摘"要：本文詳細介紹了巨磁電阻（GMR）效應(yīng)的機理以及巨磁電阻傳感器、巨磁電阻梯度傳感器的工作原理和使用方法。通過對巨磁電阻傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性和磁阻特性相關(guān)數(shù)據(jù)的測量和分析，展示了巨磁電阻傳感器所具有的工作特性，并利用巨磁電阻梯度傳感器測量了鐵磁性齒輪的角位移。此外，還通過磁寫組件、磁讀組件和磁卡展示了如何利用巨磁電阻磁頭寫入和讀取二進制信息的過程。這些實驗內(nèi)容可以為高校大學(xué)物理實驗課程開設(shè)巨磁電阻實驗提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：巨磁電阻；巨磁電阻效應(yīng)；物理實驗

中圖分類號：O433""文獻標(biāo)識碼：A

巨磁電阻是一種基于量子力學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)象，它源于一種特殊的薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由鐵磁材料和非鐵磁材料的薄層相互疊加而成。上下兩層是由鐵磁材料構(gòu)成，中間則是非鐵磁材料。鐵磁材料的磁矩方向可以通過外部磁場的加入來控制。因此，即使是較小的磁場也能夠引起較大的電阻變化。［13］

隨著巨磁電阻在各個領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，許多高等院校也紛紛開設(shè)了巨磁電阻實驗課程。［48］

1"實驗原理

1.1"GMR傳感器的工作原理

在設(shè)計GMR傳感器時，為了減少溫度變化等環(huán)境因素對輸出所帶來的影響，通常會采用橋式結(jié)構(gòu)，電路圖可以參考圖1。

在圖1中，4個GMR傳感器組成橋式結(jié)構(gòu)，當(dāng)它們對磁場的響應(yīng)完全同步時，就不會有信號輸出。如果在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€電阻R3和R4上覆蓋一層高導(dǎo)磁率的材料以屏蔽外磁場的影響，那么當(dāng)R1和R2的阻值隨外磁場的改變而發(fā)生變化時，輸出電壓Uout也會隨之變化。

圖2展示了GMR傳感器的幾何結(jié)構(gòu)，其中GMR被設(shè)計成彎曲的電阻條，從而可以增加其電阻值。這樣一來，在較小的工作電流下也可以得到較為適當(dāng)?shù)碾妷狠敵觥?/p>

1.2"GMR梯度傳感器的工作原理

如圖2所示，GMR傳感器電橋的兩對對角電阻被放置在集成電路的兩端，而且這四個電阻都沒有加上磁屏蔽，這樣就形成了一個GMR梯度傳感器。

當(dāng)這種傳感器被置于一個均勻的磁場中時，由于四個橋臂電阻的阻值變化是相同的，因此電橋的輸出為0。然而，如果磁場存在一定的梯度，也就是說各個GMR所處位置的磁場不同，那么磁阻的變化就會不同，從而產(chǎn)生不同的信號輸出。

2"實驗儀器

實驗設(shè)備由GMR實驗儀、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構(gòu)成。

（1）GMR實驗儀。該設(shè)備包括直流數(shù)字電流表（2mA擋和20mA擋）、直流數(shù)字電壓表（2V擋和200mV擋）、可變恒流源，以及提供GMR傳感器工作所需的4V電源和運算放大器工作所需的±8V電源。

（2）基本特性組件。該系統(tǒng)由GMR傳感器、螺線管線圈和比較電路構(gòu)成。

（3）電流測量組件。該系統(tǒng)由GMR傳感器和帶有絕緣皮的直導(dǎo)線構(gòu)成。

（4）角位移測量組件。該系統(tǒng)由GMR梯度傳感器和鐵磁性齒輪構(gòu)成。

（5）磁讀寫組件。該系統(tǒng)由磁寫組件、磁讀組件和磁卡組成。

3"實驗內(nèi)容

3.1"GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性

將GMR傳感器放置在螺線管磁場中，并通過實驗儀的4V電壓源為其供電，同時將螺線管與可變恒流源相連。

調(diào)節(jié)勵磁電流Im的大小，使之從100mA減小到-100mA，再從-100mA增大到100mA，分別記錄GMR傳感器的輸出電壓，如圖3所示。

圖3中，輸出電壓與外磁場強度的變化關(guān)系反映了GMR傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性。另外，同一外磁場強度下的輸出電壓有兩個值，這正是材料的磁滯特性。

從圖3中可以看到，當(dāng)外磁場為0時，GMR傳感器的輸出電壓也幾乎為0。隨著外磁場的增大，GMR傳感器的輸出電壓也隨之增大，其間有一段線性區(qū)域，當(dāng)磁場增大到30Gauss左右時，輸出電壓不再增大。其磁電轉(zhuǎn)換特性在正反向磁場下是對稱的。

3.2"GMR傳感器的磁阻特性

將被磁屏蔽的兩個電橋電阻R3、R4短路，R1、R2并聯(lián)。實驗儀的4V電壓源串聯(lián)電流表后給GMR傳感器供電，恒流源與螺線管連接。

調(diào)節(jié)勵磁電流Im的大小，使之從100mA減小到-100mA，再從-100mA增大到100mA，測量出不同磁場時回路中電流的大小，就可以利用歐姆定律計算出磁阻。磁阻與磁場的關(guān)系曲線如圖4所示。

從圖4可以看到，GMR傳感器的磁阻隨著外磁場的增大而逐漸減小，當(dāng)外磁場超過一定強度之后，磁阻則不再減小，此時GMR傳感器進入了磁飽和區(qū)域。由測量數(shù)據(jù)可以算出，磁阻的變化率約為15%。另外，磁阻特性是對稱的。

從圖4還可以看到，相同的磁場強度對應(yīng)著兩個不同的磁阻，這也是鐵磁材料具有磁滯特性的體現(xiàn)。

3.3"GMR開關(guān)（數(shù)字）傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性

GMR開關(guān)（數(shù)字）傳感器是將GMR傳感器與比較電路、晶體管放大電路等集成起來而制成的。如果電橋電壓低于比較電壓，輸出低電平；如果電橋電壓，高于比較電壓則輸出高電平。

調(diào)節(jié)勵磁電流Im的大小，使之從50mA減小到-50mA，再從-50mA增大到50mA，將輸出電壓從高電平（開）變?yōu)榈碗娖剑P(guān)）和從低電平（關(guān)）變?yōu)楦唠娖剑ㄩ_）時對應(yīng)的勵磁電流和高、低電平值，并記錄到表1中，作圖如圖5所示。

由圖5可知，在磁場強度減小的過程中，3.35Gauss和-4.61Gauss是兩個臨界值，開關(guān)的開、閉發(fā)生變化（輸出電平發(fā)生變化）；在磁場強度增大的過程中，-3.92Gauss和4.10Gauss是兩個臨界值，開關(guān)的開、閉發(fā)生變化（輸出電平發(fā)生變化）。

3.4"用GMR傳感器測量電流

將偏置磁鐵遠離GMR傳感器，調(diào)節(jié)偏置磁鐵和傳感器之間的距離，使輸出約為25mV。將待測電流從300mA逐漸減小到-300mA，再從-300mA逐漸增大到300mA，記錄相應(yīng)的輸出電壓。將偏置磁鐵靠近GMR傳感器，調(diào)節(jié)偏置磁鐵和傳感器之間的距離，使輸出約為150mV，重復(fù)上面的操作，再次記錄相應(yīng)的輸出電壓。根據(jù)兩次所測數(shù)據(jù)作圖如圖7所示。

由表4的數(shù)據(jù)計算及圖6、圖7可以看出，不同的磁偏置對輸出電壓和待測電流之間的線性關(guān)系有很大影響。當(dāng)輸出為150mV時，R2＞0.999，輸出電壓和待測電流之間具有更強的線性相關(guān)性。另外，磁滯的影響并不大。這樣就可以利用輸出電壓的不同來測定待測電流的大小。

3.5"GMR梯度傳感器的特性及應(yīng)用

將永磁體放置于GMR梯度傳感器上方，在鐵磁材料制成的齒輪轉(zhuǎn)動過程中，每轉(zhuǎn)過一個齒牙，磁場就會有一次周期性的變化，從而產(chǎn)生一個完整的波形輸出。

實驗時逆時針慢慢轉(zhuǎn)動鐵磁材料齒輪，在輸出電壓為0時開始記錄轉(zhuǎn)動角度，之后每轉(zhuǎn)3°就記錄一次輸出電壓值，一直記錄2個電壓變化周期。

輸出電壓與轉(zhuǎn)動的角度之間的關(guān)系出線，如圖8所示。

在圖8中可以看出輸出電壓變化了2個周期。

3.6"磁記錄與讀出

寫數(shù)據(jù)時，給寫磁頭線圈中通電流，寫磁頭產(chǎn)生的磁場就會在磁性記錄材料上記錄下信息。GMR讀磁頭利用磁性記錄材料上不同磁場時電阻的變化讀出信息。磁讀寫組件用磁卡做記錄介質(zhì)。

實驗中選取十進制數(shù)字“210”，其二進制碼為“11010010”。將此二進制碼寫入磁卡，然后將磁卡上各區(qū)域的讀出電平記錄到表中，如表2和圖9所示。

由圖9可以看出，磁卡的1、2、4、7區(qū)域是高電平，對應(yīng)二進制“1”；3、5、6、8區(qū)域是低電平，對應(yīng)二進制“0”。這樣就記錄并讀取了“210”的二進制碼“11010010”。

結(jié)語

本文介紹了巨磁電阻效應(yīng)、巨磁電阻傳感器的工作原理及其在物理實驗中的應(yīng)用。通過測量巨磁電阻的磁電轉(zhuǎn)換特性、磁阻特性的實驗，可以讓教師和學(xué)生了解和學(xué)習(xí)巨磁電阻效應(yīng)和巨磁電阻傳感器的工作原理與工作特性。用巨磁電阻傳感器測量電流、用巨磁電阻梯度傳感器測量鐵磁材料齒輪角位移、用磁讀寫組件進行數(shù)據(jù)的記錄與讀取等實驗，則可以讓師生學(xué)習(xí)和掌握巨磁電阻器件的使用方法，了解巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用場景，從而可以利用巨磁電阻效應(yīng)開發(fā)新的物理實驗、拓展新的應(yīng)用場景。

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作者簡介：王春雷（1988—"），男，漢族，山東青島人，碩士研究生，實驗師，研究方向：物理實驗教學(xué)。