《大学物理实验》课程教学课件（PPT讲稿）巨磁阻效应及其应用

Giant Magneto Resistance巨磁阻效应及其应用武汉理工大学物理实验中心

巨磁阻效应及其应用 Giant Magneto Resistance 武汉理工大学物理实验中心

【实验目的】（1）了解巨磁电阻效应的原理和特性；(2) i通过实验了解巨磁阻相关应用

【实验目的】 （1）了解巨磁电阻效应的原理和特性； （2）通过实验了解巨磁阻相关应用

2007年诺贝尔物理学奖奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”阿尔贝·费尔彼得·格林贝格尔德国法国

2007年诺贝尔物理学奖 奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬 盘在近年来迅速变得越来越小”。 阿尔贝·费尔 法国 彼得·格林贝格尔 德国

【实验原理】1：巨磁阻效应巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。磁阻特性B--R曲线26002500一磁矢减小2400一磁矢增大230022002100-3.500.501.502.503.50-2.50-1.50-0.50磁感应强度B/T图1巨磁材料的磁阻特性

磁阻特性B-R曲线 2100 2200 2300 2400 2500 2600 -3.50 -2.50 -1.50 -0.50 0.50 1.50 2.50 3.50 磁感应强度B/T 磁阻R/Ω 磁矢减小 磁矢增大 【实验原理】 1 ．巨磁阻效应 巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用 时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。 图1 巨磁材料的磁阻特性

巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构，由铁磁材料和非铁磁材料薄层（几个纳米）交替叠合而成。FM NMFMSpinSpinFMNMFM?FM表示磁性材料，NM表示非磁性材料，其中的箭头表示磁化方向；.Spin的箭头表示通过电子的自旋方向，自旋与磁场方向相同散射几率大，自旋与磁场方向相反散射几率小：，R（绿色）表示电阻值，绿色较小表Spir示电阻值小，绿色较大表示电阻值大。SpI磁性层磁场方向相同时，电阻最小。随外磁场变大，两磁性层中巨磁阻效应示意图磁场方向趋同，电阻变小

巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄 膜结构，由铁磁材料和非铁磁材料薄层（几个纳米）交替 叠合而成。 ⚫ FM表示磁性材料，NM表示非磁性材 料，其中的箭头表示磁化方向； ⚫ Spin的箭头表示通过电子的自旋方向， 自旋与磁场方向相同散射几率大，自旋 与磁场方向相反散射几率小； ⚫ R（绿色）表示电阻值，绿色较小表 示电阻值小，绿色较大表示电阻值大。 磁性层磁场方向相同时，电阻最小。 随外磁场变大，两磁性层中 巨磁阻效应示意图 磁场方向趋同，电阻变小

2.巨磁阻传感器UIN+利用巨磁阻原理制成的传感器一般R4R采用4个相同巨磁电阻的桥式结构。将UoUT+UoUT处在电桥对角位置的两个电阻R，、R4覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金，R2R3以屏蔽外磁场对它们的影响，而R，、R，阻值随外磁场改变UIN-设无外磁场时4个巨磁电阻的阻值均为R，R,、R,在外磁场作用下电阻减小4R，若输入电压为UIN，简单分析可得输出电压：UoUT = UINAR /(2R-4R)

2．巨磁阻传感器 利用巨磁阻原理制成的传感器一般 采用4个相同巨磁电阻的桥式结构。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个巨磁电阻的阻值均为R，R1、R2 在外 磁场作用下电阻减小ΔR，若输入电压为UIN ，简单分析可 得输出电压： UOUT = UINΔR／(2R－ΔR) UIN+ R4 R1 R2 R3 UIN UOUT UOUT+

3.巨磁阻效应的应用·巨磁阻传感器开关当带有磁性物体接近传感器时就会输出开关信号。广泛应用于自动化控制、安保、医疗电子等领域，控制精度高，恶劣环境（如高低温，振动等）下仍能正常工作；·巨磁阻梯度传感器铁磁齿轮转动过程中，每转过一个齿牙便使传感器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，在汽车及其它工业领域得到广泛应用；·磁记录与读取：采用自旋结构巨磁阻材料可以制成高密度硬盘磁头

3．巨磁阻效应的应用 •巨磁阻传感器开关 当带有磁性物体接近传感器时就会输出开关信号。广泛应用于自 动化控制、安保、医疗电子等领域 ，控制精度高，恶劣环境（如 高低温，振动等）下仍能正常工作； •巨磁阻梯度传感器 铁磁齿轮转动过程中,每转过一个齿牙便使传感器产生一个完整的 波形输出。这一原理已普遍应用于转速（速度）与位移监控，在 汽车及其它工业领域得到广泛应用； •磁记录与读取： 采用自旋阀结构巨磁阻材料可以制成高密度硬盘磁头

【实验仪器和项目MeTOY巨磁电阻效应及应用实验仪nH用R复：2000E/S4x8MP电流表电汽池RERA451电压表0-11-电直测量组件恒流检测MAA信流诚测Fuaaoe电话费--号免位标测整销件用经吧巨磁电阻供电电路供电设发银修

【实验仪器和项目】 巨磁电阻供电 电路供电 恒流检测 电压表 电流表

【实验内容】D2Y-JCL巨磁电阻效控及应用实验仪1.磁电转换特性测量为了温度稳定性，4个GMR组成电桥，磁屏蔽R3、R4。UIN+SEAT提式造列IRSRRIR4REEUoUT+UoUT-UIN接巨磁Uour接接恒流源电阻供电电压表R2R3BRENRENEESISSEEEEUIN-EU美器蛋膜：21000脂米磁电转换原理图O面-临管务本格作服售按钮弹起

【实验内容】 1. 磁电转换特性测量 UIN接巨磁 电阻供电 接恒 流源 UOUT接 电压表 为了温度稳定性，4个GMR组成 电桥，磁屏蔽R3、R4。 UIN+ R4 R1 R2 R3 UIN UOUT UOUT+ 磁电转换原理图 按钮弹起

1.磁电转换特性测量OZA0Y-JCL巨器电维效质及虚用实验仪磁矢量增大磁量减小励磁电流输出电压励磁电流磁感应强输出电压磁感应强100I/mA度B/TU/mVI/mA度B/TU/mV=μonl100-10080-805060-6040-4020-2010-100.001. 00-1.0010-10接于磁巍象增女和20电供电-20电压表蒸瀛失演尊鼠线禾馨袭-404060-60输-8080-100100电流为0处，需要寻找TEC调节恒流源电流调节旋钮，改变励磁电流。e-茶本持证维行

磁电转换特性B-U曲线 0 5 0 100 150 200 250 300 -4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 B/T U/mV 磁矢减小 磁矢增大 1. 磁电转换特性测量 磁矢量减小 磁矢量增大 励磁电流 I/mA 磁感应强 度B/T 输出电压 U/mV 励磁电流 I/mA 磁感应强 度B/T 输出电压 U/mV 100 =μ0nI -100 80 -80 60 -60 40 -40 20 -20 10 -10 -10 10 -20 20 -40 40 -60 60 -80 80 -100 100 UIN接巨磁 电阻供电 接恒 流源 UOUT接 电压表 磁电转换特性B-U曲线 0 5 0 100 150 200 250 300 -4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 B/T U/mV 磁矢减小 磁矢增大 由于磁滞现象，增大和减 小磁矢测得的曲线不重合。 调节恒流源电流调节旋钮，改变励磁电流。 输出电压最低点不在励磁 电流为0处，需要寻找