巨磁电阻效应及其应用
实验指导书
北京航空航天大学物理实验中心
20xx年3月10日
巨磁电阻效应及其应用
20xx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百兆，几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。”
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。19xx年，他采用了分子束外延(MBE)方法制备薄膜，样品成分是铁-铬-铁三明治结构的薄膜,实验中逐步减小薄膜上的外磁场，直到取消外磁场。他们发现，对于非铁磁层铬的某个特定厚度，两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行(较强磁场下)转变为反平行(弱磁场下)。这个新现象成为巨磁电阻效应出现的前提。既然磁场可以将两个铁磁层磁矩在彼此平行与反平行之间转换，相应的物理性质会有什么变化？格伦贝格尔接下来发现，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%。格伦贝格尔将结果写成论文，与此同时，他申请了将这种效应和材料应用于硬盘磁头的专利。
另一方面，1988法国物理学家阿尔贝·费尔的小组将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁-铬超晶格，也称为周期性多层膜。他们发现，当改变磁场强度时，超晶格薄膜的电阻下降近一半，即磁电阻比率达到50%。他们称这个前所未有的电阻巨大变化现象为巨磁电阻。 显然,周期性多层膜可以被看成是若干个格伦贝格尔三明治的重叠，所以德国和法国的两个独立发现实际上是同一个物理现象。
巨磁电阻效应的发现，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。
本实验介绍多层膜 GMG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。
一、实验要求
1、 熟悉和了解GMR效应原理
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、 熟悉和掌握有关GMR传感器的原理和应用，包括用GMR传感器测量电流、用GMR梯度传感器
测量角位移以及了解磁记录与读出的原理等
二、实验原理
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。 巨磁电阻效应表明，电子自旋对于电流的影响非常强烈。
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=?l/S中，把电阻率?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。实验证明，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1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。
无外磁场时顶层磁场方向
无外磁场时底层磁场方向 电阻 \ 欧姆
磁场强度 / 高斯
图1多层膜GMR结构图 图2 某种GMR材料的磁阻特性
图2是图1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。
有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献：
其一，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。
其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，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，两类自旋电流的并联电阻相似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，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。
多层膜GMR结构简单，工作可靠，磁阻随外磁场线性变化的范围大，在制作模拟传感器方面得到广泛应用。在数字记录与读出领域，为进一步提高灵敏度，发展了自旋阀结构的GMR。如图3所示。自旋阀结构的SV-GMR(Spin valve 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。制造时，使自由层的初始
磁化方向与被钉扎层垂直，磁记录材料的磁化方向与被钉
扎层的方向相同或相反（对应于0或1），当感应到磁记录
材料的磁场时，自由层的磁化方向就向与被钉扎层磁化方
向相同（低电阻）或相反（高电阻）的方向偏转，检测出图3自旋阀SV-GMR结构图 电阻的变化，就可确定记录材料所记录的信息，硬盘所用
的GMR磁头就采用这种结构。
三、实验仪器介绍
实验中使用的仪器装置包括实验仪主机和若干组件模块，简要介绍如下：
1、实验仪主机
图4所示为巨磁阻实验仪系统的实验仪前面板图。包括： （1）输入部分
电流表部分：可做为一个独立的电流表使用。两个档位：2mA档和200mA档，可通过电
流量程切换开关选择合适的电流档位测量电流。
电压表部分：可做为一个独立的电压表使用。两个档位：2V档和200mV档，可通过电压
量程切换开关选择合适的电压档位。
（2）输出部分
恒流源部分：可变恒流源，对外提供电流
恒压源部分：提供GMR传感器工作所需的4V电源和运算放大器工作所需的±8V电源。
图4 巨磁阻实验仪操作面板
2、基本特性组件模块
基本特性组件由GMR模拟传感器、螺线管线圈、输入输出插孔组成，用以对GMR的磁电转换特性，磁阻特性进行测量。
GMR传感器置于螺线管的中央。螺线管用于在实验过程中产
生大小可计算的磁场，由理论分析可知，无限长直螺线管内部
轴线上任一点的磁感应强度为：
B = μ0nI （1）
式中n为线圈密度，I为流经线圈的电流强度，采用国际单位
制时，由上式计算出的磁感应强度单位为特斯拉（1特斯拉＝
10000高斯，?0?4??10?7H/m为真空中的磁导率）。 图5 基本特性组件
3、电流测量组件
电流测量组件将导线置于GMR模拟传感器近旁，用GMR传感
器测量导线通过不同大小电流时导线周围的磁场变化，就可确
定电流大小。与一般测量电流需将电流表接入电路相比，这种
非接触测量不干扰原电路的工作，具有特殊的优点。
图6 电流测量组件
4、角位移测量组件
角位移测量组件用巨磁阻梯度传感器作传感元件，铁磁性齿
轮转动时，齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场的分布，使梯度传
感器输出发生变化，每转过一齿，就输出类似正弦波一个周期的
波形。利用该原理可以测量角位移（转速，速度）。汽车上的转
速与速度测量仪就是利用该原理制成的。 图7 角位移测量组件
5、磁读写组件
磁读写组件用于演示磁记录与读出的原理。磁卡做记录介质，磁卡通过写磁头时可写入数据，通过读磁头时将写入的数据读出来。
图8 磁读写组件
四、实验内容
1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量
在将GMR构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式结构，图9是某型号传感器的结构。
R2
R1
R3 R4
a几何结构
图9 GMR模拟传感器结构图
对于电桥结构，如果4个GMR电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。图9中，将处在电桥对角位置的两个电阻R3、R4 覆盖一层高导磁率的材料
输出/V 如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，而R1、R2 阻值
随外磁场改变。设无外磁场时4个GMR电阻的阻值均为R，R1、R2 在外磁场作用下电阻减小ΔR，简单分析表明，输出电压：
UOUT = UINΔR/（2R-ΔR） （2）
图10是某GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线。图11是磁电转换特性的测量原理图。
实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件。
实验步骤：
将基本特性组件的功能切换按钮切换为
图10 GMR模拟传感器的磁电转换特性
“传感器测量”，实验仪的
4伏电压源接至基本特性组件
“巨磁电阻供电”，恒流源接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“模拟信号输出”接至实验仪电压表。
图11 模拟传感器磁电转换特性实验原理图
调节励磁电流，从100mA开始逐渐减小，每隔10mA记录相应的输出电压于表格中。当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，并记录相应的输出电压。
电流至－100mA后，逐渐减小负向电流，记录相应的输出电压，当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，记录相应的输出电压，直到100mA。（理论上讲，外
磁场为零时，GMR传感器的输出应为零，但由于4个桥臂电阻值不一定完全相同，导致外磁场为零时输出不一定为零，在有的传感器中可以观察到这一现象）
数据处理：根据螺线管上标明的线圈密度，由螺线管通过的电流值计算出螺线管内的磁感应强度B。以磁感应强度B作横座标，电压表的读数为纵座标作出磁电转换特性曲线。不同外磁场强度时输出电压的变化反映了GMR传感器的磁电转换特性，同一外磁场强度下输出电压的差值反映了材料的磁滞特性。
2、GMR磁阻特性测量
为对构成GMR模拟传感器的磁阻进
行测量。将基本特性组件的功能切换按
钮切换为“巨磁阻测量”，此时被磁屏
蔽的两个电桥电阻R3,R4被短路，而R1,R2
并联。将电流表串连进电路中，测量不
同磁场时回路中电流的大小，就可计算
磁阻。测量原理如图12所示。
图12 磁阻特性测量原理图
实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件。
实验步骤：将基本特性组件功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”，实验仪的4伏电压源串连电流表后接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“螺线管电流输入”。
调节励磁电流，从100mA开始逐渐减小磁场强度，每隔10mA记录相应的磁阻电流到表格中。当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，并记录相应的输出电压。
电流至－100mA后，逐渐减小负向电流，记录相应的磁阻电流，直到电流100mA。电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。
数据处理：根据螺线管上标明的线圈密度，计算出螺线管内的磁感应强度B。由欧姆定律 R=U/I 计算磁阻。
以磁感应强度B作横座标，磁阻为纵座标作出磁阻特性曲线。
不同外磁场强度时磁阻的变化反映了GMR的磁阻特性，同一外磁场强度下磁阻的差值反映了材料的磁滞特性。
3、 GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量
将GMR模拟传感器与比较电路，晶体管放大电路集成在一起，就构成GMR开关（数字）传感器，结构如图13所示。
比较电路的功能是，当电桥电压低于比较电压时，输出低电平。当电桥电压高于比较电压时，输出高电平。选择适当的GMR电桥并结合调节比较电压，可调节开关传感器开关点对应的磁场强度。
输出 GMR
电桥 比较电路 图
13 GMR开关传感器结构图 图14 GMR开关传感器磁电转换特性 图14是某种GMR开关传感器的磁电转换特性曲线。当磁场强度的绝对值从低增加到12高斯时，开关打开（输出高电平），当磁场强度的绝对值从高减小到10高斯时，开关关闭（输出低电平）。
利用GMR开关传感器的开关特性已制成各种接近开关，当磁性物体（可在非磁性物体上贴上磁条）接近传感器时就会输出开关信号。广泛应用在工业生产及汽车，家电等日常生活用品中，控制精度高，恶劣环境（如高低温，振动等）下仍能正常工作
实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件。
实验步骤：将基本特性组件的功能按钮切换为“传感器测量”，实验仪的4伏电压源接至基
本特性组件“巨磁电阻供电”，“电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”输入插孔，恒流源接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“开关信号输出”接至实验仪电压表。
从50mA逐渐减小励磁电流，输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的励磁电流。当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的负值励磁电流。
将电流调至－50mA，逐渐减小负向电流，输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的负值励磁电流，电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的正值励磁电流。
数据处理：根据螺线管上标明的线圈密度，计算出螺线管内的磁感应强度B。以磁感应强度B作横座标，电压读数为纵座标作出开关传感器的磁电转换特性曲线。 4、用GMR模拟传感器测量电流
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，可将GMR制成磁场计，测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量。作为应用示例，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r的一点的磁感应强度为：
B = μ0I/2πr =2 I×10-7/r （3）
磁场强度与电流成正比，在r已知的条件下，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。
图16 模拟传感器测量电流实验原理图
实验装置：巨磁阻实验仪，电流测量组件
实验步骤：实验仪的4伏电压源接至电流测量组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“待测电流输入”，电流测量组件“信号输出”接至实验仪电压表。
将待测电流调节至0，将偏置磁铁转到远离GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约25mV。
将电流增大到300mA，按表4数据逐渐减小待测电流，从左到右记录相应的输出电压于表格“减小电流”行中。当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时电流方向为负，记录相应的输出电压。
逐渐减小负向待测电流，从右到左记录相应的输出电压于表格“增加电流”行中。当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。再次增大电流，此时电流方向为正，记录相应的输出电压。
将待测电流调节至0。
将偏置磁铁转到接近GMR传感器，调节磁铁与传感器的距离，使输出约150mV。 用低磁偏置时同样的实验方法，测量适当磁偏置时待测电流与输出电压的关系。
偏置时线性较好，斜率（灵敏度）较高。根据输出电压大小就可确定待测电流的大小。
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，既可测量直流，也可测量交流，具有广阔的应用前景。
5、GMR梯度传感器的特性及应用
将GMR电桥两对对角电阻分别置于集成电路两端，4个电阻都不加磁屏蔽，即构成梯度传感器，如图17所示。
输出－ 输出＋
图17 GMR梯度传感器结构图 这种传感器若置于均匀磁场中，由于4个桥臂电
阻阻值变化相同，电桥输出为零。如果磁场存在
一定的梯度，各GMR电阻感受到的磁场不同，磁阻a 变化不一样，就会有信号输出。图18以检测齿轮
的角位移为例，说明其应用原理。
将永磁体放置于传感器上方，若齿轮是铁磁
材料，永磁体产生的空间磁场在相对于齿牙不同b 位置时，产生不同的梯度磁场。a位置时，输出 为零。b位置时，R1、R2 感受到的磁场强度大于R3、
R4，输出正电压。c位置时，输出回归零。d位置
c 时，R1、R2 感受到的磁场强度小于R3、R4，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。这一原理已普遍应 用于转速（速度）与位移监控，在汽车及其它工
d 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。 实验步骤：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“信号图18 用GMR梯度传感器检测齿轮位移 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。
数据处理：以齿轮实际转过的度数为横坐标，电压表的读数为纵向坐标作图。
6、磁记录与读出
磁记录是数码产品记录与储存信息的最主要方式，由于巨磁阻的出现，存储密度有了成百上千倍的提高。在当今的磁记录领域，读写磁头是分离的。写磁头是绕线的磁芯，线圈中通过电流时产生磁场，在磁性记录材料上记录信息。巨磁阻读磁头利用磁记录材料上不同磁场时电阻的变化读出信息。
磁读写组件用磁卡做记录介质，磁卡通过写磁头时可写入数据，通过读磁头时将写入的数据读出来。同学可自行设计一个二进制码，按二进制码写入数据，然后将读出的结果记录下来。
实验装置：巨磁阻实验仪，磁读写组件，磁卡。
实验步骤：实验仪的4伏电压源接磁读写组件“巨磁电阻供电”，“电路供电”接口接至磁读写组件对应的“电路供电”输入插孔，磁读写组件“读出数据”接至实验仪电压表。同时按下“0/1转换”和“写确认”按键约2秒将读写组件初始化，初始化后才可以进行写和读。
将需要写入与读出的二进制数据记入表2第2行。
将磁卡有刻度区域的一面朝前，沿着箭头标识的方向插入划槽，按需要切换写“0”或写“1”（按“0/1转换”按键，当状态指示灯显示为红色表示当前为“写1”状态，绿色表示当前为“写0”状态）按住“写确认”按键不放，缓慢移动磁卡，根据磁卡上的刻度区域线。注意：为了便于后面的读出数据更准确，写数据时应以磁卡上各区域两边的边界线开始和结束。即在每个标定的区域内，磁卡的写入状态应完全相同。
完成写数据后，松开“写确认”按键，此时组件就处于读状态了，将磁卡移动到读磁头出，根据刻度区域在电压表上读出的电压，记录与表6中。
此实验演示了磁记录与磁读出的原理与过程。（由于测试卡区域的两端数据记录可能不准确，因此实验中只记录中间的1～8号区域的数据。）
五、注意事项
1、由于巨磁阻传感器具有磁滞现象，因此，在实验中，恒流源只能单方向调节，不可回调。
否则测得的实验数据将不准确。 2、测试卡组件不能长期处于“写”状态。
六、实验后要求与思考题
1、对各实验内容记录的数据作图分析并简要讨论其主要误差来源。 2、推导实验内容1中的公式（2）。
3、通过网上或图书馆查阅文献，列举某个GMR传感器在有关领域的应用实例，简要介绍其测
量原理和方法。
七、参考文献