6.2.磁阻效应的研究

6.2磁阻效应的研究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。其中最典型的锑化铟（InSb）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的磁电阻，有着十分重要的应用价值。实验目的1．测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系。2．作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。3．通过对磁阻效应的研究，初步认识磁电阻的应用价值。实验仪器FD-MR-II型磁阻效应实验仪实验原理一定条件下，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。如图1所示，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。若将图1中a端和b端短路，则磁阻效应更明显。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用(0)表示。其中(0)为零磁场时的电阻率，设磁电阻在磁感应强度为B的磁场中电阻率为()B，则()(0)B。由于磁阻传感器电阻的相对变化率(0)RR正比于(0)，这里()(0)RRBR，因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量(0)RR来表示磁阻效应的大小。d-URbBaυIId-URbBaυIId-URbBaυII图1磁阻效应图2所示为实验电路连接原理图，用于测量磁电阻的电阻值R与磁感应强度B之间的关系。实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率(0)RR正比于磁感应强度B的平方，而在强磁场中(0)RR与磁感应强度B呈线性关系。磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦波交流磁场中，由于磁电阻相对变化量(0)RR正比于B2，则磁阻传感器的电阻值R将随角频率2ω作周期性变化。即在弱正弦波交流磁场中，磁阻传感器具有交流倍频性能。若外界交流磁场的磁感应强度B为B=B0COSωt（1）式（1）中，B0为磁感应强度的振幅，ω为角频率，t为时间。设在弱磁场中ΔR/R(0)=KB2（2）式（2）中，K为常量。由式（1）和式（2）可得R(B)=R(0)+ΔR=R(0)+R(0)×[ΔR/R(0)]=R(0)+R(0)KB02COS2ωt=R(0)+21R(0)KB02+21R(0)KB02COS2ωt（3）式（3）中，R(0)+21R(0)KB02为不随时间变化的电阻值，而21R(0)KB02cos2ωt为以角频率2ω作余弦变化的电阻值。因此，磁阻传感器的电阻值在弱正弦波交流磁场中，将产生倍频交流电阻阻值变化。图2电路连接原理图仪器简介FD-MR-II型磁阻效应实验仪正面如图3所示。图3实验仪正面板图4为该仪器连接面板示意图，FD-MR-II型磁阻效应验仪包括直流双路恒流电源、0-2V直流数字电压表、电磁铁、数字式毫特计（GaAs作探测器）、锑化铟（InSb）磁阻传感器、电阻箱、双向单刀开关及导线等组成。图4FD-MR-Ⅱ磁阻效应实验仪示意图磁阻效应测量仪器使用方法：1．直流励磁恒流源与电磁铁输入端相联，调节输入电磁铁的电流大小，改变电磁铁间隙中磁感应强度的大小。2．按图2所示将锑化铟（InSb）磁阻传感器与电阻箱串联，并与可调直流电源相接，数字电压表的一端连接磁阻传感器电阻箱公共接点，另一端与单刀双向开关的刀口处相连。3．调节通过电磁铁的电流，测量通过锑化铟磁阻传感器的电流值及磁阻器件两端的电压值，求磁阻传感器的电阻值R，求出(0)RR与B的关系。实验内容与步骤1．在锑化铟磁阻传感器电流或电压保持不变的条件下，测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。作(0)RR与B的关系曲线，并进行曲线拟合。2．如图5所示，将电磁铁的线圈引线与正弦交流低频发生器输出端相接；锑化铟磁阻传感器通以2.5mA直流电，用示波器观察磁阻传感器两端电压与电磁铁两端电压形成的李萨如图形，如图6所示，证明在弱正弦交流磁场情况下，磁阻传感器具有交流正弦倍频特性。图5观察磁阻传感器倍频效应图6李萨如图形注意事项1．实验时注意GaAs和InSb传感器工作电流应小于3mA。2．实验时确保锑化铟磁阻传感器电流或电压保持不变的条件。思考题1．什么叫做磁阻效应？如何理解霍耳传感器的磁阻效应？2．锑化铟磁阻传感器在弱磁场中电阻值与磁感应强度的关系和在强磁场中时有何不同？这两种特性有什么应用？参考文献1．《大学物理实验》.陈玉林，李传起.北京：科学出版社.2007.09.（叶有祥）