磁阻效应及磁阻传感器实验
一、实验题目：磁阻效应及磁阻传感器的特性研究
二、实验目的：1、了解磁阻效应的基本原理及测量磁阻效应的方法；
2、测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系；
3、画出锑化铟传感器电阻变化与磁感应强度的关系曲线，并进行相应的曲线
和直线拟合；
4、学习用磁阻传感器测量磁场的方法。
三、实验原理：
磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。和霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到的洛仑兹力而产生的。若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。磁阻效应还与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其电阻不同，该效应称为几何磁阻效应。由于半导体的电阻率随磁场的增加而增加，有人又把该磁阻效应称为物理磁阻效应。目前，磁阻效应广泛应用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储（磁卡、硬盘）等领域。
一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B变化规律称为磁阻效应。如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，则小于此速度的电子将沿霍尔电场作用的方向偏转，而大于此速度的电子则沿相反方向偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，即沿电场方向的电流密度减小，电阻增大，也就是由于磁场的存在，增加了电阻，此现象称为磁阻效应。如果将图1中U H短路，磁阻效应更明显。因为在上述的情况里，磁场与外加电场垂直，所以该磁阻效应称为横向磁阻效应。
当磁感应强度平行于电流时，是纵向情况。若载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向无关，纵向磁感应强度不引起载流子漂移运动的偏转，因而没有纵向霍尔效应的磁阻。而对于载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向有关的情形，若作用力的方向不在载流子的有效质量和弛豫时间的主轴方向上，此时，载流子的加速度和漂移移动方向与作用力的方向不相同，也可引起载流子漂移运动的偏转现象，其结果总是导致样品的纵向电流减小电阻增加。在磁感应强度与电流方向平行情况下所引起的电阻增加的效应，被称为纵向磁阻效应。
通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ（0）表示。其中ρ（0）为零磁场时的电阻率，设磁电阻电阻值在磁感受应强度为B的磁场的电阻率为ρ（B），则Δρ=ρ（B）－ρ（0）。由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/ R（0）正比于Δρ/ρ（0），这里ΔR=R （B）－R（0）。因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量ΔR/ R（0）来表示磁阻效应的大小。
测量磁电阻电阻值R与磁感应强度B的关系实验装置及线路如图2所示。尽管不同的磁阻装置有不同的灵敏度，但其电阻的相对变化率ΔR/ R（0）与外磁场的关系都是相似的。实验证明，磁阻效应对外加磁场的极性不灵敏，就是正负磁场的相应相同。一般情况下外加磁场较弱时，电阻相对变化率ΔR/ R（0）正比于磁感应强度B的二次方；随磁场的加强，ΔR/ R （0）与磁感应强度B呈线性函数关系；当外加磁场超过特定值时，ΔR/ R（0）与磁感应强
度B的响应会趋于饱和。
另外，ΔR/ R（0）对总磁场的方向很灵敏，总磁场为外磁场与内磁场之和，而内磁场与磁阻薄膜的性质和几何形状有关。
图1 磁阻效应图2 测量磁电阻实验装置
【实验仪器】
实验采用DH4510磁阻效应实验仪，研究锑化铟（InSb）磁阻传感器的磁阻特性，图3为该仪器示意图
图3（a）磁阻效应信号号源面板图
DH4510磁阻实验仪由信号源和测试架两部分组成。实验仪包括双路可调直流恒流源、电流表、数字式磁场强度计（毫特计）和磁阻电压转换测量表（毫
伏表）、控制电源等。测试架包括励磁线圈（含电磁铁）、锑化铟（InSb）磁阻传感器、GaAs 霍尔传感器、转换继电器及导线等组成。仪器连接如图4所示。
【实验内容】
1、在锑化铟磁阻传感器工作电流保持不变的条件下，测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。作ΔR/ R（0）与B的关系曲线，并进行曲线拟合。（实验步骤由学生自己拟定，实验时注意GaAs和InSb传感器工作电流应调至1mA）。
2、用磁阻传感器测量一个未知的磁场强度，与毫特计测
得的磁场强度相比较，估算测量误差。
图3（b）磁阻效应测试架图
四、实验步骤：
仪器开机前须将I M调节电位器、Is电流调节电位器
逆时针方向旋到底。
1、信号源的“I M直流源”端用导线接至测试架的“励磁电流”输入端，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连，如图4所示。调节“I M电流调节”电位器可改变输入励磁线圈电流的大小，从而改变电磁铁间隙中磁感应强度的大小。
2、将实验仪信号源背部的二芯话筒通过专用的二芯话筒线接至测试架的工作电压输入端，这是一路提供继电器工作的12V直流控制电源，作为继电器的控制电压。红的香蕉插接红接线柱，黑的香蕉插接黑接线柱。
3、信号源上“Is直流恒流源”输出用导线接至工作电流切换继电器K1接线柱的中间两端，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连。如图4所示。
4、信号源的“信号输入”两端用导线接至输出信号切换继电器K2接线柱的中间两端，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连。如图4所示。
5、将继电器K1接线柱的下面两端与继电器K2接线柱的下面两端相连，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连。如图4所示。
6、将锑化铟（InSb）磁阻传感器（蓝、绿引出线）的两端与工作电流切换继电器K1接线柱的下面两端相连，红的香蕉插接红接线柱，黑的香蕉插接黑接线柱。即蓝引出线接至红接线柱，绿引出线接至黑接线柱。如图4所示。
图4 磁阻效应接线图
7、砷化镓（GaAs）霍尔传感器的的四引出线按线的长短已分成两组，红、棕为一组（为工作电流输入端），黄、橙为一组（为霍尔电压输出端），红、棕这一组线接至工作电流切换继电器K1接线柱的上面两端，黄、橙这一组线接至输出信号切换继电器K2接线柱的上面两端。红的香蕉插接红接线柱，黑的香蕉插接黑接线柱，如图4所示。
8、确认接线正确完成后，打开交流电源，将信号源及测试架的切换开关都处于按上状态，这时将测试架上取出的霍尔电压信号输入到信号源，经内部处理转换成磁场强度由表头显示。
9、调节Is 调节电位器让Is 表头显示为1.00mA ，然后调节I M ，使磁场强度显示为10mT ，记下励磁电流值的大小。
10、按下信号源及测试架上的切换开关，测量并记录该磁场强度下对应的磁阻电压。注意：这时的Is 表头显示应为1.00mA 。
11、将信号源及测试架上的切换开关弹起，再调节I M 调节电位器，使磁场强度显示为20mT ，记下该磁场强度及对应的励磁电流值。测量并记录该磁场强度下对应的磁阻电压。
12、参考表1所列的磁场强度，重复以上10~11步骤。
13、根据表1数据列出表2，在B<0.06T 时对ΔR/ R （0）作曲线拟合，求出R 与B 的关系。
14、根据表1数据列出表3，在B>0.12T 时对ΔR/ R （0）作曲线拟合，求出R 与B 的关系。
15、调节I M 电流，使电磁铁产生一个未知的磁场强度。测量磁阻传感器的磁阻电压，根据求得的ΔR/ R （0）与B 的关系曲线，求得磁场强度。
16、用仪器所配的毫特计测量该磁场强度，将测得的磁场强度作为准确值与磁阻传感器测得的磁场强度值与相比较，估算测量误差。
五、实验参考表格(仅供参考)：
ΔR/ R （0）=14.5B
由上面拟合可知在B<0.06T 时磁阻变化率ΔR/ R （0）与磁感应强度B 成二次函数关系；
2、对表1数据在B>0.12T 时对ΔR/ R （0）作曲线拟合如下表3：
表3
由上面拟合可知在B>0.12T 时磁阻变化率ΔR/ R （0）与磁感应强度B 成一次函数关系 ΔR/ R （0）=5.35B-0.59
3、按以上实验数据可得到图曲线。
五、实验数据及其处理：
1、仪器开机前将I M 调节电位器、Is 电流调节电位器逆时针方向旋到底。调节Is 调
节电位器让Is 表头显示为1.00mA ，
实验过程中保持Is 不变，然后调节I M 使得B=0，10，
20，……，180mT ，分别测量磁阻电压R V （注：测量时测试架和信号源上的要同时按下
测B ，同时抬起测R V ），可得出如下的数据：
/()M I mA
/()B mT
/()R V mV
/()R Ω /(0)R R ?
5
0 221.9 221.9 0 20 10 223.5 223.5 0.007210 35 20 225.0 225.0 0.013970 51 30 227.6 227.6 0.025687 66 40 231.1 231.1 0.041460 81 50 235.4 235.4 0.060838 96 60 240.5 240.5 0.083822 111 70 246.6 246.6 0.111311 126 80 253.3 253.3 0.141505 141 90 260.7 260.7 0.174854 156 100 268.8 268.8 0.211356 171 110 277.6 277.6 0.251014 186 120 287.2 287.2 0.294277 201 130 297.5 297.5 0.340694 216 140 308.1 308.1 0.388463 232 150 319.4 319.4 0.439387 247 160 331.3 331.3 0.493015 262 170 343.5 343.5 0.547995 277
180 356.2 356.2 0.605228
（1）060B mT ≤≤ 时：
运用origin 软件作出/(0)R R B ?-的图像：
/(0)R R ?
图的说明如下：
Y = A + B1*X + B2*X^2
Parameter Value Error ----------------------------------------------
A 8.36857E-4 7.97097E-4 B1 3.07386E-4 6.22234E-5 B2 1.78657E-5 9.96372E-7 ---------------------------------------------- R-Square(COD) SD N P
---------------------------------------------- 0.9994 9.1319E-4 7 <0.0001 ---------------------------------------------- /()B mT
由上面的拟合可知，060B T ≤≤ 时，磁阻变化率ΔR/ R （0）与磁感应强度B 成二次函
数关系：4452/(0)8.3710 3.0710 1.7910R R B B ---?=?+?+? （*1）
（2）70120mT B mT ≤≤ 时：
（注：此区间在实验讲义中并未要求进行拟合，但实验室桌上贴的数据记录表上要求对这段“曲线2”进行拟合。考虑到这是中间的一段区间，其图像介于二次和线性之间，因此，为了减小误差，我们用线性拟合和二次函数拟合各操作一次。） 运用origin 软件作出/(0)R R B ?-的图像：
01用二次函数拟合：
/(0)R R ?
图的说明如下：
Y = A + B1*X + B2*X^2
Parameter Value Error
------------------------------------------------ A -0.00874 0.00159 B1 5.83456E-4 3.43474E-5 B2 1.61752E-5 1.80244E-7 ------------------------------------------------ R-Square(COD) SD N P
------------------------------------------------ 1 1.10131E-4 6 <0.0001 ------------------------------------------------
/()B mT
由上面的拟合可知，磁阻变化率ΔR/ R （0）与磁感应强度B 的关系是：
452/(0)0.00874 5.8310 1.6210R R B B --?=-+?+? （*21）
02用线性拟合：
/(0)R R ?
图的说明如下：
Y = A + B * X
Parameter Value Error
----------------------------------------------------------
A -0.15 0.0114
B 0.00366 1.18149E-4
---------------------------------------------------------- R SD N P
/()B mT
0.99792 0.00494 6 <0.0001
由上面的拟合可知，磁阻变化率ΔR/ R （0）与磁感应强度B 的关系是：
3/(0)0.15 3.6610R R B -?=-+? （*22）
拟合之后的分析：单从拟合的角度来看，显然二次函数的拟合程度较好，说明在
70120mT B mT ≤≤ 这中间一段，函数的图像更加接近于二次函数，即这一段的图像与第一段060B mT ≤≤ 的图像性质较为接近。
（3）130180mT B mT ≤≤ 时： 运用origin 软件作出/(0)R R B ?-的图像：
/(0)R R ?
图的说明如下： Y = A + B * X
Parameter Value Error
-------------------------------------------------- A -0.35232 0.01299 B 0.0053 8.33083E-5
-------------------------------------------------- R SD N P
-------------------------------------------------- 0.99951 0.00349 6 <0.0001
-------------------------------------------------
/()B mT
由上面的拟合可知，磁阻变化率ΔR/ R （0）与磁感应强度B 的关系是：
3/(0)0.35 5.310R R B -?=-+? （*3）
2、调节I M 电流，使电磁铁产生一个未知的磁场强度。测量磁阻传感器的磁阻电压，根据求得的ΔR/ R （0）与B 的关系曲线，求得磁场强度：
（1）在060B mT ≤≤ 时，调节I M 电流，得到了如下的数据：
74,232.4,45.8M R x I mA V mV B mT ===标准
由此计算出：
232.410.5232.4,(0)232.4221.910.5,0.0471221.9
R M V mV R R R R R I mA R ?=
==Ω?=-=-=Ω== 将该数值代入上一步拟合出的曲线（*1），从而计算出B ：（略去负值）
B =
=
44.7mT == 下面计算实验的误差：
绝对误差：44.745.8 1.1x B B B mT mT mT ?=-=-= 相对误差：
1.1
2.4%45.8x B mT
B mT
?==
（2）在70120mT B mT ≤≤ 时，调节I M 电流，得到了如下的数据：
167,274.7,107.5M R x I mA V mV B mT ===标准
由此计算出：
274.752.8274.7,(0)274.7221.952.8,0.2381221.9
R M V mV R R R R R I mA R ?=
==Ω?=-=-=Ω
==分别代入二次曲线拟合和线性拟合中：
01
用二次函数拟合的曲线：
将该数值代入上一步拟合出的曲线（*1），从而计算出B ：（略去负值）
B
=
=
103.4mT ==
下面计算实验的误差：
绝对误差：103.4107.5 4.1x B B B mT mT mT ?=-=-= 相对误差：
4.1 3.8%107.5x B mT
B mT
?== 02用线性拟合的曲线：
将该数值代入上一步拟合出的曲线（*22），从而计算出B ：
33
0.15
0.2380.15106.13.6610 3.6610R
R B mT --?++===?? 下面计算实验的误差：
绝对误差：106.1107.5 1.4x B B B mT mT mT ?=-=-= 相对误差：
1.4 1.3%107.5x B mT
B mT
?== 测量后的分析与感想：如果单单从测量准确性的角度来看，采用线性拟合对估算B 的
实验较为准确，而前面的拟合结果显示二次函数较为准确。这说明70120mT B mT ≤≤ 这中间不但具有线性函数的性质，而且又有二次函数的性质，因此如果单独分析这一段，应该运用两种拟合方法进行，然后对所得的结果进行比较，才能得到较为准确的数据。
（3）在130180mT B mT ≤≤ 时，调节I M 电流，得到了如下的数据：
251,334.5,163.2M R x I mA V mV B mT ===标准
由此计算出：
334.5112.6334.5,(0)334.5221.9112.6,0.5071221.9
R M V mV R R R R R I mA R ?=
==Ω?=-=-=Ω== 将该数值代入上一步拟合出的曲线（*3），从而计算出B ： 33
0.35
0.5070.35
161.81010R
R B mT --?++===5.3?5.3? 下面计算实验的误差：
绝对误差：161.8163.2 1.4x B B B mT mT mT ?=-=-= 相对误差：
1.40.9%163.2x B mT
B mT
?== 对于误差的分析：再求位置磁感应强度B 的实验过程中，产生了一定的误差。其原因
可能是在测量过程中，信号发生器产生的电流并不能始终保持稳定，导致磁感应强度的上下波动，另外采用拟合曲线的方法毕竟得到的只是一组经验规律，而不是运用能反映问题本质的准确的公式和规律进行测量，因此，综合上面几方面的因素，这一步实验产生的误差还是在合理的范围之内的。
六、实验注意点与总结：
1、本次实验中，操作比较简单，关键是在实验中要保持耐心，等示数稳定后再记录实验数据。
2、本次试验最关键的是在实验的过程中始终保持I M的稳定，否则，测量的数据和得到
结论便没有任何意义。
七、实验思考题及其解答：
1、磁阻效应是怎样产生的？磁阻效应和霍尔效应有何内部联系？
答：（1）磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。和霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到的洛仑兹力而产生的。由于半
导体的电阻率随磁场的增加而增加，有人又把该磁阻效应称为物理磁阻效应。
（2）磁阻效应和霍尔效应的本质是相似的，都是由于载流子在磁场中受到的洛仑兹
力而产生的。
2、实验时为何要保持霍尔工作电流和流过磁阻元件的电流不变？
答：本次实验中，是通过霍尔电压来反映规律的，实验中是改变B来改变这时流动电荷的密度，但是，这时使用的是控制变量的方法，即影响的因素只能是B。如果改变霍尔工作电流和流过磁阻元件的电流，那么，霍尔电压的变化就不能只由B的变化产生，实验中所有的规律都无法成立，实验的测量便失去了意义。
3、不同的磁场强度时，磁阻传感器的电阻值与磁感应强度关系有何变化？
答：一般情况下外加磁场较弱时，电阻相对变化率ΔR/ R（0）正比于磁感应强度B的二次方；随磁场的加强，ΔR/ R（0）与磁感应强度B呈线性函数关系；当外加磁场超过特定值时，ΔR/ R（0）与磁感应强度B的响应会趋于饱和。
4、磁阻传感器的电阻值与磁场的极性和方向有何关系？
答：如果磁场的极性改变，那么，会使霍尔电压的正负值发生改变，但是磁阻传感器的电阻并不会发生明显的变化。如果磁场的方向发生改变，那么垂直电荷运动方向的
磁感应强度会减小（相比B与运动方向垂直时），根据霍尔电压与B的关系知，此
时霍尔电压减小，而电流不变，因此电阻相比B与电荷运动方向垂直时会减小。
八、实验的思考与自主性问题的解答：
1、当励磁电流I M=0时，B≠0，请分析产生的原因。
答：这时B可能和地磁场有关，由于地磁场的存在，使得B≠0。
2、利用本次实验中的霍尔效应，可以与实际生活中的磁流体发电产生联系：
基本原理就是利用等离子体的霍尔效应，即在横向磁场作用下使通过磁场的等离子体正、负带电粒子分离后积聚于两个极板形成电源电动势。这种新型的高效发电方式，通过燃料燃烧发出的热能使气体变成等离子体流而转换成电能，无须像火力发电一样，先将燃料燃烧释放的热能转换成机械能以推动发电机轮转动，再把机械能转换成电能，这样在提高了热能利用效率的同时，也满足了环保的要求。
3、利用本次实验中的元件，可以制作成多种性能较好的传感器，而且这些传感器在测量精度
和防干扰方面都大大优于其他的传感器和测量仪器，例如：可以制成InSb伪币检测传感
器安装在光磁电伪币检测机上，利用半导体材料制成InSb磁敏无接触电位器等等。
巨磁电阻效应及其应用 实验报告
巨磁电阻效应及其应用 【实验目的】 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 【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。电阻定律 R=ρl/S 中，把电阻率ρ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。 无外磁场时顶层磁场方向 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。 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆
研究性实验报告——各向异性磁阻传感器与磁场测量
文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持. 基础物理学 研究性实验报告 题目：各向异性磁阻传感器（AMR）与地磁场测量第一作者： 第二作者： 学院：航空科学与工程学院 专业：飞行器设计与工程 班级：110519 2013年5月14日 1
目录 摘要 ............................................................................................... 错误!未定义书签。关键词 ........................................................................................... 错误!未定义书签。 一、实验要求 ............................................................................... 错误!未定义书签。 二、实验原理 ............................................................................... 错误!未定义书签。 三、实验仪器介绍 ....................................................................... 错误!未定义书签。 四、实验内容 ............................................................................... 错误!未定义书签。 1、测量前的准备工作 ......................................................... 错误!未定义书签。 2、磁阻传感器特性测量...................................................... 错误!未定义书签。 3、测量磁阻传感器的各向异性特性.................................. 错误!未定义书签。 4、赫姆霍兹线圈的磁场分布测量...................................... 错误!未定义书签。 5、地磁场测量 ..................................................................... 错误!未定义书签。 五、思考题 ................................................................................... 错误!未定义书签。 六、误差分析 ............................................................................... 错误!未定义书签。 七、AMR传感器的应用举例 ...................................................... 错误!未定义书签。 八、实验感想 ............................................................................... 错误!未定义书签。参考文献 ....................................................................................... 错误!未定义书签。附录——原始实验数据(影印版).................................................. 错误!未定义书签。 各向异性磁阻传感器与磁场测量 摘要：物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。磁阻传感器可用于直接测量磁场或磁场变化，如弱磁场测量。也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，广泛用于各类需要自动检测与控制的领域。磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR），各向异性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），庞磁阻（CMR）等阶段。本实验研究AMR的特性并利用它对磁场进行测量。 关键词：AMR，磁阻效应，电磁转换，磁场测量
磁阻效应实验
磁阻效应实验 [概述] 磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：交通车辆检测，导航系统、伪钞检测、位置测量等。其中最典型的锑化铟（InSb）传感器是一种灵敏度高的磁电阻，有着十分重要的应用价值。 [实验项目] 1、理解磁阻效应、霍尔效应等概念。 2、掌握测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系的一种方法。 3、作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线，并对此关系 曲线的非线性区域和线性区域分别进行拟合。 [实验原理] 一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。如图2所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。若将图1中a端和b端短路，则磁阻效应更明显。通常以电阻率的相对改变量来表示磁电阻的大小，即用Δρ/ρ（0）表示。其中ρ（0）为零磁场时的电阻率，设磁电阻在磁感应强度为B的磁场中电阻率为ρ（B），则Δρ=ρ（B）-ρ（0）。由于磁阻传感器电阻的相 图1 磁阻效应
对变化率ΔR/R（0）正比于ΔR=R（B）-R（0），因此也对变FD-MR-II 型磁阻效应实验仪，图2为该仪器示意图 ρ/ρ（0），这里Δ可以用磁阻传感器电阻的相对改变量ΔR/R（0）来表示磁阻效应的大小。 实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相化率ΔR/R（0）正比于磁感应强度B 的平方，而在强磁场中ΔR/R（0）与磁感应强度B 呈线性关系。磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。 [实验仪器] 实验采用 图2 FD-MR-II 磁阻效应实验仪 FD-MR-II 型磁阻-2V 直流数字电压表、效应验仪包括直流双路恒流电源、 0电磁铁、数字式毫特仪（GaAs 作探测器） 、锑化铟（InSb）磁阻传感
传感器测速实验报告(第一组)
传感器测速实验报告 院系： 班级： 、 小组： 组员： 日期：2013年4月20日
实验二十霍尔转速传感器测速实验 一、实验目的 了解霍尔转速传感器的应用。 二、基本原理 利用霍尔效应表达式：U H=K H IB，当被测圆盘上装有N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 本实验采用3144E开关型霍尔传感器，当转盘上的磁钢转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平 三、需用器件与单元 霍尔转速传感器、直流电源+5V，转动源2~24V、转动源电源、转速测量部分。 四、实验步骤 1、根据下图所示，将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上，调节探头对准转盘内的磁钢。 图9-1 霍尔转速传感器安装示意图 2、将+15V直流电源加于霍尔转速器的电源输入端，红（+）、黑（ ），不能接错。 3、将霍尔传感器的输出端插入数显单元F，用来测它的转速。 4、将转速调解中的转速电源引到转动源的电源插孔。 5、将数显表上的转速/频率表波段开关拨到转速档，此时数显表指示电机的转速。 6、调节电压使转速变化，观察数显表转速显示的变化，并记录此刻的转速值。
五、实验结果分析与处理 1、记录频率计输出频率数值如下表所示： 电压（V) 4 5 8 10 15 20 转速（转/分）0 544 930 1245 1810 2264 由以上数据可得：电压的值越大，电机的转速就越快。 六、思考题 1、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有所限制？ 答：有，测量速度不能过慢，因为磁感应强度发生变化的周期过长，大于读取脉冲信号的电路的工作周期，就会导致计数错误。 2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否只用一只磁钢？ 答：如果霍尔是单极的，可以只用一只磁钢，但可靠性和精度会差一些；如果霍尔 是双极的，那么必须要有一组分别为n/s极的磁钢去开启关断它，那么至少要两只磁钢。
磁阻效应及磁阻传感器实验
一、实验题目：磁阻效应及磁阻传感器的特性研究 二、实验目的：1、了解磁阻效应的基本原理及测量磁阻效应的方法； 2、测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系； 3、画出锑化铟传感器电阻变化与磁感应强度的关系曲线，并进行相应的曲线 和直线拟合； 4、学习用磁阻传感器测量磁场的方法。 三、实验原理： 磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。和霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到的洛仑兹力而产生的。若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。磁阻效应还与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其电阻不同，该效应称为几何磁阻效应。由于半导体的电阻率随磁场的增加而增加，有人又把该磁阻效应称为物理磁阻效应。目前，磁阻效应广泛应用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储（磁卡、硬盘）等领域。 一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B变化规律称为磁阻效应。如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，则小于此速度的电子将沿霍尔电场作用的方向偏转，而大于此速度的电子则沿相反方向偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，即沿电场方向的电流密度减小，电阻增大，也就是由于磁场的存在，增加了电阻，此现象称为磁阻效应。如果将图1中U H短路，磁阻效应更明显。因为在上述的情况里，磁场与外加电场垂直，所以该磁阻效应称为横向磁阻效应。 当磁感应强度平行于电流时，是纵向情况。若载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向无关，纵向磁感应强度不引起载流子漂移运动的偏转，因而没有纵向霍尔效应的磁阻。而对于载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向有关的情形，若作用力的方向不在载流子的有效质量和弛豫时间的主轴方向上，此时，载流子的加速度和漂移移动方向与作用力的方向不相同，也可引起载流子漂移运动的偏转现象，其结果总是导致样品的纵向电流减小电阻增加。在磁感应强度与电流方向平行情况下所引起的电阻增加的效应，被称为纵向磁阻效应。 通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ（0）表示。其中ρ（0）为零磁场时的电阻率，设磁电阻电阻值在磁感受应强度为B的磁场的电阻率为ρ（B），则Δρ=ρ（B）－ρ（0）。由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/ R（0）正比于Δρ/ρ（0），这里ΔR=R （B）－R（0）。因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量ΔR/ R（0）来表示磁阻效应的大小。 测量磁电阻电阻值R与磁感应强度B的关系实验装置及线路如图2所示。尽管不同的磁阻装置有不同的灵敏度，但其电阻的相对变化率ΔR/ R（0）与外磁场的关系都是相似的。实验证明，磁阻效应对外加磁场的极性不灵敏，就是正负磁场的相应相同。一般情况下外加磁场较弱时，电阻相对变化率ΔR/ R（0）正比于磁感应强度B的二次方；随磁场的加强，ΔR/ R （0）与磁感应强度B呈线性函数关系；当外加磁场超过特定值时，ΔR/ R（0）与磁感应强
磁阻效应实验
实验1： 磁阻效应实验 一、 实验目的 测量锑化铟传感器的电阻和磁感应强度的关系； 作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线； 对此关系曲线的非线性区域和线性区域进行曲线和直线拟合。 二、 实验内容 在锑化铟传感器的电流保持不变的条件下，测量锑化铟传感器的的电阻和磁感应强度的关系，作出/(0)R R ?与感应强度B 的关系曲线，并进行曲线拟合。 三、 实验原理 一定条件下，导电材料的电阻值R 随磁感应强度B 变化规律称为磁阻效应。当半导体处于磁场中时，半导体的载流子将受洛仑兹力的作用发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。如果霍耳电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减小，电阻增大，表现出横向磁阻效应。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用/(0)ρρ?表示。其中(0)ρ为零磁场时的电阻率。设磁电阻电阻值在磁感应强度为B 的磁场中电阻率为(B)ρ，则()(0)B ρρρ?=-。由于磁阻传感器电阻的相对变化率/(0)R R ?正比于/(0)ρρ?，这里R R()(0)B R ?-＝因此也可以用磁阻传感器的电阻相对改变量/(0)R R ?来表示磁阻效应的大小。测量磁电阻值R 与磁感应强度的关系实验装置如图所示： 实验证明：当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率/(0)R R ?正比于磁感应强度B 的二次方，而在强磁场中/(0)R R ?与磁感应强度B 呈线性函数关系。 四、 实验组织运行要求 本实验采用集中与开放相结合方式运行。即导论课时以讨论和练习为主的集中模式进
巨磁电阻效应及应用实验
巨磁电阻效应及其应用 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。 图 1 反铁磁有序 后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如错误!未找到引用源。所示。则磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。 直接交换作用的特征长度为0.1～0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因此取得“超晶格”的名称。上世纪八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序，层间耦合，电子输运等进行了广泛的基础方面的研究。 德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态。研究对象是一个三明治结构的薄膜，两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm 的铬层。选择这个材料系统并不是偶然的，首先金属铁和铬是周期表上相近的元素，具有类似的电子壳层，容易实现两者的电子状态匹配。其次，金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同，它们之间晶格结构也是匹配的，这两类匹配非常有利于基本物理过程的探索。但是，很长时间以来制成的三明治薄膜都是多晶体，格伦贝格尔和很多研究者一样，并没有特别的发现。直到1986年，他采用了分子束外延(MBE)方法制备薄膜，样品成分还是铁-铬-铁三层膜，不过已经是结构完整的单晶。在
巨磁阻效应实验报告
巨磁阻效应实验报告 篇一:磁阻效应实验报告 近代物理实验报告 专业2011级应用物理学班级(2) 指导教师彭云雄姓名同组人 实验时间 2013 年 12 月23 日实验地点 K7-108 实验名称磁阻效应实验 一、实验目的 1、 2、 3、 4、测量电磁铁的磁感应强度与励磁电流的关系和电磁铁磁场分布。测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系。作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。对此关系曲线的非线性区域和线性区域分别进行拟合。 二、实验原理 图1磁阻效应原理 1 一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。 如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。若将图1中a端和b端短路，则磁阻效应更明显。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ(0)表示。其中ρ(0)为零磁场时的电阻率，设磁电阻在磁感应强度为B的磁场中电阻率为ρ(B)，则
Δρ=ρ(B)-ρ(0)。由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/R(0)正比于 Δρ/ρ(0)，这里ΔR=R(B)-R(0)，因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量 ΔR/R(0)来表示磁阻效应的大小。 图2 图2所示实验装置，用于测量磁电阻的电阻值R与磁感应强度B之间的关系。实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率ΔR/R(0)正比于磁感应强度B的平方，而在强磁场中ΔR/R(0)与磁感应强度B呈线性关系。磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。 2 如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦波交流磁场中，由于磁电阻相对变化量ΔR/R(0)正比于B，则磁阻传感器的电阻值R将随角频率2ω作周期性变化。即在弱正弦波交流磁场中，磁阻传感器具有交流电倍频性能。若外界交流磁场的磁感应强度B为 B=B0COSωt (1) (1)式中，B0为磁感应强度的振幅，ω为角频率，t为时间。 2设在弱磁场中ΔR/R(0)=KB(2) (2)式中，K为常量。由(1)式和(2)式可得 R(B)=R(0)+ΔR=R(0)+R(0)×[ΔR/R(0)] 22=R(0)+R(0)KB0COSωt 2 1212R(0)KB0+R(0)KB0COS2ωt (3) 22 1122(3)式中，R(0)+R(0)KB0为不随时间变化的电阻值，而R(0)KB0cos2ωt为以角频22=R(0)+ 率2ω作余弦变化的电阻值。因此，磁阻传感器的电阻值在弱正弦波交流磁场中，将产生倍频交流电阻阻值变化。
实验报告磁阻传感器和地磁场的测量
实验报告磁阻传感器和 地磁场的测量 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】
磁阻传感器和地磁场的测量 一． 实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。 二．实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图6-8-1所示。薄膜的电阻率 )(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。 HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图6-8-2所示，图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电 阻值变化有增有减。因而输出电压out U 可以用下式表示为b out V R R U ??? ? ???=
巨磁电阻实验报告
巨磁电阻实验报告 【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=ρl/S中，把电阻率ρ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
MR-1 磁阻效应实验仪 - 南京信息工程大学
实验64 磁阻效应 磁阻器件由于其灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等探测器。磁阻器件品种较多，可分为正常磁电阻，各向异性磁电阻，特大磁电阻，巨磁电阻和隧道磁电阻等。其中正常磁电阻的应用十分普遍。锑化铟（InSb）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的正常磁电阻，有着十分重要的应用价值。它可用于制造在磁场微小变化时测量多种物理量的传感器。本实验使用两种材料的传感器：砷化镓（GaAs）测量磁感应强度和研究锑化铟（InSb）在磁感应强度变化时的电阻，融合霍尔效应和磁阻效应两种物理现象。 【实验目的】 1．了解磁阻现象与霍尔效应的关系与区别； 2．测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系； 3．作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线； 【实验仪器】 磁阻效应实验仪 【实验原理】 在一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。 如图1所示，当材料处于磁场中时，导体或半导体内的载流子将受洛仑兹力的作用发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。如霍尔电场作 用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消， 那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转， 因而沿外加电场方向运动的载流子数目将减少， 电阻增大，表现出横向磁阻效应。如果将图1 中 a、b端短接，霍尔电场将不存在，所有电子将向 a端偏转，磁阻效应更明显。 通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大 小，即用△ρ/ρ(0)表示，其中ρ(0)为零磁场时的电 阻率，设磁电阻阻值在磁感应强度为B的磁场中 电阻率为ρ(B)，则△ρ=ρ(B)－ρ(0), 由于磁阻传感器电阻的相对变化率△R/R(0)正比于△ρ/ρ(0), 这里△R =R(B) －R(0)，因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量△R/R(0)来表示磁阻效应的大小。 实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率ΔR/R（0）正比于磁感应强度B的平方，而在强磁场中ΔR/R（0）与磁感应强度B呈线性函数关系。磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。 如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦波交流磁场中，由于磁电阻相对变化量ΔR/R （0）正比于B2，那么磁阻传感器的电阻R将随角频率2ω作周期性变化。即在弱正弦波交流磁场中磁阻 图1 磁阻效应
巨磁电阻效应及应用
实验十四巨磁电阻效应及应用 【实验目的】 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.测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线 5.用GMR传感器测量电流 6.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 7.通过实验了解磁记录与读出的原理 【实验仪器】 巨磁电阻效应及应用实验仪 【实验原理】 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G 乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 GMR作为自旋电子学的开端具有深远的科学意义。传统的电子学是以电子的电荷移动为基础的，电子自旋往往被忽略了。巨磁电阻效应表明，电子自旋对于电流的影响非常强烈，电子的电荷与自旋两者都可能载运信息。自旋电子学的研究和发展，引发了电子技术与信息技术的一场新的革命。目前电脑，音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头，基本上都应用了巨磁电阻效应。利用巨磁电阻效应制成的多种传感器，已广泛应用于各种测量和控制领域。除利用铁磁膜-金属膜-铁磁膜的GMR效应外，由两层铁磁膜夹一极薄的绝缘膜或半导体膜构成的隧穿磁阻(TMR)效应，已显示出比GMR效应更高的灵敏度。除在多层膜结构中发现GMR效应，并已实现产业化外，在单晶，多晶等多种形态的钙钛矿结构的稀土锰酸盐中，以及一些磁性半导体中，都发现了巨磁电阻效应。 本实验介绍多层膜GMR效应的原理，并通过实验让学生了解几种GMR传感器的结构、特性及应用领域。 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则散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自 221
实验报告磁阻传感器和地磁场的测量
磁阻传感器和地磁场的测量 一．实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。 二．实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图6-8-1所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式 θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。
HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图6-8-2而输出电压out U 可以用下式表示为b out V R R U ??? ? ???= 磁阻传感器的构造示意图 磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压，如V V b 00.6=，HMC1021Z 磁阻传感器输出电压out U 与外界磁场的磁感应强度成正比关系，KB U U out +=0 上式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。0U 为外加磁场为零时传感器的输出量。 由于亥姆霍兹线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为：I R NI B 42 /301096.445 8 -?== μ 上式中N 为线圈匝数（500匝）；亥姆霍兹线圈的平均半径cm R 10=；真空磁导率270/104A N -?=πμ。
磁阻效应法测量磁场
实验64 磁阻效应及磁阻效应法测量磁场 磁阻器件由于其灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等探测器。磁阻器件品种较多，可分为正常磁电阻，各向异性磁电阻，特大磁电阻，巨磁电阻和隧道磁电阻等。其中正常磁电阻的应用十分普遍。锑化铟（InSb）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的正常磁电阻，有着十分重要的应用价值。它可用于制造在磁场微小变化时测量多种物理量的传感器。本实验使用两种材料的传感器：砷化镓（GaAs）测量磁感应强度和研究锑化铟（InSb）在磁感应强度变化时的电阻，融合霍尔效应和磁阻效应两种物理现象。 【实验目的】 1．了解磁阻现象与霍尔效应的关系与区别； 2．测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系； 3．作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线； 【实验仪器】 磁阻效应实验仪 【实验原理】 在一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。 如图1所示，当材料处于磁场中时，导体或半导体内的载流子将受洛仑兹力的作用发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。如霍尔电场作 用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消， 那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转， 因而沿外加电场方向运动的载流子数目将减少， 电阻增大，表现出横向磁阻效应。如果将图1 中 a、b端短接，霍尔电场将不存在，所有电子将向 a端偏转，磁阻效应更明显。 通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大 小，即用△ρ/ρ(0)表示，其中ρ(0)为零磁场时的电 阻率，设磁电阻阻值在磁感应强度为B的磁场中 电阻率为ρ(B)，则△ρ=ρ(B)－ρ(0), 由于磁阻传感器电阻的相对变化率△R/R(0)正比于△ρ/ρ(0), 这里△R =R(B) －R(0)，因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量△R/R(0)来表示磁阻效应的大小。 实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率ΔR/R（0）正比于磁感应强度B的平方，而在强磁场中ΔR/R（0）与磁感应强度B呈线性函数关系。磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。 如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦波交流磁场中，由于磁电阻相对变化量ΔR/R （0）正比于B2，那么磁阻传感器的电阻R将随角频率2ω作周期性变化。即在弱正弦波交流磁场中磁阻传感器具有交流电倍频性能。 图1 磁阻效应
巨磁电阻效应及其应用实验报告记录
巨磁电阻效应及其应用实验报告记录
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
巨磁电阻效应及其应用 【实验目的】 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 【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。电阻定律 R=ρl/S 中，把电阻率ρ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。 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。 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆
巨磁电阻效应及其应用-数据处理
五、实验数据及处理 1.GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 实验数据及由公式B = μ0nI算得的磁感应强度如下表所示：（n=24000匝/m）
以B为横坐标，输出电压U为纵坐标，作图得： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最低处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的； （2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；
2. GMR的磁阻特性曲线的测量 根据实验数据由公式B = μ0nI算得的磁感应强度，由R=U/I算得的电阻如下表所示：（磁阻两端电压U=4V）
作图如下： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最高处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的； （2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；
3. GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 实验数据及由公式B = μ0nI算得的磁感应强度如下表所示： 高电平：1V，低电平：-1V 作图如下： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内；（2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；
磁电阻测量实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除磁电阻测量实验报告 篇一：巨磁电阻实验报告 实验报告班 姓名张涛学号1003120505指导老师徐富新 实验时间20XX年5月25日，第十三周，星期日 篇二：_磁电阻特性_实验报告 实验8-1Insb磁电阻特性研究 【实验目的】 1、掌握磁感应强度的测量方法； 2、了解磁电阻的一些基本知识； 3、测量和分析Insb材料磁电阻特性；【实验原理】 磁电阻(magnetoResistance，mR)通常定义为 ?RR(0) ? R(b)?R(0) R(0) （8-1-1）
其中：R（0）是零外场下的电阻，R（b）是外场b下的电阻。有时，上式也可以表示为目前，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、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻、掺杂稀土氧化物中特大磁电阻、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻、以及隧道磁电阻等。图8-1-2列出了几种磁电阻阻值R随外磁场μ0h的变化形式。在以上磁电阻效应中，正常磁电阻应用最为普遍。 图8-1-1几种典型的磁电阻效应 正常磁电阻普遍存在于所有磁性与非磁性材料中，其来源于外磁场对载流子的洛仑兹力，它导致载流子运动发生偏转或产生螺旋运动，从而使载流子碰撞几率增加，造成电阻升高，因而，在正常磁电阻中，??//、??T和???均为正，并且有?T??//。正常磁电阻与外场的关系如图8-1-2所示。在特定的温度，随外场的增加，在低场区域，正常磁电阻近似地与外场成平方关系。对于单晶样品，在较高的磁场区域，??//显示了饱和的趋势(曲线 图8-1-2 Ｂ)，而??T和???显示出各向异性，即随外场增加或正 比于(曲线A)或趋于饱和(曲线b)。对于多晶样品，在强场中，正常磁电阻则显示出与外场h的线性关系(曲线c)。正 常磁电阻的各项异性来源于费米面的褶皱。
用磁阻效应测量地磁场
用磁阻效应测量地磁场 地磁场的数值比较小，约10－5 T 量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特征及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 一、实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 本实验所用得HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金（铁镍合金）制成一维磁阻微电路集成芯片（二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场）。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率ρ（θ）依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式 2()()cos ρθρρρθ⊥⊥=+-P （1） 其中ρP 、ρ⊥分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。 HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图2所示。图2中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压U out 可以用下式表示为 out b R U U R ???=? ??? （2） 图1 磁阻传感器的构造示意图 图2 磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压，如U b =5.00V ，HMC1021Z 磁阻传感器输出电压U out 与外界磁场的磁感应强度成正比关系：