Badanie czujników pola
magnetycznego wykorzystujących
zjawisko gigantycznego magnetooporu
Uczestnicy:
Łukasz Grabowski
Barbara Latacz
Kamil Mrzygłód
Michał Papaj
Opiekunowie naukowi:
prof. dr hab. Jan Gaj
prof. dr Tomasz Giebułtowicz
Magnetoopoór
Magnetorezystancja to właściwość materiału
polegająca na zmianie jego oporu elektrycznego pod
wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.
Znane rodzaje magnetooporu:
• GMR - gigantyczna magnetorezystancja
• OMR - zwykła magnetorezystancja
• TMR - tunelowa magnetorezystancja
• CMR - kolosalna magnetorezystancja
• BMR - balistyczna magnetorezystancja
• EMR - nadzwyczajna magnetorezystancja
• AMR - anizotropowa magnetorezystancja
Odkrycie zjawiska
• zjawisko magnetooporu (OMR) jako pierwszy
odkrył William Thomson (lord Kelvin) w 1856 roku
• zjawisko GMR zostało odkryte w 1988 roku
niezależnie przez grupy badawcze Petera
Grünberga i Alberta Ferta
• za to odkrycie przyznana została Nagroda Nobla w
dziedzinie fizyki w 2007 roku
Mechanizm zjawiska GMR
• opór materiałów wielowarstwowych silnie zależy
od zewnętrznego pola magnetycznego
• źródłem GMR jest zależność rozpraszania
elektronów od ich spinu
• elektrony o danej orientacji spinu są silnie
rozpraszane w warstwie o pewnym kierunku
namagnesowania, a słabo w warstwie o
przeciwnym namagnesowaniu
Mechanizm zjawiska GMR
Mechanizm zjawiska GMR
• warstwy Fe/Cr/Fe sprzężone antyferromagnetycznie
• zewnętrzne pole powoduje zmianę konfiguracji z
antyrównoległej na równoległą
• konfiguracja równoległa powoduje zmniejszenie się
oporu, antyrównoległa stawia duży opór
Mechanizm zjawiska GMR
• zjawisko zachodzi zarówno dla prądu płynącego
prostopadle, jak i równolegle do warstw
• warunek: grubość warstw niemagnetycznych
musi być mniejsza od średniej drogi swobodnej
elektronu
• zmiany oporu w układach wielowarstwowych
mogą sięgnąć kilkudziesięciu procent
Zastosowania GMR
• głowice odczytujące w dyskach twardych
• magnetometry (pomiar indukcji pola
magnetycznego)
• czujniki położenia
• kompasy
Budowa czujnika
RG – opornik wykonany z materiału podatnego na
wpływ pola magnetycznego,
R – zwyczajny opornik o oporze 5 kΩ,
UZ – napięcie zasilające czujnik (4,75 V),
UM – napięcie zmierzone miernikiem uniwersalnym.
Kalibracja bezwzględna
Kalibracja bezwzględna
Podczas kalibracji korzystaliśmy z poniższego wzoru
uzależniajęcgo indukcję pola magnetycznego B od
natężenia prądu I w cewce:
Kalibracja bezwzględna
Wykres: Zależność napięcia na czujniku GMR od wartości
indukcji pola magnetycznego U(B).
Współczynnik regresji a=31,16±0,63, b=0,00032±0,00004.
Współczynnik korelacji r=0,994.
Badanie histerezy
Badanie histerezy
Wykres: Zależność napięcia na czujniku GMR od indukcji
pola magnetycznego U(B).
Badanie zależności kątowej
Badanie zależności kątowej
Wykres: Zależność napięcia na czujniku GMR od kąta nachylenia do
prostopadłej do linii indukcji pola magnetycznego.
Pole magnetyczne
magnesów trwałych
Zależność pola od odległości
wzdłuż osi dipola
Współczynniki dopasowanej prostej: a=-3,00±0,06, b=-6,30±0,07.
Współczynnik korelacji r=0,991.
Zależność pola od odległości
wzdłuż symetralnej osi dipola
Współczynniki dopasowanej prostej: a=-2,51±0,08, b=-6,1±0,01.
Współczynnik korelacji r=0,98.
Zależność pola od odległości wzdłuż
osi kwadrupola
Współczynniki dopasowanej prostej: a=-3,94±0,04, b=-8,47±0,12.
Współczynnik korelacji r=0,997.
Zależność pola od odległości wzdłuż
symetralnej osi kwadrupola
Współczynniki dopasowanej prostej: a=-5,18±0,02, b=-12,07±0,06.
Współczynnik korelacji r=0,999.
WNIOSKI
• zmiana napięcia na czujniku GMR zależy liniowo
od zmiany indukcji pola magnetycznego dla
większości zakresu pomiarowego czujnika,
• główny wpływ na zmianę oporu czujnika GMR ma
składowa indukcji pola magnetycznego
równoległa do płaszczyzny czujnika,
• pole magnetyczne zmienia się zgodnie z
przewidywaniami teoretycznymi dla pomiarów
wzdłuż osi magnesu, zaś przy mierzeniu pola
wzdłuż symetralnej ujawniają się odstępstwa
Download

Badanie czujników pola magnetycznego wykorzystujących zjawisko