常工作。
由于仪器故障原因，此步骤无法进行。 四、用GMR模拟传感器测量电流
GMR模拟传感器在一定的范围内输出电压与磁场强度成线性关系，且灵敏度高，线性范围大，可以方便的将GMR制成磁场计，测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量。作为应用示例，我们用它来测量电流。
由理论分析可知，通有电流I的无限长直导线，与导线距离为r的一点的磁感应强度为：
B = μ0I/2πr =2 I×10-7/r （3）
磁场强度与电流成正比，在r已知的条件下，测得B，就可知I。
在实际应用中，为了使GMR模拟传感器工作在线性区，提高测量精度，还常常预先给传感器施加一固定已知磁场，称为磁偏置，其原理类似于电子电路中的直流偏置。
模拟传感器测量电流实验原理图
实验装置：巨磁阻实验仪，电流测量组件
实验仪的4伏电压源接至电流测量组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“待测电流输入”，电流测量组件“信号输出”接至实验仪电压表。
将待测电流调节至0。
将偏置磁铁转到远离GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约25mV。 将电流增大到300mA，按表4数据逐渐减小待测电流，从左到右记录相应的输出电压于表格“减小电流”行中。由于恒流源本身不能提供负向电流，当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时电流方向为负，记录相应的输出电压。
逐渐减小负向待测电流，从右到左记录相应的输出电压于表格“增加电流”行中。当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时电流方向为正，记录相应的输出电压。
将待测电流调节至0。
将偏置磁铁转到接近GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约150mV。 用低磁偏置时同样的实验方法，测量适当磁偏置时待测电流与输出电压的关系。
表4 用GMR模拟传感器测量电流
待测电流/mA 输出电压低磁偏置 减小电流 300 26.7 200 26.2 100 25.6 0 25.0 －100 －200 －300 24.5 23.9 23.3 /mV (约25mV) 适当磁偏置 (约130.1mV) 增加电流 减小电流 增加电流 26.7 26.2 25.6 25.0 24.4 23.9 23.3 132.7 131.9 131.1 130.3 129.5 128.6 127.7 132.8 131.9 131.1 130.1 129.4 128.6 127.7 以电流读数作横坐标，电压表的读数为纵坐标作图。分别作出4条曲线。
由测量数据及所作图形可以看出，适当磁偏置时线性较好，斜率（灵敏度）较高。由于待测电流产生的磁场远小于偏置磁场，磁滞对测量的影响也较小，根据输出电压的大小就可确定待测电流的大小。
用GMR传感器测量电流不用将测量仪器接入电路，不会对电路工作产生干扰，既可测量直流，也可测量交流，具有广阔的应用前景。
五、GMR梯度传感器的特性及应用
将GMR电桥两对对角电阻分别置于集成电路两端，4个电阻都不加磁屏蔽，即构成梯度传感器，如图17所示。
输出－ 输出＋ 图17 GMR梯度传感器结构图 这种传感器若置于均匀磁场中，由于4个桥臂
电阻阻值变化相同，电桥输出为零。如果磁场存在一定的梯度，各GMR电阻感受到的磁场不同，磁阻变化不一样，就会有信号输出。图18以检测齿轮的角位移为例，说明其应用原理。
将永磁体放置于传感器上方，若齿轮是铁磁材料，永磁体产生的空间磁场在相对于齿牙不同位置时，产生不同的梯度磁场。a位置时，输出为零。b位置时，R1、R2 感受到的磁场强度大于R3、R4，输出正电压。c位置时，输出回归零。d位置时，R1、R2 感受到的磁场强度小于R3、R4，输出负电压。于是,在齿轮转动过程中,每转过一个齿牙便产生一
a b c d 图18 用GMR梯度传感器检测齿轮位移 个完整的波形输出。这一原理已普遍应用于转速（速度）与位移监控，在汽车及其它工业领域得到广泛应用。
实验装置：巨磁阻实验仪、角位移测量组件。
将实验仪4V电压源接角位移测量组件“巨磁电阻供电”，角位移测量组件“信号输出”接实验仪电压表。
逆时针慢慢转动齿轮，当输出电压为零时记录起始角度，以后每转3度记录一次角度与电压表的读数。转动48度齿轮转过2齿，输出电压变化2个周期。
表4 齿轮角位移的测量
起始角度/度 转动角度/度 输出电压/mV 起始角度/度 0 0 27 17 3 6 9 31.3 36 20.2 12 19.9 39 4.4 15 4.7 42 -9.8 18 -9.8 45 -15.4 21 -15.1 48 -2.2 24 -2.0 18.3 31.4 30 33 32.2 31.5 以齿轮实际转过的度数为横坐标，电压表的读数为纵向坐标作图。 六、磁记录与读出
磁记录是当今数码产品记录与储存信息的最主要方式，由于巨磁阻的出现，存储密度有了成百上千倍的提高。
在当今的磁记录领域，为了提高记录密度，读写磁头是分离的。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。磁读写组件用磁卡做记录介质，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。
同学可自行设计一个二进制码，按二进制码写入数据，然后将读出的结果记录下来。 实验装置：巨磁阻实验仪，磁读写组件，磁卡。
实验仪的4伏电压源接磁读写组件“巨磁电阻供电”， “电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”输入插孔，磁读写组件“读出数据”接至实验仪电压表。
将需要写入与读出的二进制数据记入表6第2行。
将磁卡插入，“功能选择”按键切换为“写”状态。缓慢移动磁卡，根据磁卡上的刻度区域切换“写0”“写1”；
将“功能选择”按键切换为“读”状态，移动磁卡至读磁头处，根据刻度区域在电压表上读出电压，记录于表6第4行。
表6 二进制数字的写入与读出
十进制数字 85 二进制数字 磁卡区域号 读出电平 0 1 3.1mV 1 2 1.983V 0 3 3.1mV 1 4 1.983V 0 5 3.1mV 1 6 1.983V 0 7 3.1mV 1 8 1.983V 此实验演示了磁记录与磁读出的原理与过程。
【实验数据处理】
1.GMR模拟传感器的磁电转换特性测量
磁感应强度/高斯 励磁电流/mA 磁感应强度/高斯 输出电压/mV 减小磁场 增大磁场 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 0 －5 －10 －20 －30 30.15928947 27.14336053 24.12743158 21.11150263 18.09557368 15.07964474 12.06371579 9.047786842 6.031857895 3.015928947 1.507964474 0 -1.507964474 -3.015928947 -6.031857895 -9.047786842 231 231 230 229 223 202 167.2 129.8 92 56.7 40.4 24.3 11.2 39.4 73.4 110.5 233 233 232 230 222 195.0 154.6 114.7 75.7 43.2 15.3 19.3 36.9 52.8 88.1 125.9 －40 －50 －60 －70 －80 －90 －100 -12.06371579 -15.07964474 -18.09557368 -21.11150263 -24.12743158 -27.14336053 -30.15928947 150.4 189.6 220 230 232 233 233 164 200 224 231 232 233 234
以B为横坐标，输出电压U为纵坐标，作图得： 磁感应强度B与输出电压U之间的关系曲线
. GMR的磁阻特性曲线的测量
磁阻/Ω 磁感应强度/高斯 减小磁场 增大磁场 励磁电流/mA 磁感应强度/高斯 磁阻电流/mA 磁阻/Ω 磁阻电流/mA 磁阻/Ω 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 0 －5 －10 －20 －30 －40 －50 －60 －70 －80 －90 －100 30.15928947 27.14336053 24.12743158 21.11150263 18.09557368 15.07964474 12.06371579 9.047786842 6.031857895 3.015928947 1.507964474 0 -1.507964474 -3.015928947 -6.031857895 -9.047786842 -12.06371579 -15.07964474 -18.09557368 -21.11150263 -24.12743158 -27.14336053 -30.15928947 1.991 1.990 1.989 1.988 1.982 1.961 1.926 1.888 1.852 1.818 1.802 1.787 1.774 1.800 1.832 1.868 1.907 1.946 1.976 1.986 1.987 1.988 1.989 2009.04 2010.05 2011.06 2012.07 2018.16 2039.77 2076.84 2118.64 2159.82 2200.22 2219.75 2238.38 2254.79 2222.22 2183.40 2141.32 2097.53 2055.49 2024.29 2014.09 2013.08 2012.07 2011.06 1.972 1.972 1.971 1.969 1.963 1.936 1.898 1.860 1.824 1.793 1.767 1.781 1.797 1.812 1.846 1.882 1.920 1.955 1.979 1.986 1.987 1.988 1.989 2028.39 2028.39 2029.42 2031.48 2037.69 2066.11 2107.48 2150.53 2192.98 2230.89 2263.72 2245.92 2225.93 2207.50 2166.84 2125.39 2083.33 2046.03 2021.22 2014.09 2013.08 2012.07 2011.06
磁阻与磁感应强度关系曲线：
4、MR模拟传感器测量电流
待测电流/mA 低磁偏置 输出电压/mV (约25mV) 适当磁偏置 (约130.1mV) 减小电流 增加电流 减小电流 增加电流 300 26.7 26.7 200 26.2 26.2 100 25.6 25.6 0 25.0 25.0 －100 －200 －300 24.5 24.4 23.9 23.9 23.3 23.3 132.7 131.9 131.1 130.3 129.5 128.6 127.7 132.8 131.9 131.1 130.1 129.4 128.6 127.7 待测电流与输出电压关系曲线:
5、梯度传感器的特性及应用
转动角度/度 输出电压/mV 转动角度/度 输出电压/mV 0 0 27 17 3 6 9 31.3 36 20.2 12 19.9 39 4.4 15 4.7 42 -9.8 18 -9.8 45 -15.4 21 -15.1 48 -2.2 24 -2.0 18.3 31.4 30 33 32.2 31.5 转动角度与输出电压间的关系曲线：
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