用自旋阀巨磁电阻传感器测量地磁场

测量地磁场

第31卷　第4期2009年8月

武汉理工大学学报 信息与管理工程版JOURNALOFWUT(INFORMATION&MANAGEMENTENGINEERING)

Vol.31No.4

Aug.2009

文章编号:1007-144X(2009)04-0584-03文献标志码:A

用自旋阀巨磁电阻传感器测量地磁场

康伟芳,杨　溢

1

2

(1.东北电力大学理学院,吉林吉林132012;2.上海复旦天欣科教仪器有限公司,上海200433)

摘　要:介绍了自旋阀巨磁电阻传感器的结构和工作原理,研究了该传感器的特性,并用它准确测量了地磁场的主要参量。由于自旋阀受强磁场干扰能很快恢复其灵敏度,且灵敏度较高,因此,其适合作为弱磁场测量升级替换产品。

关键词:巨磁电阻;自旋阀;地磁场水平分量;磁倾角中图分类号:O472.6

DOI:.3963-..04.018

20世纪80现,20,生活,从MP3、数码照相机到笔记本电脑等,都得益于巨磁电阻在存储和读出功能方面的技术突破,且其体积比原存储器大大缩小,便于携带。

与此同时,利用巨磁电阻效应的传感器件不断地被研制成功,其中主要有多层膜磁电阻和自旋阀磁电阻两种,多层膜巨磁电阻的结构比自旋阀的结构简单,但在极弱磁场作用时,自旋阀线性度比多层膜巨磁电阻好。因此,笔者采用自旋阀测量地磁场的基本参数,用亥姆霍兹线圈标准磁场对自旋阀特性进行测量,并在已知传感器灵敏度的情况下,测量地磁场水平分量、垂直分量和磁倾角。该实验可用于研制新型电子罗盘、地磁场测量仪的参考,也可用于基础物理实验。

,散射的几率取决于导s的相对取向,即自旋方向与磁矩方向一致的电子受到散射作用的强弱直接影响到材料电阻的大小。根据二流体模型,传导电子可分为自旋向上和自旋向下两种,由于多层膜中非磁层对两组自旋状态不同的传导电子的影响是相同的,因此,只考虑磁层的影响。图1为无外加磁场时(地磁场除外)电子的运动状态。在图1中,白色层为铁磁膜,黑色层为非铁磁膜。此时,多层膜中同一磁层中原子的磁矩沿同一方向排列,而相邻磁层的磁矩反方向平行排列。通常传导电子分为自旋向左和自旋向右两部分,但无论哪部分传导电子,在穿过磁矩取向与其自旋方向相同的磁层后都会遇到另一个与自旋方向相反的磁矩磁层,在宏观上表现为多层膜处于高电阻状态。图2为加足够大外磁场时,各磁层磁矩取向变成与外磁场一致时的情况。此时,自旋方向与磁矩取向相同的那一半电子只受到微弱散射顺利通过磁层,可理解为这部分电子处于低电阻通导,而整个多层膜电阻为低电阻和高电阻并联,宏观上为多层膜处于低阻状态。1.2　自旋阀巨磁电阻

图3为自旋阀巨磁电阻(简称自旋阀)的结构示意图。自旋阀由铁磁层(自由层)、隔离层(非铁磁层)、铁磁层(钉扎层)和反铁磁层组成,其中,AF为反铁磁层(人工合成材料),F为铁磁

[1-6]

1　原理

1.1　磁性多层膜巨磁电阻

巨磁电阻是一种层状结构,由厚度为几个纳米的铁磁金属层和非磁性金属层交替而成,相邻铁磁金属层的磁矩方向相反,这种多层膜的电阻受到外加磁场影响。巨磁阻效应可以由二流体模型来解释。在铁磁金属中,导电的s电子要受到

收稿日期:2009-03-20.

作者简介:康伟芳(1955-),女,吉林吉林人,东北电力大学理学院副教授.

测量地磁场

第31卷　第4期康伟芳,等:用自旋阀巨磁电阻传感器测量地磁场

585

图5　层,NM为非磁性层(如Cu等)。

在制作自旋阀时,反铁磁层(基板上加一偏置磁场)称钉扎层,(层)自由层),当外界,两磁性层磁矩反平行排列,自旋阀电阻大。自旋阀阻值的大小取决于自由层磁矩是否反转,故称这类巨磁电阻为自旋阀。在实际设计自旋阀时,为实现极弱磁场磁电阻效应线性化及敏感性,一般使被钉扎层的磁矩与自由层易轴垂直,以减小磁滞,从而达到极弱磁

[7-8]

场时磁电阻效应线性化。

H6所示,

,当T2脚和T3,3脚接直流数字电压表时,,而另一个MR1和MR2中一个阻值变大,另一个阻值变小,当有一个微弱磁场同时作用于MR1和MR2时,在T1和T2端出现的信号,其磁敏特性如图7

所示。

2　实验仪器和材料

实验仪器如图4所示,包括:①亥姆霍兹线圈及配套直流电源;②HMSS502B型自旋阀巨磁电阻;③带刻度盘的转盘,如图5所示,该转盘可水平放置,也可垂直放置,转盘下的底座有水平调节螺丝;④直流数字电压表;⑤水准仪

。

3　实验内容和实验方法

(1)自旋阀传感器定标。将HMSS502B传感

图4　

实验仪器示意图

器水平放置在亥姆霍兹线圈轴线中央,并使其敏感

轴与轴线重合或平行。逐步增加亥姆霍兹线圈中的直流电流,记录传感器输出电压与线圈中电流值

[9]

的关系。传感器所在位置的磁感应强度为:

测量地磁场

586

B=

武汉理工大学学报 信息与管理工程版2009年8月

μNI3/2R5

(1)

表2　磁倾角β值的测量

磁倾角电压输出磁倾角电压输出磁倾角电压输出

β/(°)))U/mVβ/(°U/mVβ/(°U/mV

43.043.544.044.545.0

1.93351.93351.93351.93351.9336

45.546.046.547.047.5

1.93361.93361.93361.93361.9336

48.048.549.049.550.0

1.93361.93361.93361.93351.9335

式中,N为线圈匝数;I为电流经线圈的电流值;R

为亥姆霍兹线圈的平均半径;μ0为真空磁导率。

在传感器线性输出范围内,传感器的输出端满足下列关系:

Vout=S B+V0

(2)

式中,Vout为传感器输出电压;S为传感器的灵敏度;B为磁感应强度;V0为亥姆霍兹线圈中电流为零时,传感器的初始读数。由实验数据计算传感器的灵敏度S和V0值。

(2)地磁场水平分量测量。把传感器固定在

　注:磁倾角β=47.0°,Umax=1.9336mV。

0.0276mT,β=46.5°。可以发现,两组数据结果

较为相近,测量地磁场水平分量的误差为1.0%

左右。这说明自旋阀巨磁电阻传感器替代坡莫合。

转盘上,调整转盘至水平,旋转该转盘,读取电压的最大值,测量5次,再读取电压最小值,测量5次,求最大值的平均值V1和最小值的平均值V2,最后求得地磁场水平分量V∥=(V1+V2)/2(3)测量磁倾角β,,底板水平,,小输出值,5次,求平均值,计算出地磁场的磁感应强度。同时,记录地磁场水平分量和总的地磁场方向间的夹角β(磁倾角)。

5、灵敏度,与现在广泛使用的坡莫合金磁电阻相比,不仅灵敏度高(原HMC1001磁阻传感器在5V工作电压时,灵敏度仅为45.0mV/mT),而且受强磁场作用后,一旦磁场减弱,可立即恢复器件原有功能,这是坡莫合金磁电阻所不及的。在弱磁场测量方面,巨磁电阻替换原有磁敏器件将是必然趋势。参考文献:

[1]　郭皓,范剑淼,刘之景.20世纪物理学的奇葩:磁电

4　实验结果

首先对传感器进行定标,测量数据如表1所示。

表1　传感器的定标测量数据

励磁电流

I/mA

20.040.060.080.0100.0120.0

磁感应强度B/mT

0.026960.053920.080880.107850.134810.16177

加大磁场U1/V

1.93271.93511.93601.93871.94021.9412

减小磁场U2/V平均U/V

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[3]　张欣,陆申龙,时晨.巨磁电阻效应及应用设计性物

1.93241.93261.93421.93471.93591.93601.93801.93841.93941.93981.94121.9412

-2

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通过直线线性拟合得U=6.4748×10B+1.9310,相关系数r=0.996,该自旋阀器件在5V

31.

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[8]　钱政.巨磁电阻效应的研究与应用[J].传感技术学

工作电压下的灵敏度为64.75mV/mT。直接测量地磁场水平分量U∥=1.9328V,由定标时得出的直线拟合公式计算可得水平分量B∥=0.0278mT。

报,2003,12(4):516-520.

[9]　黄一菲,郑神,吴亮,等.坡莫合金磁阻传感器的特

定标结束后,测得地磁场的磁倾角如表2所示。由于测量点为全钢筋水泥结构,地磁场必定会受其影响,因此采用HMC1001坡莫合金磁电阻微电路芯片作传感器,在该处的测量结果为B∥=

性研究和应用[J].物理实验,2002,22(4):45-48.

(下转第601页)

测量地磁场

第31卷　第4期车　勇:轮胎转鼓试验机转速自适应测量方法研究

601

有频率响应快、抗干扰能力强等特点。该系统转速检测范围为0～5000r/min,精度误差可控制在0.5%以内。在检测轮胎转鼓设备的旋转元件转速的基础上,对系统作适当改进,可实现其他旋转类设备的速度检测与里程测试,具有较好的实际应用前景。参考文献:

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ResearchoningMRotationalSpeedforTireDrumTester

CHEYong

Abstract:Twosmeasurementmethodsbasedonpulsesignalofthephotoelectricencoderwereintroducedandtheprecisionofmulti-periodmethodwasanalyzed.Onthisbasis,anadaptivemethodsuitableforthewholespeedrangewithhigherprecisionwaspresented.ThestructureofrotationalspeedmeasuringsystemwasdesignedbasedonMSP430F149microprocessor.Thehard2waresystemandthesoftwareimplementationofadaptivemethodwereexpounded.Theadaptivemeasuringmethodofrotationalspeedfortiredrumwasimplemented.

Keywords:rotationalspeedmeasurement;adaptivemethod;photoelectricencoder;tire;drumtesterCHEYong:Lect.;SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WUT,Wuhan430070,China.

[编辑:周廷美]

(上接第586页)

GeomagneticFieldMeasurementswithSpin-valveGiantMagnetoresistanceSensor

KANGWeifang,YANGYi

Abstract:Thestructureandworkingprincipleofthespin-valvegiantmagnetoresistancesensorwereintroduced..Thecharacter2isticsofthesensorwerestudiedtoaccuratelymeasurethemagneticfieldofthemainparameters.Interferedwithstrongmagneticfields,thespinvalvesarequicktorestoreitshighsensitivity,whichissuitableformeasuringweakmagneticfieldupgradetore2placetheproduct.

Keywords:giantmagnetoresistance;spinvalve;levelofgeomagneticfieldcomponents;magneticinclinationKANGWeifang:Assoc.Prof.;SchoolofScience,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China.

[编辑:周廷美]

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zq84.html