巨磁电阻效应及其应用
【实验目的】
1、 熟悉和了解GMR效应原理
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、 熟悉和掌握有关GMR传感器的原理和应用，包括用GMR传感器测量电流、用GMR梯度传感器 测量角位移以及了解磁记录与读出的原理等
【实验原理】
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。
在图1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
磁场强度 / 高斯
电阻欧姆
\
图1多层膜GMR结构图
图2 某种GMR材料的磁阻特性
图2是图1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。如图3所示。自旋阀结构的SV-GMR(Spin valve GMR)由钉扎层，被钉扎层，中间导电层和自由层构成。其中，钉扎层使用反铁磁材料，被钉扎层使用硬铁磁材料，铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场将被钉扎层的磁化方向固定，不随外磁场改变。自由层使用软铁磁材料，它的磁化方向易于随外磁场转动。这样，很弱的外磁场就会改变自由层与被钉扎层磁场的相对取向，对应于很高的灵敏度。制造时，使自由层的初始磁化方向与被钉扎层垂直，磁记录材料的磁化方向与被钉扎层的方向相同或相反（对应于0或1），当感应到磁记录材料的磁场时，自由层的磁化方向就向与被钉扎层磁化方向相同（低电阻）或相反（高电阻）的方向偏转，检测出电阻的变化，就可确定记录材料所记录的信息，硬盘所用的GMR磁头就采用这种结构。
【实验仪器】
实验仪主机、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】
1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量
将基本特性组件的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”，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。
调节励磁电流，从100mA开始逐渐减小，每隔10mA记录相应的输出电压于表格中。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，并记录相应的输出电压。
电流至－100mA后，逐渐减小负向电流，记录相应的输出电压，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，记录相应的输出电压，直到100mA。
2、GMR磁阻特性测量
将基本特性组件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”。
调节励磁电流，从100mA开始逐渐减小磁场强度，每隔10mA记录相应的磁阻电流到表格中。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，并记录相应的输出电压。
电流至－100mA后，逐渐减小负向电流，记录相应的磁阻电流，直到电流100mA。电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。
3、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量
将基本特性组件的功能按钮切换为“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。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。
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，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。 4、用GMR模拟传感器测量电流
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。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。 5、GMR梯度传感器的特性及应用
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。 6、磁记录与读出
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”接口接至磁读写组件对应的“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。同时按下“0/1转换”和“写确认”按键约2秒将读写组件初始化，初始化后才可以进行写和读。
将需要写入与读出的二进制数据记入表2第2行。
将磁卡有刻度区域的一面朝前，沿着箭头标识的方向插入划槽，按需要切换写“0”或写“1”（按“0/1转换”按键.
【数据处理】
1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量
以磁感应强度为横坐标，输出电流为纵坐标，得到
输出 (mV)
磁感应强度 (GS)
磁阻 ()
磁阻 ()
磁感应强度
(GS)磁感应强度
(GS)
4、用GMR模拟传感器测量电流
输出电压 (mV)
待测电流 (mA)
低磁偏置
输出电压 (mV)
待测电流 (mA)
适当偏置
5、GMR梯度传感器的特性及应用
转动角6.24.27.30.45.48.51.54.
9.9 12.9 15.9 18.9 21.9 33.9 36.9 39.9 42.9
度（°） 9 9 9 9 9 9 9 9 输出电-23.-34.-30.-16.-0.014.18.0.1-19.-33.-29.-15.
16.19.0.4
0 0
压（mV) 3 2 3 6 1 3 9 4 8 3 2 9 7 9 8
得到角度与电压的曲线为
输出电压 (mV)
角度 (°)
6、磁记录与读出
磁卡区域 1 读出电平/V 1.97 二进制数字 1
【实验结论】
2 0.003 0
3 1.97 1
4 5
0.003 1.969 0
1
6 7 1.969 1.97 1
1
8 0.003 0
1、GMR传感器的电阻与磁感应强度密切相关，磁感应强度为0时，传感器处于高阻态。
2、GMR传感器电阻与磁感应强度的关系使之具有丰富的应用。可测量直流、交流，也可测量机械转动角度，还可以结合磁介质来读取信息。
巨磁电阻效应及其应用
【实验目的】
1、 熟悉和了解GMR效应原理
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、 熟悉和掌握有关GMR传感器的原理和应用，包括用GMR传感器测量电流、用GMR梯度传感器 测量角位移以及了解磁记录与读出的原理等
【实验原理】
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。
在图1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
磁场强度 / 高斯
电阻欧姆
\
图1多层膜GMR结构图
图2 某种GMR材料的磁阻特性
图2是图1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。如图3所示。自旋阀结构的SV-GMR(Spin valve GMR)由钉扎层，被钉扎层，中间导电层和自由层构成。其中，钉扎层使用反铁磁材料，被钉扎层使用硬铁磁材料，铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场将被钉扎层的磁化方向固定，不随外磁场改变。自由层使用软铁磁材料，它的磁化方向易于随外磁场转动。这样，很弱的外磁场就会改变自由层与被钉扎层磁场的相对取向，对应于很高的灵敏度。制造时，使自由层的初始磁化方向与被钉扎层垂直，磁记录材料的磁化方向与被钉扎层的方向相同或相反（对应于0或1），当感应到磁记录材料的磁场时，自由层的磁化方向就向与被钉扎层磁化方向相同（低电阻）或相反（高电阻）的方向偏转，检测出电阻的变化，就可确定记录材料所记录的信息，硬盘所用的GMR磁头就采用这种结构。
【实验仪器】
实验仪主机、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】
1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量
将基本特性组件的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”，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。
调节励磁电流，从100mA开始逐渐减小，每隔10mA记录相应的输出电压于表格中。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，并记录相应的输出电压。
电流至－100mA后，逐渐减小负向电流，记录相应的输出电压，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，记录相应的输出电压，直到100mA。
2、GMR磁阻特性测量
将基本特性组件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”。
调节励磁电流，从100mA开始逐渐减小磁场强度，每隔10mA记录相应的磁阻电流到表格中。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，并记录相应的输出电压。
电流至－100mA后，逐渐减小负向电流，记录相应的磁阻电流，直到电流100mA。电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。
3、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量
将基本特性组件的功能按钮切换为“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。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。
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，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。 4、用GMR模拟传感器测量电流
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。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。 5、GMR梯度传感器的特性及应用
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。 6、磁记录与读出
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”接口接至磁读写组件对应的“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。同时按下“0/1转换”和“写确认”按键约2秒将读写组件初始化，初始化后才可以进行写和读。
将需要写入与读出的二进制数据记入表2第2行。
将磁卡有刻度区域的一面朝前，沿着箭头标识的方向插入划槽，按需要切换写“0”或写“1”（按“0/1转换”按键.
【数据处理】
1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量
以磁感应强度为横坐标，输出电流为纵坐标，得到
输出 (mV)
磁感应强度 (GS)
磁阻 ()
磁阻 ()
磁感应强度
(GS)磁感应强度
(GS)
4、用GMR模拟传感器测量电流
输出电压 (mV)
待测电流 (mA)
低磁偏置
输出电压 (mV)
待测电流 (mA)
适当偏置
5、GMR梯度传感器的特性及应用
转动角6.24.27.30.45.48.51.54.
9.9 12.9 15.9 18.9 21.9 33.9 36.9 39.9 42.9
度（°） 9 9 9 9 9 9 9 9 输出电-23.-34.-30.-16.-0.014.18.0.1-19.-33.-29.-15.
16.19.0.4
0 0
压（mV) 3 2 3 6 1 3 9 4 8 3 2 9 7 9 8
得到角度与电压的曲线为
输出电压 (mV)
角度 (°)
6、磁记录与读出
磁卡区域 1 读出电平/V 1.97 二进制数字 1
【实验结论】
2 0.003 0
3 1.97 1
4 5
0.003 1.969 0
1
6 7 1.969 1.97 1
1
8 0.003 0
1、GMR传感器的电阻与磁感应强度密切相关，磁感应强度为0时，传感器处于高阻态。
2、GMR传感器电阻与磁感应强度的关系使之具有丰富的应用。可测量直流、交流，也可测量机械转动角度，还可以结合磁介质来读取信息。