各项异性磁阻效应及磁场测量解析

《各项异性磁阻效应及磁场测量解析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、物理实验报告2014物理学专业实验题目:_各项异性磁阻效应及磁场测量姓名:柯铭沣学号:____135012014071___________日期:__2015_年__9___月__28___日实验各向异性磁阻传感器及磁场测量[实验目的]1、掌握各向异性磁阻传感器的原理和特性；2、掌握各向异性磁阻传感器测量磁场的基本原理和测量方法。[实验仪器]磁场测试仪，主要包括底座、转轴、带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍兹线圈、磁场测试仪控制主机(数字式电压表、5V直流电源等)。[实验原理]1、各向异性磁阻传感器一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B变化的规律称为

2、磁阻效应。当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛伦兹力的作用而发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，使得沿电场方向的电流密度减小，电阻增大。（具体原理详见实验39“半导体材料的磁电阻效应研究”）。各向异性磁阻传感器(AnisotropicMagneto-Resistivesensors,AMR)是由沉积在硅片上的坡莫合金(Ni80Fe20)薄膜形成的电阻，如图1所示。除了具有磁阻效应，由于在沉积时外加磁场，AMR形成易磁化方向，即当外加磁场偏离合金的内部磁化方向时，材料电阻减小，这就是各向异性磁阻效应。AMR的电阻与材料所处环境磁化强度M

3、和电流I方向间的夹角有关，电流和磁化方向平行时电阻最大为Rmax，而电流与磁化方向垂直时电阻最小为Rmin，则电流和磁化方向成θ时,电阻可表示为：(1)图1磁阻传感器的构造示意图图2磁阻传感器内部结构为了消除温度等外界因素的影响，本实验所用的磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，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，内部结构如图2所示。把该非平衡电桥放置在外界磁场时，由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，引起电阻值变化有增有减各不相同。电桥的输出电压U可以用下式表示为：(2)式中，Ub为电桥工作电压，

4、R为未施加外磁场时的桥臂电阻，ΔR/R为磁阻材料在磁场作用下阻值的相对变化率。当Ub一定时,磁阻传感器输出电压U与外界磁场的磁感应强度成正比关系：(3)式中，K为传感器的灵敏度，B为外界磁场的磁感应强度，U0为外加磁场为零时该非平衡电桥的输出电压。因此，在实验过程中可以通过输出电压来测量AMR所处位置的磁场的磁感应强度。需要注意的是，AMR只对磁敏感方向上的磁场敏感，当所测磁场与磁敏感方向有一定夹角时，AMR测量的是所测磁场在磁敏感方向的投影。2、亥姆霍兹线圈亥姆霍兹线圈是一对平行、共轴排列的线圈，它们的尺寸、匝数、电流流向都相同，且两线圈之间的间距刚好等于线圈

5、的半径,见图3所示。根据毕奥萨伐尔定律,可得轴线上任意一点的磁感应强度为：(4)式中，N为线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍兹线圈的平均半径，μ0为真空磁导率,x为该点与线圈中心的距离。随着距离x变化的磁感应强度变化规律如图4所示。图3亥姆霍兹线圈装置图图4亥姆霍兹线圈磁场分布示意图[实验内容及要求]1．仪器调整(1)连接好仪器和电源,开机预热。(2)将磁阻传感器位置调至亥姆霍兹线圈中心，传感器敏感方向与亥姆霍兹线圈轴线一致。(3)调节亥姆霍兹线圈电流为0mA，按复位键恢复AMR的使用特性。(4)调节补偿电流，使传感器输出为0.000V。(5)调节亥姆

6、霍兹线圈电流为300mA，调节放大器校准旋钮，使输出电压为1.500V。2．磁阻传感器特性测量(1)测量磁阻传感器的磁电转换特性把AMR放置在亥姆霍兹线圈中心，并使得AMR的磁敏感方向与线圈的轴向一致。通过电流换向开关，改变亥姆霍兹线圈电流，从300mA逐步减小至-300mA,每隔50mA记录相应的输出电压。以磁感应强度为横轴，输出电压为纵轴作图，并求传感器的灵敏度K。(2)测量磁阻传感器的各向异性特性将亥姆霍兹线圈电流调为200mA，测量所测磁场方向与磁敏感方向一致时的输出电压值。松开线圈水平锁紧螺丝，每次将亥姆霍兹线圈与传感器盒整体转动10˚后锁紧，然后松开

7、传感器水平旋转锁紧螺丝，将传感器盒向相反方向转动10˚后锁紧，以保持AMR方向不变。依次转动亥姆霍兹线圈，使得线圈相对AMR旋转角度α从0˚变化至90˚，每隔10˚记录对应的输出电压值。以夹角α为横轴，输出电压为纵轴作图，分析AMR的各向异性特性。3．测量亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布保持亥姆霍兹线圈电流调为200mA,传感器敏感方向与亥姆霍兹线圈轴线一致。沿轴线移动传感器盒,使传感器的位置x从-70mm移动至70mm,每隔14mm记录一次输出电压。以传感器位置为横轴，输出电压为纵轴作图，分析亥姆霍兹线圈轴线上磁场分布。[注意事项]1、实验使用的赫姆霍兹线圈的N=

8、310,R=0.14m,