羅志高

(中山大學 公共實驗教學中心，廣東 廣州 510275)

磁電阻效應又稱磁致電阻變化效應，指金屬或半導體材料的電阻值隨外加磁場作用而改變的效應。在多層膜結構中，無外磁場時，上下兩層磁性材料的磁化方向是相反的，稱為反平行(或反鐵磁)耦合，施加足夠強的外磁場后，兩層鐵磁膜的磁化方向都與外磁場方向一致，稱為平行耦合。外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合，此過程中中間層電阻發(fā)生顯著變化。這種效應稱為巨磁電阻效應(Giant MagnetoResistance，GMR)。分別由法國物理學家阿貝爾·費爾(Albert Fert)和德國物理學家彼得·格倫貝格(Peter Grunberg)在鐵-鉻-鐵薄膜周期結構中發(fā)現(xiàn)，并因此獲得2007年的諾貝爾物理學獎[1-5]。

1 手動測量巨磁電阻效應實驗

本實驗采用世紀中科公司的巨磁電阻效應實驗儀以及它的基本特性組件、電流測量組件、角位移測量組件和磁讀寫組件。分別測量GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換、GMR磁阻特性、GMR開關(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量、GMR傳感器測量電流、GMR梯度傳感器的特性及應用和磁記錄與讀出。

1.1 測量GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換

GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量數(shù)據(jù)(其中B=Uout·N·Im，N=24 000)

作圖如圖1所示。

圖1 GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性

1.2 測量GMR磁阻特性

測量GMR磁阻特性數(shù)據(jù)見表2。測量結果如圖2。

表2 測量GMR磁阻特性數(shù)據(jù)

圖2 GMR磁阻特性測量結果圖

自動測量采樣率為幾赫茲低頻段就是手動測量的結果，因此不再敘述手動測量GMR開關(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量、GMR傳感器測量電流、GMR梯度傳感器的特性及應用和磁記錄與讀出(圖2)。

2 自動測量巨磁電阻效應實驗

在原來手動測量的基礎上增加微型計算機、850數(shù)據(jù)采集器和電壓電流傳感器，其中850數(shù)據(jù)采集器A端口接電壓傳感器，B和C端口分別接電流傳感器，即A通道為電壓傳感器，B通道為電流傳感器，C通道為電流傳感器，“螺線管電流輸入”串聯(lián)B通道電流傳感器，電壓表輸入兩個端口并聯(lián)接電壓傳感器，在計算機中安裝PASCOCapstone軟件，檢查850數(shù)據(jù)采集器硬件設置是否正常如圖3所示，拖動右邊圖表按鈕，形成一個表如圖4所示，然后在左邊計算器欄中設置如下。

圖3 硬件設置

圖4 計算器欄中設置情況

B=μ。*n*[Im，通道B(毫安mA)]*10 單位為：Gauss

μ。=4*π*0.0000001， 單位為：H/m

n=24000 (線圈密度24 000匝/米)

U=[Uout，通道A(毫伏mV)] 單位為：mV

R=4000/IR單位為：歐姆

IR=[Ir，通道C(毫安mA),▼] 單位為：mA

測量GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性：縱坐標設為Uout，橫坐標為Im，建立Uout—B表如圖5所示。調(diào)節(jié)勵磁電流Im前先點擊表下面的記錄，采樣率先做100Hz，再做5Hz，結果如圖5和圖6所示。

圖5 采樣率100 Hz時GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量

圖6 采樣率5 Hz時GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量

其中：螺線管內(nèi)的磁感應強度B，B=μ0nIm式中，μ0=4π×10-7H/m為真空磁導率。

測量GMR磁阻特性結果如圖7和圖8所示。

圖7 采樣率100 Hz時GMR磁阻特性測量

圖8 采樣率2 Hz時GMR磁阻特性測量

測量GMR開關(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線：結果如圖9和圖10所示。

圖9 采樣率100 Hz時GMR開關(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線

圖10 采樣率5 Hz時GMR開關(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線

GMR傳感器測量電流：結果如圖11和圖12所示。

圖11 采樣率100 Hz時GMR傳感器測量電流

圖12 采樣率5 Hz時GMR傳感器測量電流

GMR梯度傳感器的特性及應用(采樣率50Hz)如圖13所示。

圖13 采樣率50 Hz時GMR梯度傳感器的特性及應用

磁記錄與讀出(采樣率50Hz)如圖14所示

圖14 磁記錄與讀出結果

3 結 語

通過手動測量和自動測量進行對照，可以發(fā)現(xiàn)自動測量采樣率的低頻段就是手動測量的結果，采樣率越高，圖形受影響程度越高，也同時反應了儀器的精度，該實驗也受到廠家的高度重視，并且對儀器設備進一步做了改進。該實驗已經(jīng)用于我?！洞髮W物理實驗》教學中，受到師生們的肯定，使得實驗內(nèi)容和測量手段更完善，加深了學生對巨磁電阻原理及應用認識，培養(yǎng)了學生多種分析問題和的處理問題能力。