巨磁电阻效应及其应用研究性实验报告

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1、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25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25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71、实验仪主机72、基本特性组件模块83、电流测量组件94、角位移测量组件95、磁读写组件9四、实验内容1

2、01、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量102、GMR磁阻特性测量113、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量124、用GMR模拟传感器测量电流135、GMR梯度传感器的特性及应用146、磁记录与读出15五、数据处理151、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量152、GMR磁阻特性测量173、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量184、用GMR模拟传感器测量电流195、GMR梯度传感器的特性及应用206、磁记录与读出21六、实验思考221、推导公式UOUT=UIN∆R2R-∆R222、实验感想23七、GMR传感器在有关领域的应用实例231、基于GMR传感器阵列的生物检测23

3、2、将GMR用于导航及高速公路的车辆监控系统243、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2525图目录图1多层膜GMR结构图5图2某种GMR材料的磁阻特性5图3自旋阀SV-GMR结构图6图4巨磁阻实验仪操作面板6图5基本特性组件7图6电流测量组件7图7角位移测量组件8图8磁读写组件8图9GMR模拟传感器结构图9图10GMR模拟传感器的磁电转换特性9图11模拟传感器磁电转换特性实验原理图9图12磁阻特性测量原理图10图13GMR开关传感器11图14GMR开关传感器磁电转换特性11图15模拟传感器测量电流实验原理图12图16GMR梯度传感器结构图13图17

4、用GMR梯度传感器检测齿轮位移13图18磁电转换特性曲线15图19磁阻特性曲线17图20GMR开关传感器磁电转换特性曲线18图21输出电压与待测电流的关系曲线19图22用GMR梯度传感器检测齿轮位移的电压和转角关系图20图23电路连接图21图24直接标记法22图25两部标记法2325表目录表格1电流随磁感应强度变化表14表格2磁阻随磁感应强度变化表16表格3电平随励磁电流变化表17表格4输出电压随待测电流变化关系表18表格5电压和齿轮转角间的关系20表格6二进制数的写入与读出2125一、实验背景2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻(Giantmagnetoresistance,简称GMR)

5、效应的发现者，法国物理学家阿尔贝·费尔(AlbertFert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔(PeterGrunberg)。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。1986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

6、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

7、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。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