《磁阻效应试验研究 (2).docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁阻效应试验研究 (2).docx（16页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、磁阻效应试验研究摘要磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：数字式罗盘、交通车辆检测，导航系统、伪钞检测、位置测量等。本文首先回顾一下磁阻效应研究的历史，介绍磁阻效应和霍尔效应的有关概念，然后评述到目前为止所揭示的产生磁阻效应的物理机制，其中将重点介绍大学物理磁阻效应的实验研究，主要为一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的
2、载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。通过实验研究这就有利于我们从更深刻的角度把握磁阻效应的本质，从而扩大研究范围；接下来将介绍有关磁阻效应的应用，介绍ZKY-CC各向异性磁阻传感器（AMR）与磁场测量仪，并结合实验进行研究，最后展望磁阻体的研究前景以及在其实用化进展中存在的一些问题。关键词：磁阻效应；试验；研究目 录1 磁阻效应的概述11.1 磁阻效应的概念11.2 磁阻效应的分类11.3 磁阻效应的应用22 磁阻效应实验22.1 实验目的22.2 实验原理32.3 实验仪器42.4 实验内容62.5 注意事项103 磁阻效应研究总结10参
3、考文献121 磁阻效应的概述1.1 磁阻效应的概念磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。1.2 磁阻效应的分类1.2.1 常磁阻对所有非磁性金属而言，由于在磁场中受到洛伦兹力的影响，传导电子在行进中会偏折，使得路径变成沿曲线前
4、进，如此将使电子行进路径长度增加，使电子碰撞机率增大，进而增加材料的电阻。磁阻效应最初于1856年由威廉汤姆森，即后来的开尔文爵士发现，但是在一般材料中，电阻的变化通常小于5%，这样的效应后来被称为“常磁阻”。1.2.2 巨磁阻所谓巨磁阻效应，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。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。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。1.2.3 超巨磁阻超巨磁阻效应（也称庞磁
5、阻效应）存在于具有钙钛矿(Perovskite)ABO3的陶瓷氧化物中。其磁阻变化随着外加磁场变化而有数个数量级的变化。其产生的机制与巨磁阻效应(GMR)不同，而且往往大上许多，所以被称为“超巨磁阻”。 如同巨磁阻效应(GMR)，超巨磁阻材料亦被认为可应用于高容量磁性储存装置的读写头。不过，由于其相变温度较低，不像巨磁阻材料可在室温下展现其特性，因此离实际应用尚需一些努力。1.2.4 异向磁阻有些材料中磁阻的变化，与磁场和电流间夹角有关，称为异向性磁阻效应。此原因是与材料中s轨域电子与d轨域电子散射的各向异性有关。由于异向磁阻的特性，可用来精确测量磁场。1.2.5 穿隧磁阻效应穿隧磁阻效应是指
6、在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。此效应首先于1975年由MichelJulliere在铁磁材料(Fe)与绝缘体材料(Ge)发现；室温穿隧磁阻效应则于1995年，由TerunobuMiyazaki与Moodera分别发现。此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。1.3 磁阻效应的应用磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰
7、能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。其中最典型的锑化铟（InSb）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的磁阻器件磁电阻，有着十分重要的应用价值。2007年诺贝尔物理学奖授予来自法国国家科学研究中心的物理学家艾尔伯费尔和来自德国尤利希研究中心的物理学家皮特克鲁伯格，以表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献。2 磁阻效应实验2.1 实验目的1了解各向异性磁电阻传感器测量磁场的基本原理；2学会用各向异性磁电阻传感器测定地亥姆霍兹线圈磁场的方法；3验证场的叠加原理。2.2 实验原理磁电阻效应有基于霍尔效应的普通磁电阻效应和
8、各向异性磁电阻效应之分。对于强磁性金属(铁、钴、镍 及其合金) , 当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时, 电阻几乎不随外加磁场而变; 当外加磁场偏离金属的内磁化方向时, 金属的电阻减小, 这就是各向异性磁电阻效应(见图1)。本实验所使用的各向异性磁电阻传感器由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成电阻。沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。坡莫合金薄膜的电阻和电流与磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻最大，电流与磁化方向垂直时电阻最小。坡莫合金薄膜的电阻率依赖于磁化强度和电流 方向的夹角, 即 （1）其中, 分别是平行于和垂直于时的电阻率。图1 各向异性磁电阻效应在HMC型磁
9、电阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的坡莫合金薄膜构成惠斯通电桥，结构如图2所示。当外加磁场时, 因坡莫合金具有各向异性的磁电阻效应, 电桥电阻的阻值变化, 导致传感器输出电压的变化。图2中，易磁化轴方向与电流方向的夹角为45度。理论分析与实践表明，采用45度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平行时，磁化方向即易磁化轴方向，电桥的4个桥臂电阻阻值相同，输出为零。当在磁敏感方向施加如图1所示方向的磁场时，合成磁化方向将在易磁化方向的基础上逆时针旋转。结果使左上和右下桥
10、臂电流与磁化方向的夹角增大，电阻减小；右上与左下桥臂电流与磁化方向的夹角减小，电阻增大。靠电阻阻值的变化将外加磁感应强度转换成差动输出的电压, 该输出电压可用下式表示 （2）式中为电桥工作电压，为桥臂电阻，为磁电阻阻值的相对变化率，与外加磁场强度成正比，故HMC型磁电阻传感器输出电压与磁场强度成正比，可利用磁电阻传感器测量磁场。a 磁干扰使磁畴排列紊乱b 复位脉冲使磁畴沿易磁化轴整齐排列c 反向置位脉冲使磁畴排列方向反转图3 置位/反向置位脉冲的作用商品磁电阻传感器已制成集成电路，除图2所示的电源输入端和信号输出端外，还有复位/反向置位端和补偿端两对功能性输入端口，以确保磁电阻传感器的正常工作
11、。复位/反向置位的机理可参见图3。HMC型磁电阻传感器置于超过其线性工作范围的磁场中时，磁干扰可能导致磁畴排列紊乱，改变传感器的输出特性。此时可在复位端输入脉冲电流，通过内部电路沿易磁化轴方向产生强磁场，使磁畴重新整齐排列，恢复传感器的使用特性。若脉冲电流方向相反，则磁畴排列方向反转，传感器的输出极性也将相反。从补偿端每输入5mA补偿电流，通过内部电路将在磁敏感方向产生1高斯的磁场。可用来补偿传感器的偏离。HMC型磁电阻传感器的磁电转换特性曲线。其中电桥偏离是在传感器制造过程中，4个桥臂电阻不严格相等带来的，外磁场偏离是测量某种磁场时，外界干扰磁场带来的。不管要补偿哪种偏离，都可调节补偿电流，
12、用人为的磁场偏置使特性曲线平移，使所测磁场为零时输出电压为零。2.3 实验仪器实验仪结构如图5所示，核心部分是HMC型磁电阻传感器，辅以角度、位置调节及读数机构，亥姆霍兹线圈等组成。本仪器所用磁电阻传感器的工作范围为6高斯，灵敏度为1mV/V/Gs。灵敏度表示，当磁电阻电桥的工作电压为1V，被测磁场磁感应强度为1高斯时，输出信号为1mV。磁电阻传感器的输出信号通常须经放大电路放大后，再接显示电路，故由显示电压计算磁场强度时还需考虑放大器的放大倍数。本实验仪电桥工作电压5V，放大器放大倍数50，磁感应强度为1高斯时，对应的输出电压为0.25伏。亥姆霍兹线圈是由一对彼此平行的共轴圆形线圈组成。两线
13、圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间的距离d正好等于圆形线圈的半径R。这种线圈的特点是能在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场，根据毕奥萨伐尔定律，可以计算出亥姆霍兹线圈公共轴线中点的磁感应强度为：式中N为线圈匝数，I为流经线圈的电流强度，R为亥姆霍兹线圈的平均半径，为真空中的磁导率。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）。本实验仪N310，R0.14m，线圈电流为1mA时，亥姆霍兹线圈中部的磁感应强度为0.02高斯。电源如图6所示。 磁电阻传感器盒传感器轴向移动锁紧螺钉传感器绕轴旋转锁紧螺钉传感器水平旋转锁紧螺钉亥姆霍兹线圈传感器横向移动锁紧螺钉线
14、圈水平旋转锁紧螺钉信号接口盒仪器水平调节螺钉图5 磁场实验仪恒流源为亥姆霍兹线圈提供电流，电流的大小可以通过旋钮调节，电流值由电流表指示。电流换向按钮可以改变电流的方向。补偿(OFFSET)电流调节旋钮调节补偿电流的方向和大小。电流切换按钮使电流表显示亥姆霍兹线圈电流或补偿电流。传感器采集到的信号经放大后，由电压表指示电压值。放大器校正旋钮在标准磁场中校准放大器放大倍数。复位（R/S）按钮每按下一次，向复位端输入一次复位脉冲电流，仅在需要时使用。图6 仪器前面板示意图2.4 实验内容1测量准备：连接实验仪与电源，开机预热20分钟。将磁电阻传感器位置调节至亥姆霍兹线圈中心，传感器磁敏感方向与亥姆
15、霍兹线圈轴线一致。调节亥姆霍兹线圈电流为零，按复位键（见图3，恢复传感器特性），调节补偿电流（见图4，补偿地磁场等因素产生的偏离），使传感器输出为零。调节亥姆霍兹线圈电流至300mA（线圈产生的磁感应强度6高斯），调节放大器校准旋钮，使输出电压为1.500伏。2.磁电阻传感器特性测量测量磁电阻传感器的磁电转换特性磁电转换特性是磁电阻传感器最基本的特性。磁电转换特性曲线的直线部分对应的磁感应强度，即磁电阻传感器的工作范围，直线部分的斜率除以电桥电压与放大器放大倍数的乘积，即为磁电阻传感器的灵敏度。按表1数据从300mA逐步调小亥姆霍兹线圈电流，记录相应的输出电压值。切换电流换向开关（亥姆霍兹线圈
16、电流反向，磁场及输出电压也将反向），逐步调大反向电流，记录反向输出电压值。注意：电流换向后，必须按复位按键消磁。表1 HMC型各向异性磁电阻传感器磁电转换特性的测量线圈电流(mA)300250200150100500-50-100-150-200-250-300磁感应强度(高斯)6543210-1-2-3-4-5-6输出电压(V)以磁感应强度为横轴，输出电压为纵轴，将上表数据作图，并确定所用传感器的线性工作范围及灵敏度。测量磁电阻传感器的各向异性特性HMC型各向异性磁电阻传感器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，传感器测量的是所测磁场在磁敏感方向的投影。由于补偿调节
17、是在确定的磁敏感方向进行的，实验过程中应注意在改变所测磁场方向时，保持传感器方向不变。将亥姆霍兹线圈电流调节至200mA，测量所测磁场方向与磁敏感方向一致时的输出电压。松开线圈水平旋转锁紧螺钉，每次将亥姆霍兹线圈与传感器盒整体转动10度后锁紧，松开传感器水平旋转锁紧螺钉，将传感器盒向相反方向转动10度（保持传感器方向不变）后锁紧，记录输出电压数据于表2中。表2 各向异性磁电阻传感器方向特性的测量 磁感应强度4高斯夹角（度）0102030405060708090输出电压(V)以夹角为横轴，输出电压为纵轴，将上表数据作图，检验所作曲线是否符合余弦规律。3. 亥姆霍兹线圈的磁场分布测量亥姆霍兹线圈能
18、在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场，在科研及生产中得到广泛的应用。a. 亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量根据毕奥萨伐尔定律，可以计算出通电圆线圈在轴线上任意一点产生的磁感应强度矢量垂直于线圈平面，方向由右手螺旋定则确定，与线圈平面距离为X1的点的磁感应强度为：亥姆霍兹线圈是由一对彼此平行的共轴圆形线圈组成。两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈匝数为N，线圈之间的距离d正好等于圆形线圈的半径R，若以两线圈中点为坐标原点，则轴线上任意一点的磁感应强度是两线圈在该点产生的磁感应强度之和：式中B0是X0时，即亥姆霍兹线圈公共轴线中点的磁感应强度。表3列出了X取不同值时B(X)/B0值的理论计算结
19、果。调节传感器磁敏感方向与亥姆霍兹线圈轴线一致，位置调节至亥姆霍兹线圈中心（X0），测量输出电压值。已知R=140mm，将传感器盒每次沿轴线平移0.1R，记录测量数据。表3 亥姆霍兹线圈轴向磁场分布测量 B0 4高斯位置X-0.5R-0.4R-0.3R-0.2R-0.1R00.1R0.2R0.3R0.4R0.5RB(X)/B0计算值0.9460.9750.9920.9981.00011.0000.9980.9920.9750.946B(X)测量值(V)B(X)测量值(高斯)将表3数据作图，讨论亥姆霍兹线圈的轴向磁场分布特点。亥姆霍兹线圈空间磁场分布测量由毕奥萨伐尔定律，同样可以计算亥姆霍兹线圈
20、空间任意一点的磁场分布，由于亥姆霍兹线圈的轴对称性，只要计算（或测量）过轴线的平面上两维磁场分布，就可得到空间任意一点的磁场分布。理论分析表明，在X 0.2R，Y 0.2R的范围内，（BXB0）/B0小于百分之一，BY/BX小于万分之二，固可认为在亥姆霍兹线圈中部较大的区域内，磁场方向沿轴线方向，磁场大小基本不变。按表4数据改变磁电阻传感器的空间位置，记录X方向的磁场产生的电压VX，测量亥姆霍兹线圈空间磁场分布。表4亥姆霍兹线圈空间磁场分布测量 B0 4高斯 X VXY00.05R0.1R0.15R0.2R0.25R0.3R00.05R0.1R0.15R0.2R0.25R0.3R由表4数据讨论
21、亥姆霍兹线圈的空间磁场分布特点。2.5 注意事项1禁止将实验仪处于强磁场中，否则会严重影响实验结果；2为了降低实验仪间磁场的相互干扰，任意两台实验仪之间的距离应大于3米；3实验前请先调水平实验仪；4在操作所有的手动调节螺钉时应用力适度，以免滑丝；5为保证使用安全，三芯电源须可靠接地。3 磁阻效应研究总结磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁电阻效应等方法实现。所谓磁电阻效应，即物质在磁场中电阻率发生变化的现象，磁电阻传感器利用磁电阻效应制成。而其中各向异性磁电阻传感器是一种能够测量磁场大小和方向的传感器，它具有体积小, 功耗低, 灵敏度高, 抗干扰能力强, 可靠性高, 易于安装等优点, 在测量
22、弱磁场以及基于弱磁场的地磁导航、数字智能罗盘、位置测量、伪钞鉴别等方面显示出巨大的优越性, 还能用来制作高精度的转速传感器、压力传感器、角位移传感器等, 具有广阔的应用前景。目前国外已大批量生产此类型的集成磁电阻传感器, 并在工业、航天、航海、医疗仪器等多种仪器仪表方面有着广泛应用。本实验使用Honeywell公司生产的HMC型各向异性磁电阻传感器, 它能够测量低至85微高斯的磁场, 是测量弱磁场的灵敏传感器。 本实验主要研究其结构和特性并利用它对磁场进行测量。参考文献1徐海英.用Origin8.5软件处理磁阻效应实验数据J.化学工程与装备.2015(11)2丁鸣.锑化铟传感器的磁阻效应特性数
23、据的回归分析J.南京工程学院学报(自然科学版).2011(01)3马超,迟宗涛.双极性巨磁阻传感器性能测试与应用前景分析J.硅谷.2012(11)4王善祥,王中旭,胡军,欧阳勇,袁智勇,何金良.基于巨磁阻效应的高压宽频大电流传感器及其抗干扰设计J.高电压技术.2016(06)5李婵虓,余占清,曾嵘,罗兵,陈喜鹏,何金良.冲击电场作用下屏蔽体屏蔽效能实验研究J.高电压技术.2014(09)6姚陈果,吴昊,王琪,龙羿,马仪,申元.基于非接触式雷电流测量装置的新型线路分布式雷击故障定位方法J.高电压技术.2014(09)7何金良,嵇士杰,刘俊,胡军,王善祥.基于巨磁阻阻效应的电流传感器技术及在智能电
24、网中的应用前景J.电网技术.2011(05)8王蕴杰.序列分段算法在普朗克常量测定中的应用J.大学物理.2015(05)9王蕴杰.序列分段算法在磁阻效应数据处理中的应用J.计算机应用与软件.2011(01)10郭鑫.基于磁阻效应的地磁场探测研究J.电子科技大学.2015(03)16911王善祥,王中旭,胡军,欧阳勇,袁智勇,何金良.基于巨磁阻效应的高压宽频大电流传感器及其抗干扰设计J.高电压技术.2016(06)12Richard Engelkemeir,Shuhab D.Khan,Kevin Burke.Surface deformation in Houston,Texas using GPSJ.Tectonophysics.2010(1)13I.I.Alexeev,Ya.I.Feldstein.Modeling of geomagnetic field during magnetic storms and comparison with observationsJ.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics.2011(5)14