实验38 巨磁电阻效应及其应用
巨磁阻效应实验报告
巨磁阻效应实验报告巨磁阻效应实验报告引言：巨磁阻效应是一种材料在外加磁场下，磁阻发生显著变化的现象。
这种现象被广泛应用于磁存储、传感器等领域。
本实验旨在探究巨磁阻效应的基本原理和应用。
一、实验目的本实验的主要目的是通过实验验证巨磁阻效应的存在，并探究其与外加磁场强度、温度等因素的关系。
二、实验原理巨磁阻效应是指材料在外加磁场下，其电阻发生显著变化的现象。
这种变化是由于磁矩在外加磁场作用下发生重排而引起的。
当外加磁场增大时，磁矩的重排程度增加，导致电阻的变化。
巨磁阻效应的大小可以通过磁阻率的变化来衡量。
三、实验材料和仪器本实验所需的材料和仪器有：磁铁、巨磁阻效应样品、电源、万用表、恒温槽等。
四、实验步骤1. 将巨磁阻效应样品放置在恒温槽中，使其温度保持恒定。
2. 将电源接入巨磁阻效应样品，调节电流大小，测量电阻值。
3. 在不同的温度和磁场强度下，重复步骤2，记录数据。
4. 对实验数据进行分析和处理，得出结论。
五、实验结果和分析通过实验测量得到的数据，我们可以得出以下结论：1. 随着外加磁场强度的增加，巨磁阻效应样品的电阻值呈现出明显的变化。
这表明巨磁阻效应的存在。
2. 在一定的温度范围内，巨磁阻效应的大小与温度呈现出一定的关联性。
随着温度的升高，巨磁阻效应的大小逐渐减小。
3. 不同样品的巨磁阻效应大小有所差异，这与样品的材料特性有关。
六、实验误差分析在实验过程中，可能存在一些误差，如电流的测量误差、温度控制的误差等。
这些误差可能会对实验结果产生一定的影响。
为了减小误差，我们可以采取一些措施，如提高仪器的精度、增加数据的重复性等。
七、实验应用巨磁阻效应在磁存储、传感器等领域有着广泛的应用。
通过巨磁阻效应，我们可以设计出更加灵敏、高效的传感器，提高磁存储设备的性能等。
八、结论通过本次实验，我们验证了巨磁阻效应的存在，并探究了其与外加磁场强度、温度等因素的关系。
巨磁阻效应在磁存储、传感器等领域具有重要的应用价值。
巨磁电阻效应及应用实验报告
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。
巨磁电阻效应及在物理实验中的应用
图５中可以看出，线性最佳范围应在外磁感应强 度０．１５～１．０ ｍＴ，精确测量时可选外磁感应强度在该 范围内。从图５所显示的巨磁电阻Ｒ（Ｂ）与磁感应强 度日关系数据可知：①当磁感应强度曰增加时，巨磁 电阻阻值Ｒ（日）减小；②当磁感应强度Ｂ增加到某一 值Ｂ。时，巨磁电阻中所有磁矩方向均与外磁场方向一 致，这时就达到了电阻阻值饱和，外磁场增加，巨磁电 阻阻值不变。上述这两个特点只能用多层膜巨磁电阻 的自旋电子学理论才能解释。
它是由４个相同的巨磁电阻（Ｒ。＝Ｒ：＝Ｒ，＝Ｒ。＝Ｒ）组
成的直流电桥结构，Ｒ：和Ｒ。由高导磁率的材料（坡莫 合金层）覆盖屏蔽，阻值对外磁场无响应。Ｕ＋端和Ｕ．
端间开路，∥。。和０端为待测电阻的两端，当传感器处 于外磁场时，Ｒ２＝Ｒ４＝Ｒ；Ｒｌ＝Ｒ３＝Ｒ＋ＡＲ，ＡＲ为外磁 场磁感应强度为口时，单个巨磁电阻的电阻改变量；
万方数据
地急剧增加。他们认为，巨磁电阻效应是一种全新的 物理现象，其物理根源可能归因于磁性导体中传导电 子的自旋相关散射口－。巨磁电阻效应的发现极大地 推动了凝聚态物理学和信息存储领域的发展，并逐渐 形成了一门新的学科——磁电子学（又称自旋电子 学）。巨磁电阻效应的研究不仅在学术界引起了广泛 的关注，在经济领域也取得了巨大的成功，计算机上使 用的巨磁电阻（ＧＭＲ）读出磁头在多媒体信息库、网络 服务等方面已经产生了巨大的商业价值和深远的影 响，利用磁电阻效应制成的各类磁传感器，也将在汽 车工业、国防、航天等方面创造出巨大的社会财富。
万方数据
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（ｂ）郐铁磁层磁矩平行排列 图２电子受散射示意图
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报告引言巨磁电阻（GMR）效应是一种在特定材料中的电阻随着磁场强度的改变而发生改变的现象，这个现象在1988年被发现并且被认为是一种非常重要的物理现象。
GMR效应的发现因其在信息存储和传输方面的应用而获得广泛的关注。
本实验旨在通过对GMR效应的测量来研究其基本性质以及应用。
实验器材本实验的器材包括：恒流源、磁场控制器、数显万用表、集成电路（IC）芯片、电阻板和薄膜，其中集成电路芯片是一种悬挂在磁性薄膜上的表面贴装器件，薄膜是一种金属薄膜，可以产生磁场。
实验步骤1.将IC芯片放置在电阻板的中心位置。
2.将磁性薄膜放置在IC芯片顶部，注意不要碰到芯片。
3.将恒流源的电流调节到正确的数值，根据实验需求选择恒流源的最大或最小电流值。
4.打开磁场控制器，使用磁场控制器来控制磁场的强度，根据需要进行改变。
5.使用数显万用表来测量芯片中的电压。
6.根据实验的需要调整电阻板和薄膜之间的距离。
实验结果实验结果表明，在施加不同大小的磁场时，IC芯片的电阻会发生变化，这种变化非常灵敏，能够实现高精度的控制。
此外，IC芯片的电阻随着磁场的强度增加而减小，这表明芯片的电阻具有“负巨磁电阻”效应。
讨论与结论巨磁电阻效应是一种非常重要的物理现象，它在信息存储和传输方面具有非常广泛的应用。
本实验展示了GMR效应的基本特性，并探讨了其在实际应用中的潜在价值。
我们可以通过调整材料的性质来提高其敏感度和精度，从而扩展其现有应用。
总之，GMR效应在信息技术领域是一个革命性的技术，它为我们提供了一种新的方式来控制和处理信息。
通过进一步研究和优化，我们可以更好地利用这个效应，实现更高效的数据传输和处理。
巨磁阻效及应用报告
巨磁阻效及应用报告巨磁阻效应是一种在外加磁场作用下发生显著磁电阻变化的物理现象。
这种效应是在1992年由巴黎莱旺研究机构的阿尔贝特罗蒂埃教授和他的团队首次发现的。
巨磁阻效应的应用前景巨大，因此引起了广泛的关注和研究。
巨磁阻效应基于磁电阻效应，即磁场对材料电阻的影响。
一般情况下，材料的电阻对磁场的变化不敏感。
然而，当材料中存在特殊的磁性结构时，如磁共振等，电阻对磁场的变化就会显著地变化，这就是磁电阻效应。
而巨磁阻效应是磁电阻效应中最明显的一种。
巨磁阻效应以具有巨大磁电阻变化的磁性材料为基础。
当这些材料处于没有外加磁场时，它们的电阻是最小的，可以达到几个百分点。
然而，当外加磁场作用于这些材料时，它们的电阻会迅速增加，甚至可以增加到几十个百分点。
这种磁电阻的巨大变化使得巨磁阻效应具有很大的应用潜力。
巨磁阻效应的应用非常广泛，尤其在磁存储技术中具有重要地位。
巨磁阻材料可以用来制造磁头，这是计算机硬盘驱动器中不可或缺的部分。
通过利用巨磁阻效应，磁头可以以非常小的尺寸来探测和读取硬盘上的磁场信息。
巨磁阻材料还可以用于制造磁阻随机存储器（MRAM），这是一种新兴的存储技术，具有快速的读写速度和非易失性的特点。
此外，巨磁阻效应还可以应用于传感器技术中。
例如，巨磁阻材料可以用于制造磁传感器，用来检测和测量磁场强度和方向。
磁传感器广泛应用于导航、地震监测、医疗诊断等领域。
此外，巨磁阻效应在自动控制领域也具有重要的应用。
例如，巨磁阻材料可以用于制造磁阻变结构，这种结构可以根据外界磁场的变化实时调节其电阻，从而实现对电路的精确控制和调节。
尽管巨磁阻效应在磁存储、传感器和自动控制等领域有着广泛的应用，但是该效应的原理和机制还需要进一步研究和理解。
目前，巨磁阻材料的性能还有待进一步提高和优化，以满足不同领域的应用需求。
随着材料科学和纳米技术的不断发展，相信巨磁阻效应的应用前景会越来越广阔。
【大学物理实验(含 数据+思考题)】巨磁电阻效应及其应用
实验4.21 巨磁电阻效应及其应用一、实验目的（1）了解GMR效应的现象和原理（2）测量GMR的磁阻特性曲线（3）用GMR传感器测量电流（4）了解磁记录与读出的原理和方法二、实验仪器ZKY-JCZ巨磁电阻效应及应用实验仪ZKY-JCZ基本特性组件三、实验原理物质在磁场中电阻发生变化的现象，称为磁阻效应。
磁性金属和合金材料一般都有这种现象。
一般情况下，物质的电阻在磁场中仅发生微小的变化。
在某种条件下，电阻值变动的幅度相当大，比通常情况下高十余倍，称为巨磁阻(Giant magneto resistance，简称GMR)效应。
巨磁阻效应是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。
这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。
当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻;当铁磁层的磁矩相互反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。
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发生碰撞(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。
电子在两次散射之间走过的平均路程称为电子的平均自由程。
电子散射概率小，则平均自由程长，电阻率低。
一般把电阻定律R=ρl/S中的电阻率ρ视为与材料的几何尺度无关的常数，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为34nm)，可以忽略边界效应。
当材料的几儿何只度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时(例如，铜原子的直径约为0.3nm)，电子在边上的散射概率大大增加，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。
自旋磁矩有平行和反平行于外磁场两种取向。
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，所受散射概率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。
巨磁电阻效应的原理及应用
巨磁电阻效应的原理及应用1. 巨磁电阻效应的介绍巨磁电阻效应（Giant Magnetoresistance，GMR）是一种描述材料电阻随外加磁场变化的现象。
GMR的发现被认为是短距离存储技术的突破，对磁敏感材料和磁传感器的发展具有重要意义。
2. 巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应的产生与磁性多层膜结构中存在的顺磁性层和铁磁性层之间的相互作用有关。
当外加磁场改变时，磁性多层膜中的磁性层会发生磁矩的重排和旋转，从而导致电子的自旋定向与电子传输方向的关系发生变化。
这种变化会导致电阻的变化，即巨磁电阻效应的产生。
3. 巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：3.1 磁存储器巨磁电阻效应在磁存储领域发挥着重要作用。
由于巨磁电阻效应的出现，磁存储器的读写速度得到了显著提高。
传统磁存储器需要通过读写头的接触来读取数据，而采用巨磁电阻效应材料制成的磁存储器只需通过测量电阻值的变化来完成数据读取，大大提高了读取速度和数据存取密度。
3.2 磁传感器巨磁电阻效应材料常常被用于制作磁传感器。
巨磁电阻效应材料的电阻值随外加磁场的变化而变化，因此可以利用巨磁电阻效应材料制成的传感器来测量磁场的强度和方向。
磁传感器在航空航天、交通运输、医疗设备等领域中得到了广泛应用。
3.3 磁电阻随机存取存储器（MRAM）巨磁电阻效应也被应用于磁电阻随机存取存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）的制造。
MRAM是一种新型的非易失性存储器，兼具闪存和DRAM的优点。
相比传统存储器技术，MRAM具有读取速度快、功耗低、抗辐射等优势。
3.4 理论研究与材料改进巨磁电阻效应的研究也对材料科学领域有着重要意义。
科学家们通过对巨磁电阻效应的原理和机制的研究，不断改进巨磁电阻材料的性能和稳定性，以实现更高的电阻变化率和更佳的传感特性。
4. 结论巨磁电阻效应作为一种重要的磁电效应，具有广泛的应用前景。
巨磁阻效应及其应用实验报告
巨磁阻效应及其应用实验报告篇一：巨磁阻效应实验报告数据数据处理实验一线圈电流由零开始变化测得输出电压V和磁场B的关系如下图示由上图可以看出2mT以下部分传感器的输出电压和磁场变化情况接近线性变化，其灵敏度K= 相关系数为由RB/R0=/ 计算出不同磁感应强度下的RB/R0值，绘制RB/R0-B关系图如下可以看出RB/R0的值随磁场B增大而逐渐减小，在2mT以后趋于饱和，RB/R0的饱和值约为。
则该传感器的电阻相对变化率/R0的最大值约为=-=-10% 实验二测量时，巨磁阻传感器工作电压V+为,线圈电流为。
利用实验所得数据作V输出—COSθ关系图如下示：从图中可以看出在COSθ=附近有一个瑕点外，具有较良好的线性关系V=θ，相关系数为，即传感器的输出电压与传感器敏感轴—磁场间夹角θ成余弦关系。
问题思考1.如何避免地磁场影响，并解释原因。
本次实验中亥姆霍兹线圈产生磁场来验证材料在有无磁场的情况下电阻的变化，必然会受到地磁场的影响，故我们在实验过程中每次旋转角度后，应重新调零，减小每次旋转角度地磁场对实验误差的积累。
篇二：巨磁电阻效应及其应用研究性实验报告北京航空航天大学基础物理实验巨磁电阻效应及其应用研究性实验报告摘要本报告研究了巨磁电阻效应及其应用。
报告详细的阐述了该实验的实验背景、实验原理、实验仪器及实验内容。
数据处理部分，报告将原始数据绘制成表格，并将用Matlab绘制成图像，能够较清晰的表示出物理量之间的关系。
另外，本报告对巨磁电阻的应用进行了大量的探究，列举了一些巨磁电阻于当今时代的应用，阐述了巨磁电阻的应用前景。
关键字巨磁电阻、传感器、磁感应强度、电压、电流目录摘要................................................................. . (1)关键字................................................................. (1)一、实验背景................................................................. (5)二、实验原理................................................................. (5)三、实验仪器................................................................. (7)1、实验仪主机................................................................. .. (7)2、基本特性组件模块................................................................. .. (8)3、电流测量组件................................................................. . (9)4、角位移测量组件................................................................. (9)5、磁读写组件................................................................. .. (9)四、实验内容................................................................. (10)1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 (10)2、GMR磁阻特性测量............................................................... .. (11)3、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 (12)4、用GMR模拟传感器测量电流............................................................135、GMR梯度传感器的特性及应用 (14)6、磁记录与读出................................................................. .. (15)五、数据处理................................................................. . (15)1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 (15)2、GMR磁阻特性测 (17)3、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 (18)4、用GMR模拟传感器测量电流............................................................195、GMR梯度传感器的特性及应用 (20)6、磁记录与读出................................................................. .. (21)六、实验思考................................................................. . (22)1、推导公式????????=????????????????? ................. . (22)2、实验感想................................................................. . (23)七、GMR传感器在有关领域的应用231、基于GMR传感器阵列的生物检测 (23)2、将GMR用于导航及高速公路的车辆监控系统 (24)3、GMR磁敏传感器在磁性介质的探测和磁性油墨鉴伪点钞机中的应用............................................................. .................................................................25八、实验总结................................................................. . (25)图 1 多层膜GMR结构图............................................................... . (6)图 2 某种GMR材料的磁阻特性............................................................... . (6)图 3 自旋阀SV-GMR结构图............................................................... (7)图4巨磁阻实验仪操作面板................................................................. .. (8)图 5 基本特性组件................................................................. .. (8)图 6 电流测量组件................................................................. .. (9)图7 角位移测量组件................................................................. . (9)图8 磁读写组件................................................................. (9)图9 GMR模拟传感器结构图............................................................... .. (10)图10 GMR模拟传感器的磁电转换特性........................................................10图11模拟传感器磁电转换特性实验原理图...................................................11图12磁阻特性测量原理图................................................................. .. (11)图13 GMR开关传感器............................................................... (12)图14 GMR开关传感器磁电转换特性............................................................12图15模拟传感器测量电流实验原理图...........................................................13图16 GMR梯度传感器结构图............................................................... (14)图17 用GMR梯度传感器检测齿轮位移......................................................14图18 磁电转换特性曲线................................................................. .. (16)图19 磁阻特性曲线................................................................. . (18)图20 GMR开关传感器磁电转换特性曲线....................................................19图21 输出电压与待测电流的关系曲线..........................................................20图22 用GMR梯度传感器检测齿轮位移的电压和转角关系图..................21图23 电路连接图................................................................. .. (22)图24 直接标记法................................................................. .. (23)图25 两部标记法................................................................. (24)表格 1 电流随磁感应强度变化表................................................................. (15)表格 2 磁阻随磁感应强度变化表................................................................. (17)表格 3 电平随励磁电流变化表................................................................. . (18)表格 4 输出电压随待测电流变化关系表........................................................19表格 5 电压和齿轮转角间的关系................................................................. (21)表格 6 二进制数的写入与读出................................................................. . (22)篇三：巨磁电阻效应及其应用数据处理五、实验数据及处理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（n=24000匝/m）磁感应强度如下表所示：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；。
巨磁电阻效应及应用实验报告
巨磁电阻效应及应用实验报告巨磁电阻效应及应用实验报告引言在现代科技领域中，材料科学的发展一直是一个重要的研究领域。
巨磁电阻效应作为一种重要的磁电效应，在材料科学中具有广泛的应用前景。
本实验旨在探究巨磁电阻效应的原理和特性，并通过实验验证其在实际应用中的可行性。
一、巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应是指在外加磁场作用下，材料电阻发生变化的现象。
这一效应的发现对磁性材料的研究和应用带来了革命性的变化。
巨磁电阻效应的原理主要是基于磁矩自旋相互作用和电子传输过程中的自旋极化效应。
当外加磁场作用于材料时，磁矩会发生定向排列，导致电子在材料中传输时会受到不同程度的散射，从而改变了材料的电阻。
二、实验方法1. 实验材料准备本实验选用了一种常见的巨磁电阻材料，如铁磁合金。
首先，将铁磁合金样品切割成适当的尺寸，并对其进行表面清洁处理，以确保实验的准确性。
2. 实验装置搭建将铁磁合金样品固定在实验装置中，并连接电源和电流计，以便测量电阻的变化。
同时，设置一个可调节的磁场装置，用于施加外加磁场。
3. 实验步骤首先，将实验装置置于零磁场环境中，测量铁磁合金样品的初始电阻。
然后，逐渐增加外加磁场的强度，并测量相应的电阻值。
记录每个磁场强度下的电阻值，并绘制电阻-磁场曲线。
三、实验结果与分析通过实验测量得到的电阻-磁场曲线如下图所示。
从图中可以看出，在外加磁场作用下，铁磁合金样品的电阻发生了明显的变化。
随着磁场的增加，电阻呈现出逐渐减小的趋势。
图1：电阻-磁场曲线根据实验结果可以发现，铁磁合金样品在外加磁场作用下呈现出典型的巨磁电阻效应。
这是由于外加磁场改变了材料中磁矩的排列方式，导致电子在传输过程中受到不同程度的散射，从而改变了电阻值。
四、巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应在实际应用中具有广泛的潜力。
其中最典型的应用就是磁存储技术。
通过利用巨磁电阻效应，可以实现高密度、高速度的磁存储器件。
此外，巨磁电阻效应还可以应用于传感器、磁场测量和磁性材料的研究等领域。
巨磁电阻效应和应用实验的报告.docx
三、开关〔数字）传感器的磁电转换特性曲线测量表开关传感器的磁电转换特性测量高电平=IV低电平=0 V
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，目.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。
作为应用例如，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「的…点的磁感应强度为：B = u
01/2 nr =2 lX10-7/r⑶
磁场强度与电流成正比，在r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磁场，称为磁偏置，其原理类似于电子电路中的直流偏置。
b位置时，&、&感受到的磁场强度大于R,、R.,输出正电压。
c位置时，输出回归零。
d位置时，R、R,感受到的磁场强度小于R：,、R,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个完整的波形输出。
这一原理己普遍应用于转速(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。
【考前须知】1、由于巨磁阻传感器具有磁滞现象，因此，在实验中，恒流源只能单向调节，不可回调, 否那么测量数据将不准确。
2、测试卡组件不能长期处于“写"状态。
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实验38 巨磁电阻效应及其应用人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态，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(或亚铁磁)有序状态，相关理论指出这些状态源于铁磁性原子磁矩之间的直接交换作用和间接交换作用.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，所以，科学家们开始了探索人工微结构中的磁性交换作用.1986年德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )采用分子束外延(MBE)方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜.发现对于非铁磁层铬的某个特定厚度，没有外磁场时，两边铁磁层磁矩是反平行的，这个新现象成为巨磁电阻( Giant magneto resistance，简称GMR)效应出现的前提.进一步发现两个磁矩反平行时对应高电阻状态，平行时对应低电阻状态，两个电阻的差别高达10%.1988年法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)的研究小组将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁-铬超晶格薄膜，发现当改变磁场强度时，超晶格薄膜的电阻下降近一半，磁电阻比率达到50%.这个前所未有的电阻巨大变化现象被称为巨磁电阻效应.GMR效应的发现，导致了新的自旋电子学的创立.GMR效应的应用使计算机硬盘的容量提高几百倍，从几百Mbit，提高到几百Gbit甚至上千Gbit. 阿尔贝·费尔和彼得·格伦贝格尔因此获得2007年诺贝尔物理学奖.【实验目的】1. 了解多层膜GMR效应的原理.2. 测量GMR的磁阻特性.3. 了解GMR模拟传感器的结构、特点，并掌握用GMR传感器测量电流的方法.【实验仪器】巨磁电阻效应及应用实验仪，基本特性组件，电流测量组件.【实验原理】1. GMR效应的原理根据导电的微观机理，金属中电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断与处于晶格位置的原子实产生碰撞（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和随机散射运动的叠加.电子在两次散射之间运动的平均路程称为平均自由程，电子散射几率越小，平均自由程就越长，电阻率就低.欧姆定律R=ρl/S应用于宏观材料时，通常忽略边界效应，把电阻率ρ视为常数.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，可以明显观测到厚度减小，电阻率增加的现象.电子具有自旋特性，在外磁场中电子自旋磁矩的方向平行或反平行于磁场方向.在一些铁磁材料中，自旋磁矩与外磁场平行的电子的散射几率，远小于与外磁场反平行的电子.材料的总电阻相当于两类电子各自单独存在时的电阻的并联.这个电阻直接影响材料中的总电流.即材料的总电流是两类自旋电子电流之和;总电阻是两类自旋电子电流的并联电阻，这就是两电流模型.如图38-1所示，多层GMR 结构中，无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁矩是反平行（反铁磁）耦合的——因为这样能量最小.在足够强的外磁场作用下，铁磁膜的磁矩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.有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献.①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.无外磁场时底层磁场方向 顶层铁磁膜 中间导电层 底层铁磁膜 无外磁场时顶层磁场方向图38-1 多层膜GMR 结构图②铁磁膜内的散射由于无规散射，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，两类自旋电子电流的并联电阻类似于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，两类自旋电子电流的并联电阻类似于一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态.－500 －250 0 250 500B (Gs)5000 4900 4800 4700 4600 4500 4400 4300 4200R (Ω)图38-2 磁阻特性曲线图38-2是图38-1结构的一种GMR 材料的磁阻特性.由图中正向磁场方向可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小（图中实线），其间有一段线性区域，当外磁场已使两铁磁膜磁场方向完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，达到磁饱和状态；从磁饱和状态开始减小磁场，电阻将逐渐增大（图中虚线）.两条曲线不重合是因为铁磁材料具有的磁滞特性.加反向磁场与加正向磁场时的磁阻特性是对称的，如图38-2所示.两条曲线分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性.所有多层膜结构的GMR 都是由外磁场改变两铁磁层磁场的相对取向实现巨磁电阻效应，但结特性测量中，如图38-3所示，磁阻特性，同一外磁场强度下磁阻的差值反映了GMR 构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对测量的影响，一般采用桥式结构，如图构及无外磁场时的耦合状态不一定如图38-1.如自旋阀结构的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，硬盘所用的GMR 磁头就采用这种结构.2.GMR 磁阻将GMR 置于螺线管磁场图38-3 磁阻特性测量实验原理图 磁场方向平行于膜平面，磁阻两端加上恒定电压.GMR 铁磁膜初始磁化方向垂直于磁场方向，调节线圈电流，从正到负逐渐减小磁感应强度，记录磁阻电流并计算磁阻.然后再逐渐增加磁感应强度，记录对应数值.不同外磁场强度时电阻的变化反映了GMR 的材料的磁滞特性.3.GMR 模拟传感器结构及电流测量将38-4(b )所示.电桥结构的特点是当四个GMR 对磁场的响应完全同步时，就不会有信号输出.因此，将处在电桥对角位置的两个电阻R 3、R 4 覆盖一层高磁导率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响；将电阻R 1、R 2 直接面对外磁场使其阻值随外磁场变化而改变；屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高磁导率将磁感应线聚集在R 1、R 2电阻所在的空间，进一步提高了R 1、R 2 的磁灵敏度，如图38-4(a )所示.设桥式电路对应端的输入电压为U IN ，另一对应端输出电压为U OUT ，无外磁场时四个GMR 的阻值均为R ，当外磁场改变时电阻R 1、R 2 的阻值在磁通聚集器R 3 R 4R R 2 1(a ) 几何结构图(b ) 电路连接图图38-4 GMR 模拟输出输入 −传感器结构图外磁场作用下减小ΔR ，则输出电压为：)2(IN OUT R R RU U Δ−Δ=(38-1)由上式可以得到GMR 模拟传感器的磁电转换特性，从而对有关物理量进行测量.另外，从图范围内输出电压与磁感应强度成线性量于螺线管内中心位置，功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”. 串联3. 源，调节“恒流调节”旋钮，使螺线管电流逐步从100mA 0 -100mA 0 100mA 4. 二电流测量组件的“巨磁电阻供电”；恒流输出接到电流测2. 状态. 为最大. 横坐标，电阻R 为纵坐标作磁阻特性曲线（B = μ0n I ）.磁偏置下的测38-4(a )的几何结构还可知道，GMR 被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至k Ω数量级，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出.由磁阻特性及(38-1)式可知，GMR 模拟传感器在一定的关系，且灵敏度高于其它磁传感器，因此，可以方便的将GMR 制成磁场计，测量磁感应强度或其它与磁场相关的物理量.作为应用示例，可以用它来测量电流.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，如图38-5所示。
在实际应用中，为了提高测量精度，必须使GMR 模拟传感器工作在线性区，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. 【实验内容与步骤】 图38-5 模拟传感器测量电流实验原理图一 GMR 磁阻特性测1. 将GMR 模拟传感器置2. 将实验仪的“电路供电”接到基本测量组件的“电路供电”；“巨磁电阻供电”与电流表后接到基本测量组件的“巨磁电阻供电”；恒流输出接到基本测量组件的“螺线管电流输入”.打开电（负值电流可由交换电流源输出接线的极性获得），记录一系列A 与相应的A 21表读数. 调节“恒流调节”旋钮，使恒流输出归零，关闭实验测试仪电源 用GMR 模拟传感器测量电流1. 将实验仪的“巨磁电阻供电”接到量组件的“待测电流输入”；电压表接到电流测量组件的“信号输出”. 打开电源，调节偏置磁铁到偏离GMR 模拟传感器位置，即弱磁偏置3. 逐步调节电流，由0 200mA 0，记录此过程中一系列A 和相应V 表的读数.4. 将偏置磁体转到接近GMR 模拟传感器位置，即强磁偏置状态，使电压表读数5. 反向逐步调节电流，由0 200mA 0，记录此过程中一系列A 和相应V 表的读数.6. 关闭电源，整理仪器，结束实验. 【数据处理与要求】1． 以磁感应强度B 为2． 以电流表的读数I 为横坐标，电压表的读数U 为纵坐标作图，并比较不同量灵敏度. 】【思考题磁电阻效应？巨磁电阻结构组成有何特点？ 参考资料】为. 巨磁电阻效应的原理及其应用[J].自然杂志 , 2007,29(6):322-327. 348-352.1. 什么是巨2. 试分析不同磁偏置影响电流测量灵敏度的原因是什么？【1． 吴镝，都有2． 邢定钰.自旋输运和巨磁电阻[J].物理，2005，34（5）：348-361.3． 赖武彦. 巨磁电阻引发硬盘的高速发展[J].自然杂志 , 2007,29(6):。