巨磁電阻與磁電阻實驗
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【摘要】
本實驗使用了由基本電路原理配合巨磁電阻原件制作的一套巨磁電阻實驗儀，通過改變巨磁電阻處的磁場測量了巨磁電阻的磁阻特性曲線、磁電轉換特性曲線，并在體驗了其在測量電流、測量轉速、磁讀寫等方面的應用。最后獲得了巨磁電阻詞組特性曲線、GMR 模擬傳感器的磁電轉換曲線、GMR 開關傳感器的磁電轉換特性曲線、巨磁電阻測量電流的數據、齒輪旋轉過程中巨磁電阻梯度傳感器輸出電壓曲線、磁信號讀出情況，自旋閥磁電阻兩個不同角度的磁阻特性曲線。發現巨磁電阻的磁阻隨磁場變大而減小，且與方向無關，但是其存在磁滯現象。而自旋閥磁電阻則在磁場由一個方向磁飽和變化到另一個方向磁飽和的過程中磁電阻不斷減小或增加，這與磁電阻和磁場的角度有關，且在 0 磁場附近變化特別明顯。
【關鍵詞】
巨磁電阻、自旋閥磁電阻、磁阻特性曲線、磁電轉換特性
一、實驗背景 2007年12月10日，法國物理學家阿爾貝·費爾（Albert Fert）和德國物理學家彼得·格倫貝格（Peter Crünberg ）分別獲得了一枚印著藍白紅標志的2007年諾貝爾物理獎章，他們各自獨立發現的巨磁阻效應（giant magnetoresistance, GMR）
[1， 2] 。
早在一百多年前，人們對鐵磁金屬的輸運特性受磁場影響的現象，就做過相當仔細的觀測。莫特的雙電流理論，把電子自旋引入對磁電阻的解釋，而巨磁電阻恰恰是基于對具有自旋的電子在磁介質中的散射機制的巧妙利用。
目前巨磁電阻傳感器已應用于測量位移、角度等傳感器、數控機床、汽車測速、非接觸開關、旋轉編碼器等很多領域，與光電等傳感器相比，它具有功耗小，可靠性高，體積小，能工作于惡劣的工作條件等優點。利用巨磁電阻效應在不同的磁化狀態具有不同電阻值的特點，可以制成隨機存儲器（MRAM）
，其優點是在無電源的情況下可繼續保留信息。巨磁電阻效應在高技術領域應用的另一個重要方面是微弱磁場探測器。巨磁電阻薄膜材料的廣泛應用，也是納米材料的第一項實際應用，它使得人們對磁性尤其是納米尺寸的磁性薄膜介質之輸運特性的研究有了突飛猛進的發展，由此帶來計算機存儲技術的革命性變化，從而深刻地改變了整個世界。
本實驗的目的是通過納米結構層狀薄膜的巨磁電阻效應及不同結構的 GMR 傳感器特性測量和自旋閥磁電阻測量，了解磁性薄膜材料和自旋電子學的有關知識，并由磁電阻和巨磁電阻的歷史發展中解決問題的思想方法，認識諾貝爾物理獎項目巨磁電阻的原理、技術和對科學技術發展的重要貢獻。體會實驗的設計與實施，理解其原理和方法，體驗科學發現的精髓與快樂，促進學生逐步形成系統的物理思想，期望由此啟發學生對物理科學和高新技術的濃厚興趣。
二、實驗原理 磁電阻 MR（magneto-resistance 的縮寫符號）效應是指物質在磁場的作用下電阻發生變化的物理現象。磁電阻效應按磁電阻值的大小和產生機理的不同可分為：正常磁電阻效應(Ordinary MR: OMR)、各向異性磁電阻效應(Anisotropic MR: AMR)、巨磁電阻效應(giant MR: GMR)和龐磁電阻效應( Colossal MR: CMR)等。
GMR 作為自旋電子學的開端具有深遠的科學意義。自旋電子學的研究和發展，引發了電子技術與信息技術的一場新的革命。傳統的電子學是以電子的電荷移動為基礎的，不考慮電子自旋。巨磁電阻效應表明，電子自旋對于電流的影響非常強烈，電子的電荷與自旋兩者都可能載運信息。利用巨磁電阻效應制成的多種傳感器，已廣泛應用于各種測量和控制領域。
本實驗通過納米結構層狀薄膜的巨磁電阻效應及不同結構的GMR傳感器特性測量和自旋閥磁電阻測量，
了解磁性薄膜材料和自旋電子學的有關知識，并由磁電阻和巨磁電阻的歷史發展， 及關鍵人物解決問題的思想方法，認識諾貝爾物理獎項目巨磁電阻的原理、技術，和對科學技術發展的重要貢獻。
本實驗使用了巨磁電阻實驗儀、基本特性測量組件、GMR 傳感器、電流測量組件、角位移組件、磁卡讀寫組件等實驗裝置。其中巨磁電阻實驗儀包括穩壓電源、恒流源、電壓表、電流表。基本特性組件由 GMR模擬傳感器，螺線管線圈及比較電路，輸入輸出插孔組成，用以對 GMR 的磁阻特性和磁電轉換特性進行測量。在這個實驗中使用螺線管線圈提供變化磁場，GMR 傳感器置于螺線管的中央。而在將 GMR 構成傳感器時，為了消除溫度變化等環境因素對輸出的影響，一般采用橋式結構。但是對于電橋結構，如果 4 個 GMR電阻對磁場的響應完全同步，就不會有信號輸出。故將處在電橋對角位置的兩個電阻 R3、R4 覆蓋一層高導磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁場對它們的影響，而 R1、R2 阻值隨外磁場改變。分析表明，輸出電壓：U OUT
= U IN ΔR/（2R-ΔR）。屏蔽層同時設計為磁通聚集器，它的高導磁率將磁力線聚集在 R1、R2 電阻所在的空間,進一步提高了 R1、R2 的磁靈敏度。同時巨磁電阻被光刻成微米寬度迂回狀的電阻條，以增大其電阻至 kΩ數量級，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。電流測量組件將導線置于 GMR 模擬傳感器近旁，用 GMR 傳感器測量導線通過不同大小電流時導線周圍的磁場變化，就可確定電流大小。角位移測量組件用巨磁阻梯度傳感器作傳感元件，鐵磁性齒輪轉動時，齒牙干擾了梯度傳感器上偏置磁場的分布，使梯度傳感器輸出發生變化，每轉過一齒，就輸出類似正弦波一個周期的波形。磁讀寫組件用于演示磁記錄與讀出的原理。磁卡做記錄介質，磁卡通過寫磁頭時可寫入數據，通過讀磁頭時將寫入的數據讀出來。寫磁頭是繞線的磁芯，線圈中通過電流時產生磁場，在磁性記錄材料上記錄信息。巨磁阻讀磁頭利用磁記錄材料上不同磁場時電阻的變化讀出信息。最后采用四端接線法接自旋閥磁電阻，放置于線圈中央，調整其與線圈軸線的夾角可以測量自旋閥磁電阻在不同外磁場方向時的的磁阻特性曲線。
三、實驗儀器設備 實驗儀器包括 GMR 傳感器、巨磁電阻實驗儀穩壓電源、恒流源、螺線管、電壓表、電流表、基本特性測量組件、電流測量組件、角位移組件、磁卡讀寫組件。巨磁電阻實驗儀包括穩壓電源、恒流源、電壓表、電流表。穩壓電源提供測量所需要的電壓，恒流源為螺線管供電提供測量所需的磁場，電壓表和電流表分別用于測量 GMR 的電壓或電流。
在將GMR構成傳感器時，為了消除溫度變化等環境因素對輸出的影響，一般采用橋式結構，圖 10 是某型號傳感器的結構。
?
?
4 ?
? 10 H / m
圖
10 GMR 模擬傳感器結構圖
對于電橋結構 ， 如果 4 個 GMR 電阻對磁場的響應完全同步 ， 就不會有信號輸出。圖 10 中， 將處在電橋對角位置的兩個電阻 R 3 ，R 4 覆蓋一層高導磁率的材料如坡莫合金 ， 以屏蔽外磁場對它們的影響 ， 而 R 1 ，R 2 阻值隨外磁場改變 。
設無外磁場時4個GMR電阻的阻值均為 R，R 1 ，R 2 在外磁場作用下電阻減小 ΔR，簡單分析表明，輸出電壓：
U OUT
= U IN ΔR（ /
2R-ΔR）
（6）
屏蔽層同時設計為磁通聚集器，它的高導磁率將磁力線聚集在 R 1 ，R 2 電阻所在的空間 , 進一步提高了 R 1 ，R 2 的磁靈敏度。從圖 10 的幾何結構還可見，巨磁電阻被光刻成微米寬度迂回狀的電阻條 ，以 增大其電阻至 k Ω數量級 ， 使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出 。
測量所用磁場可以用電磁鐵，也可以用螺線管。本實驗用螺線管線圈提供變化磁場。GMR傳感器置于螺線管的中央。由理論分析可知，無限長直螺線管內部軸線上任一點的磁感應強度為：
B = μ 0 nI （7）
? 7
式中 n
為線圈密度，I
為流經線圈的電流強度， 0 為真空中的磁導率。采用國際單位制時，由上式計算出的磁感應強度單位為特斯拉（1特斯拉＝10000高斯）
。
基本特性組件由GMR模擬傳感器，螺線管線圈及比較電路，輸入輸出插孔組成。用以對GMR的 磁阻特性和磁電轉換特性進行測量。測量時GMR傳感器置于螺線管的中央。
四、
實驗目的 1.GMR 效應的原理 2.GMR 模擬傳感器的磁電轉換特性曲線 3.GMR 的磁阻特性曲線 4.MR傳感器測量電流
5.MR 梯度傳感器測量齒輪的角位移，了解 GMR 轉速（速度）傳感器的原理 五、實驗內容、步驟 1.GMR 效應的原理；根據磁阻變化設計表格，測量 GMR 的磁阻特性曲線；觀察曲線特點，理解磁阻曲線所反映的物理原理。
2.測量 GMR 模擬傳感器和 GMR 數字開關傳感器的磁電轉換特性曲線；比較兩種磁電轉換曲線的異同，了解 GMR 做不同傳感器應用時技術處理和電路結構特點，體會物理原理到技術應用的實驗設計思想。
3.GMR 模擬傳感器測量電流，分析偏置磁場對傳感器應用的影響及原因。
4.GMR 梯度傳感器測量齒輪的角位移，了解 GMR 轉速（速度）傳感器的結構和原理。
5.實驗了解磁記錄與讀出的原理。
6.自旋閥的磁電阻曲線，與多層膜磁電阻曲線比較，分析其異同及原因。
六、實驗數據及處理分析 原始數據記錄：
1 、GMR 模擬傳感器的磁電轉換特性測量
根據實驗數據由公式 B = μ0nI 算得的磁感應強度，由 R=U/I 算得的電阻
勵磁電流I1(mA) 磁感應強度 B 輸出電壓 U（mV）
勵磁電流I1(mA) 磁感應強度 B 輸出電壓 U（mV）
100 30.159289
235 -100 -30.1593 236 90 27.143361
235 -90 -27.1434 235 80 24.127432
233 -80 -24.1274 234 70 21.111503
228 -70 -21.1115 230 60 18.095574
210 -60 -18.0956 214
50 15.079645
180 -50 -15.0796 185 40 12.063716
144.8 -40 -12.0637 150 30 9.047787
107 -30 -9.04779 112 20 6.031858
69.1 -20 -6.03186 73.9 10 3.015929
33.5 -10 -3.01593 37.8 6 1.809557
20.6 -6 -1.80956 24.7 3 0.904779
12.3 -3 -0.90478 15.4 1 0.301593
6.5 -1 -0.30159 9.7 0 0.000000
3.6 0 0 5.6 -1 -0.301593
0.6 1 0.301593 3.2 -3 -0.904779
2.4 3 0.904779 1.3 -6 -1.809557
3.9 6 1.809557 2.2 -10 -3.015929
15.1 10 3.015929 11.3 -20 -6.031858
63.1 20 6.031858 62.5 -30 -9.047787
104.9 30 9.047787 101.9 -40 -12.063716
140.7 40 12.06372 138.1 -50 -15.079645
176.5 50 15.07964 173.8 -60 -18.095574
210 60 18.09557 207 -70 -21.111503
228 70 21.1115 227 -80 -24.127432
233 80 24.12743 233 -90 -27.143361
235 90 27.14336 235 -100 -30.159289
236 100 30.15929 235 以 B 為橫坐標，輸出電壓 U 為縱坐標，作圖得：
誤差分析：
（1）
在實驗操作中，用恒流源調節勵磁電流時距離要調到的值總會有部分偏差，其范圍在正負 0.2mA 以050100150200250-40 -20 0 20 40磁場減少時B-U磁場增大時B-U磁感應強度B與輸出電壓U的關系曲線輸出電壓U（mV）磁感應強度B(G)
內，反應在圖像上就是最低處的輸出都在 y 軸上，實際上應當是分別分布在 y 軸左右兩側的； （2）
用恒流源調節勵磁電流時，為保證調到需要調到的勵磁電流的精確度，會有很小幅度的回調，可能因磁滯現象造成影響； （3）
使用 Excel 表格處理數據的過程中可能會有精度損失； 2 、 GMR 的磁阻特性曲線的測量 根據實驗數據由公式 B = μ0nI 算得的磁感應強度，由 R=U/I 算得的電阻，如下表所示：
（磁阻兩端電壓U=4V），如下表所示：
（磁阻兩端電壓 U=4V）
勵磁電流I1(mA) 磁感應強度 B 輸出電壓 U（mV）
勵磁電流I1(mA) 磁感應強度 B 輸出電壓 U（mV）
100 30.159289
235 -100 -30.1593 236 90 27.143361
235 -90 -27.1434 235 80 24.127432
233 -80 -24.1274 234 70 21.111503
228 -70 -21.1115 230 60 18.095574
210 -60 -18.0956 214 50 15.079645
180 -50 -15.0796 185 40 12.063716
144.8 -40 -12.0637 150 30 9.047787
107 -30 -9.04779 112 20 6.031858
69.1 -20 -6.03186 73.9 10 3.015929
33.5 -10 -3.01593 37.8 6 1.809557
20.6 -6 -1.80956 24.7 3 0.904779
12.3 -3 -0.90478 15.4 1 0.301593
6.5 -1 -0.30159 9.7 0 0.000000
3.6 0 0 5.6 -1 -0.301593
0.6 1 0.301593 3.2 -3 -0.904779
2.4 3 0.904779 1.3 -6 -1.809557
3.9 6 1.809557 2.2 -10 -3.015929
15.1 10 3.015929 11.3 -20 -6.031858
63.1 20 6.031858 62.5 -30 -9.047787
104.9 30 9.047787 101.9 -40 -12.063716
140.7 40 12.06372 138.1 -50 -15.079645
176.5 50 15.07964 173.8 -60 -18.095574
210 60 18.09557 207 -70 -21.111503
228 70 21.1115 227 -80 -24.127432
233 80 24.12743 233 -90 -27.143361
235 90 27.14336 235 -100 -30.159289
236 100 30.15929 235
作圖如下：
誤差分析：
（1）在實驗操作中，用恒流源調節勵磁電流時距離要調到的值總會有部分偏差，其范圍在正負 0.2mA 以內，反應在圖像上就是最高處的輸出都在 y 軸上，實際上應當是分別分布在 y 軸左右兩側的； （2）用恒流源調節勵磁電流時，為保證調到需要調到的勵磁電流的精確度，會有很小幅度的回調，可能因磁滯現象造成影響； （3）使用 Excel 表格處理數據的過程中可能會有精度損失； 3 、GMR 開關（數字）傳感器的磁電轉換特性曲線測量 實驗數據及由公式 B = μ0nI 算得的磁感應強度如下表所示，高電平：1V， 低電平：-1V 減小磁場 增大磁場 開關動作 勵磁電流/mA 電壓/V 磁感應強度/G 開關動作 勵磁電流/mA 電壓/V 磁感應強度/G 關 30.2 1.882 4.0
關 29.5 1.882 4.5
開 -30.5 0.0941 -5.0
開 -32.2 0.0941 -4.5
作圖如下：
050100150200250-40 -20 0 20 40磁場減少時B-U磁場增大時B-U磁感應強度B與輸出電壓U的關系曲線輸出電壓U（mV）磁感應強度B(G)
誤差分析：
（1）
在實驗操作中，用恒流源調節勵磁電流時距離要調到的值總會有部分偏差，其范圍在正負 0.2mA 以內； （2）
用恒流源調節勵磁電流時，為保證調到需要調到的勵磁電流的精確度，會有很小幅度的回調，可能因磁滯現象造成影響；
（3）
使用 Excel 表格處理數據的過程中可能會有精度損失；
4 、用 用 GMR 傳感器測量電流
低磁偏置 25mV：
勵磁電流 I(mA) 輸出電壓 U（mV）
勵磁電流 I(mA) 輸出電壓 U（mV）
300 27.2 -300 23.0 200 26.5 -200 23.7 100 25.8 -100 24.3 0 25.1 0 25.0 -100 24.4 100 25.8 -200 23.7 200 26.5 -300 23.0 300 27.1 作圖如下：
00.20.40.60.811.21.41.61.82-20.0 -15.0 -10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0磁場減小時巨磁阻磁場增大時巨磁阻磁感應強度B(G)輸出電壓U（V）開關特性曲線
適當磁偏置 151mV：
勵磁電流 I(mA) 輸出電壓 U（mV）
勵磁電流 I(mA) 輸出電壓 U（mV）
300 154.0 -300 148.5 200 153.2 -200 149.5 100 152.3 -100 150.5 0 151.3 0 151.4 -100 150.4 100 152.4 -200 149.5 200 153.3 -300 148.6 300 154.2 作圖如下：
誤差分析：
（1）
操作中，設置低磁偏置和適當磁偏置時，由于輸出電壓對偏置磁鐵的位置變動很靈敏，故初始磁偏置時的輸出電壓距離要求會有誤差； （2）
在實驗操作中，用恒流源調節勵磁電流時距離要調到的值總會有部分偏差，其范圍在正負 0.2mA 以內； （3）
用恒流源調節勵磁電流時，為保證調到需要調到的勵磁電流的精確度，會有很小幅度的回調，可能22.523.023.524.024.525.025.526.026.527.027.5-400 -200 0 200 400低磁偏置減少電流低磁偏置增大電流低磁偏置25mV待測勵磁電流與輸出電壓關系曲線148.0149.0150.0151.0152.0153.0154.0155.0-400 -200 0 200 400低磁偏置減少電流低磁偏置增大電流適當磁偏置151mV待測勵磁電流與輸出電壓關系曲線
因磁滯現象造成影響； （4）
使用 Excel 表格處理數據的過程中可能會有精度損失； （5）
測量適當磁偏置時，減小勵磁電流時的初始電流 300mA 對應的輸出電壓偏離直線較多，可能由于操作原因，比如偏置磁鐵的不穩定或觸碰等。
5 、GMR 梯度傳感器的特性及應用 起始角度/度 139 136 133 130 127 124 121 118 轉動角度/度 0 3 6 9 12 15 18 21 輸出電壓/mV 821 857 870 873 936 962 959 881 起始角度/度 115 112 109 106 103 100 97 94 轉動角度/度 24 27 30 33 36 39 42 45 輸出電壓/mV 828 852 869 866 943 946 987 897 作圖如下
誤差分析：
（1）
轉動齒輪時，由于每次轉動的幅度很小，由于操作原因會有轉動的角度誤差存在； （2）
轉動齒輪后讀數時，會有因讀數造成的角度誤差存在； 6、通過實驗了解磁記錄與讀出的原理
實驗數據如下表所示：
十進制數 92 二進制數 0 1 0 1 1 1 0 0 磁卡區域號 0 1 2 3 4 5 6 7 讀出電平（V）
2.9 1.916 2.9 1.916 1.916 1.916 2.9 2.9
80082084086088090092094096098010000 9 18 27 36 45轉動角度/度輸出電壓/mV
誤差分析：設置的二進制數據寫入時，磁卡區域可能未嚴格對齊； R GMR 傳感器在有關領域的應用實例：
基于 GMR 傳感器陣列的生物檢測：
GMR 傳感器比電子傳感器更靈敏、可重復性強，具有更寬的工作溫度、工作電壓和抗機械沖擊、震動的優異性能，而且 GMR 傳感器的工作點也不會隨時間推移而發生偏移。
GMR 傳感器的制備成本和檢測成本低，對樣本的需求量很小。由 GMR 傳感器組成的陣列，還可以結合現有的 IC 工藝，提高整體設備的集成度，進行多目標的檢測。同時，對比傳統的熒光檢測法，磁性標記沒有很強的環境噪聲，標記本身不會逐漸消退，也不需要昂貴的光學掃描設備以及專業的操作人員。
測量原理：GMR 陣列傳感器生物檢測的基本模式用 GMR 陣列傳感器進行生物檢測，是以磁性顆粒為標記物，采用直接標記法或兩步標記法，在施加一定方向的外加磁場的情況下，用磁敏傳感器對磁性標記產生的寄生磁場進行檢測，從而實現對生物目標定性定量分析。
測量方法：以 DNA 檢測為例，第一步將已知序列的 DNA 探針鏈結合在包埋了自旋閥傳感器的芯片表面，加入用生物素標記的 DNA 目標鏈溶液，進行充分雜交；第二步，加入被抗生物素包裹的磁性顆粒，形成生物素一抗生物素共價鍵，從而選擇性地捕獲磁性標記。
標記反應完成后，用外加梯度磁場將未參與標記的多余磁性顆粒分離，再施加激勵磁場將磁標記(磁性顆粒)磁化，磁化的磁標記產生的寄生磁場引起傳感器阻值的變化，從而導致反映生物反應的信號輸出。
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2022年以來，在**黨委的正確領導下，堅持以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，深入學習宣傳貫徹黨的二十大精神，以黨建工作為統領，扎實開展夯實“三個基本”活動，以“四化四力”行動為抓手，聚力創建
各位領導，同志們：根據會議安排，現就2022年度抓基層黨建工作情況匯報如下：一、主要做法及成效（一）強化政治引領。一是不斷強化理論武裝。堅持通過黨組會、中心組學習會和“三會一課”，第一時間、第一議題學
2022年度抓基層黨建工作述職報告按照黨委工作部署，現將本人2022年度抓基層黨建工作情況報告如下：一、2022年度抓基層黨建工作情況（一）旗幟鮮明講政治將旗幟鮮明講政治放在全局發展首要位置，積極開展
2022年，是我在數計系黨總支書記這個新崗位上度過的第一個完整的工作年度。回首一年來在校黨委的正確領導下，與數計系領導班子和全體師生共同走過的日子，艱辛歷歷在目，收獲溫潤心田。作為黨總支書記，我始終牢
按照考核要求，現將本人一年來，作為統戰部長履行職責、廉潔自律等方面情況報告如下：一、著眼增強政治素質，不斷深化理論學習堅持把旗幟鮮明講政治作為履職從政的第一位要求，帶領統戰系統干部堅決擁護“兩個確立”
**年，緊緊圍繞黨工委、管委會的決策部署，全體人員團結協作、凝心聚力，緊扣黨工委“**”基本工作思路，全力開拓進取，認真履職盡責，圓滿完成各項工作任務。一、個人思想政治狀況檸檬文苑www bgzjy
按照縣委關于開展抓基層黨建述職評議會議的有關要求，經請示縣委組織部同意，今天，我們在此召開2022年度基層黨組織書記抓基層黨建述職評議會議。1 首先，請**黨委書記，**同志述職。**黨委能夠主動研究