用巨磁电阻式位置传感器测量材料的杨氏模量

　　0　引　言

　　法国的阿贝尔·费尔和德国的彼得·格林贝尔因发明了巨磁电阻(GMR)技术而受到广泛好评,并获得了2007年的诺贝尔物理学奖。诺贝尔委员会在颁奖会上提到:“巨磁电阻效应的故事是一个极好的例子,它展示了一个令人完全预料不到的科学发现是如何带来全新的技术和商业产品的”。巨磁电阻效应指的是非常微小的磁性变化就能导致巨大电阻的变化的特殊效应[1]。巨磁电阻效应深刻影响着日常生活,同样,将巨磁电阻引入大学基础物理设计性实验中,将有助于给物理实验增加新的教学内容。本文介绍了用巨磁电阻式传感器的原理和使用方法,精确测量了材料的杨氏模量,可供设计性物理实验参考。

　　1　原　理

　　1.1　磁电阻和巨磁电阻的基本性质

　　磁电阻MR指的是外磁场导致的电阻的变化,通常定义为一个无量纲的比值:MR=[R(B)-R(0)] /R(0),其中,R(B)和R(0)分别是有外加磁场B和零磁场(B=0)情形下的电阻。巨磁电阻与正常磁电阻(各项异性磁电阻)在结构上和工作原理上的区别:

　　1)普通(非磁)金属的磁电阻(正常磁电阻):基本特征是正的磁电阻(MR>0),磁电阻相对变化率很小(MR<0.1% ),各向异性。而各向异性磁电阻特征是磁电阻的大小依赖外磁场和外电场(电流方向)的夹角,且横向磁电阻(外磁场垂直于外电场)通常大于纵向磁电阻(外磁场平行于外电场),磁电阻相对变化率最大可达0.5%。

　　2)由各层间铁磁质磁矩与耦合的多层膜组成的巨磁电阻:巨磁电阻的特征与金属磁电阻的特征恰恰相反。其特征是:负的磁电阻(MR<0),磁电阻相对变化率很大(MR>10% ),各项同性,各项同性指的是磁电阻的大小与外磁场的方向无关。由于巨磁电阻的变化大,灵敏度高,所以,应用广泛。

　　1.2　AA002型巨磁电阻式传感器原理

　　AA002型巨磁电阻式传感器的结构如图1所示。它由4只完全相同的巨磁电阻组成。在零磁场(B=0)情形下,这4只电阻的阻值都是RG(0),在有外加磁场B时,由于电阻R₁和R₂被强磁金属膜覆盖屏蔽,其电阻值仍然为R_c(0),电阻R₃和R₄将变为R_c(B)=R_c(0)-ΔR(B)。在图1的电桥中,d和h接线端加上直流电压,在零磁场(B=0)情形下,a和e接线端的输出电压U_out=0;在有外加磁场B时,由于各个电阻值有相应的变化,a和e接线端的输出电压U_out≠0,而且,外加磁场B不同,U_out(B)也随之不同,即U_out(B)是外加磁场B的函数。如果磁源一定,磁源周围的环境一定,那么,这磁源周围的磁场的大小就是位置的单值函数,即只要位置确定,磁场的大小就确定;因此,如果将AA002型巨磁电阻式传感器安放在磁源附近的某一位置X处,X处的磁感应强度小于巨磁电阻饱和磁感应强度,a和e端的输出电压U_out(B)将是位置的函数,即U_out(X)。