基于Analog Discovery 2的巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

白洪亮，張 鵬，溫 昕，姚 志，李會杏，吳興偉，李雪春

(大連理工大學(xué) 基礎(chǔ)物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116024)

巨磁阻效應(yīng)是量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)現(xiàn)象，可以在磁性材料和非磁性材料相間的多層薄膜(每層只有1個(gè)到幾個(gè)原子層厚)結(jié)構(gòu)中被觀察到. 巨磁阻效應(yīng)曾經(jīng)具有重要的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值，被廣泛應(yīng)用到硬盤磁頭上，又具有重要的科學(xué)意義，引導(dǎo)開辟了自旋電子學(xué)這一全新科學(xué)領(lǐng)域[1]. 巨磁阻效應(yīng)的主要發(fā)現(xiàn)者費(fèi)爾(Albert Fert)和格林貝格爾(Peter Grünberg)獲得了2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng). 巨磁阻效應(yīng)既涉及到自旋電子學(xué)這一前沿科學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用中又與電橋、磁電信號的激發(fā)與轉(zhuǎn)換等技術(shù)緊密聯(lián)系[2]，適合作為綜合性、開放性題目引入到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[3]. 口袋式儀表Analog Discovery 2具有接口豐富、性能穩(wěn)定、價(jià)格實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn)，可以替代實(shí)驗(yàn)室中常用的很多儀表[4-6]. 嘗試將Analog Discovery 2應(yīng)用于巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，由其接管各類信號的供給、檢測以及分析工作，借助其配套控制軟件WaveForms豐富而強(qiáng)大的功能，將大量低層次的重復(fù)勞動(dòng)交由計(jì)算機(jī)和軟件完成，學(xué)生將有限的時(shí)間投入到更具有創(chuàng)造性和探索性的工作中，提高了實(shí)驗(yàn)的效率和開放性.

1 巨磁阻效應(yīng)

產(chǎn)生巨磁阻效應(yīng)的基本結(jié)構(gòu)是多層膜結(jié)構(gòu)，主要包括2類導(dǎo)電層：鐵磁層和非鐵磁層. 如圖1所示，無外磁場時(shí)，相鄰的2層鐵磁膜在反鐵磁作用下磁化方向相反(狀態(tài)1)；當(dāng)外界磁場足夠強(qiáng)時(shí)，鐵磁膜的磁化方向與外磁場方向趨同(狀態(tài)2). 自由電子在鐵磁膜之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，在狀態(tài)2遇到的阻礙作用要小于狀態(tài)1，宏觀上看巨磁阻器件呈現(xiàn)出低磁場高阻態(tài)、高磁場低阻態(tài)的特點(diǎn). 正是巨磁阻器件的這一特點(diǎn)使其成為理想的磁敏傳感器[7].

圖1 巨磁阻器件的R-B特征曲線

實(shí)際使用時(shí)，為了消除溫度等環(huán)境因素對測量的影響，提高測量精度，巨磁阻傳感器一般采用橋式結(jié)構(gòu). 如圖2所示，電橋由4個(gè)相同的巨磁阻器件組成，在無磁場情況下阻值都為R. 電橋左下和右上對角位置的2個(gè)巨磁阻器件因表面覆蓋有高磁導(dǎo)率的材料而對磁場不敏感，即使在磁場中阻值也不會變化；左上和右下對角位置的巨磁阻器件則直接暴露于磁場之中，阻值隨磁場變化而改變.

圖2 等臂電橋結(jié)構(gòu)的巨磁阻傳感器

設(shè)橋式巨磁阻傳感器輸入端VIN+和VIN-之間的電勢差為VIN，輸出端VOUT+和VOUT-之間的電勢差為VOUT，無外磁場時(shí)，因所有巨磁阻器件阻值相同，VOUT=0；當(dāng)外磁場不為零時(shí)，暴露于磁場的巨磁阻器件阻值減小ΔR，變?yōu)镽-ΔR，則輸出端電勢差VOUT不再為0，其與ΔR的關(guān)系為

(1)

相比于ΔR，磁阻相對變化量ΔR/R更具有實(shí)際應(yīng)用意義，因而是巨磁阻傳感器最為重要的參量之一. 式(1)改寫為

(2)

2 Analog Discovery 2簡介

Analog Discovery 2(簡稱AD2)是Digilent公司推出的第2代模擬電路設(shè)計(jì)套件，包括硬件和軟件2部分. 硬件部分主要包括多組模擬信號接口和16個(gè)數(shù)字信號接口. 軟件部分被稱為WaveForms(簡稱WFs)，可以免費(fèi)在電腦上安裝使用，并支持Digilent出品的其他硬件[5,8]. AD2的硬件部分還支持LabVIEW編程控制. 硬件和軟件之間的通訊通過USB數(shù)據(jù)線完成. 依靠WFs軟件，AD2可以被同時(shí)配置為包括示波器、信號發(fā)生器、直交流電源、數(shù)字信號發(fā)生器、頻譜儀和邏輯分析儀等在內(nèi)的各類儀表，WFs豐富的數(shù)據(jù)處理和支持腳本操控的功能，還可以幫助使用者完成更高層次、更多樣化的測試需要.

AD2的硬件接口(如圖3所示)非常豐富，包括模擬通道和數(shù)字通道，各接口的相關(guān)情況可以通過查閱使用手冊獲得. AD2自帶的接口是針形接口，但是可以通過適配器轉(zhuǎn)為BNC+針形接口. 針形接口適用于靜態(tài)或者低頻信號測試，BNC適用于高頻信號或者對環(huán)境干擾非常敏感的測量任務(wù). 2類接口支持的信號種類有所差別，針形接口同時(shí)支持差分信號和單端信號，BNC接口則只能支持單端信號(另一端必須接地). 考慮到本系統(tǒng)對各類通道需求比較多，信號頻率也處于低頻段，所以只采用了AD2的針形接口作為模擬和數(shù)字信號的通道.

圖3 Analog Discovery 2的數(shù)據(jù)接口

3 基于AD2的巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀

設(shè)計(jì)的巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀包含了3個(gè)基本功能：測量巨磁阻器件的R-B特征曲線，利用巨磁阻傳感器測量轉(zhuǎn)速，對小角位移定標(biāo)和測量. 3個(gè)功能所用的巨磁阻傳感器完全相同，都是NVE的AA002-02E 橋式巨磁阻傳感器. 傳感器被焊接在電路板上，并通過導(dǎo)線與AD2的相關(guān)接口接通. 巨磁阻傳感器的輸入信號和輸出信號由AD2提供和測量.

R-B特征曲線測量需要引入可變磁場，本系統(tǒng)中用螺線管來提供，并用AD2的交流信號接口提供勵(lì)磁電流. 對于不同的巨磁阻傳感器，其飽和場會有所差別，受最大輸出功率和輸出電壓限制，單純依靠AD2驅(qū)動(dòng)螺線管可能無法使傳感器飽和，因而有時(shí)需要額外增加線性功率信號放大器對驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行放大. 系統(tǒng)采用了JUNTEK的DPA-698對螺線管驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行了增壓. 圖4給出了測量巨磁阻器件R-B特征曲線接線圖. 橋式巨磁阻傳感器的直流輸入電壓VIN由直流電壓供電接口V+和V-接口提供，螺線管的勵(lì)磁電流和直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流由交流信號供給接口W1(同時(shí)支持直流偏置信號)和接地接口↓提供. 螺線管內(nèi)軸線上磁場的大小和方向用間接方法獲得. 將小阻值定值電阻R0與W1及螺線管串聯(lián)，通過1+和1-接口測量定值電阻兩端的電壓VR0. 螺線管內(nèi)軸線處磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度最終可以通過

得出. 巨磁阻傳感器的輸出電壓VOUT由示波器接口2+和2-實(shí)時(shí)測得.

圖4 巨磁阻器件的R-B特征曲線測試接線圖

測量轉(zhuǎn)速功能的連接方式與前面類似. 選用直流電機(jī)產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)，通過在電機(jī)軸上加裝條狀磁鐵，可以獲得與電機(jī)同周期變化的磁場，繼而用巨磁阻傳感器測出磁場變化得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速. 該功能的連線方式見圖5.

圖5 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量接線圖

小角位移的定標(biāo)和測量功能與測轉(zhuǎn)速的功能類似，出于實(shí)現(xiàn)小角度的快速定標(biāo)和準(zhǔn)確測量的考慮，又做了較多的改進(jìn)：用15個(gè)齒的齒輪狀磁體替代條狀磁鐵，提高轉(zhuǎn)動(dòng)過程的角分辨能力；用轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角可以嚴(yán)格控制的步進(jìn)電機(jī)替代直流電機(jī)，提高實(shí)驗(yàn)效率，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；將兩者軸連到一起，并用AD2的數(shù)字通道通過CW250驅(qū)動(dòng)器(1/8細(xì)分)來控制步進(jìn)電機(jī)(固有步進(jìn)角1.8°)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)過程的自動(dòng)和精細(xì)控制.

為了能讓巨磁阻傳感器在線性區(qū)間工作，在巨磁阻傳感器的另一側(cè)加入1塊條形磁鐵提供偏置磁場. 預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)條狀磁鐵、巨磁阻傳感器及齒輪狀磁體的相對位置及形狀對于測試結(jié)果影響很大，為了便于觀察相關(guān)因素帶來的影響，將各主要部分的支架換成了可以三維移動(dòng)的架臺，并給條狀磁鐵配備了不同材質(zhì)和形狀的導(dǎo)磁頭. 這些設(shè)計(jì)融合了多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)和思想，使得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的科學(xué)性得到了提高，特別適合開設(shè)探索性、綜合性和研究性項(xiàng)目. 圖6給出了用AD2采集巨磁阻傳感器信號和控制步進(jìn)電機(jī)的連線示意圖及實(shí)物.

(b)圖6 步進(jìn)電機(jī)的角位移測量實(shí)物圖及接線圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7給出了基于圖4的巨磁阻傳感器R-B特征曲線測試界面的截圖. 從左上到右下4個(gè)窗口分別為示波器Y-T模式窗口、X-Y模式窗口、直流電源控制窗口和交流信號控制窗口. 在X-Y模式窗口中可以看到未經(jīng)處理的VOUT-VR0曲線. 雖然與要測的R-B特征曲線有差別，但是仍然可以清楚地看出在VR0=0附近存在2個(gè)分立的峰，這正是巨磁阻傳感器的典型特征.

圖7 R-B特征曲線測量界面

利用WFs軟件示波器功能里Y通道的定制功能，可以增加基于已有通道和函數(shù)的新通道并在示波器界面中予以顯示. 將VR0，N等參量的數(shù)值以及VOUT和VR0通道的數(shù)據(jù)代入式(2)，可以進(jìn)一步得到2個(gè)新的數(shù)據(jù)通道ΔR/R和B(圖8左側(cè))，將其引入X-Y模式顯示窗口可以得到如圖8右側(cè)所示的巨磁阻傳感器R-B特征曲線. 改變勵(lì)磁電壓的頻率，還可以進(jìn)一步觀察巨磁阻傳感器在不同動(dòng)態(tài)磁場中的R-B特征曲線的變化規(guī)律.

圖8 經(jīng)過數(shù)學(xué)處理后的R-B特征曲線測試結(jié)果

圖9為用巨磁阻傳感器測量直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 用AD2的示波器功能可以輕松得到VOUT的周期性曲線，再用Measurement功能可以自動(dòng)求出電機(jī)的轉(zhuǎn)速(頻率).

圖9 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量界面

圖10為用示波器功能測量步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的測量界面. 由于齒輪狀磁鐵導(dǎo)致磁場的變化周期變?yōu)榱瞬竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)周期的1/15，如果能更加準(zhǔn)確地確定VOUT曲線與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系，則可以用巨磁阻傳感器測量小角位移. 由圖10中曲線周期及齒狀磁鐵齒數(shù)(15齒)可以推出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是22.86°/s，而根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖頻率(100 Hz)和驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)(1/8)可推得步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為22.50°/s，兩者相差1.6%，測量的準(zhǔn)確性較為理想. 由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是步進(jìn)式，每1步所用時(shí)間相同，角度固定，所以VOUT-t曲線中的時(shí)間軸標(biāo)度與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，1個(gè)周期對應(yīng)24°. 若僅測量小角位移，可以選取VOUT-t曲線中平均位置附近近似線性變化的區(qū)域作為測量區(qū)間，可以更好地降低測量不確定度.

圖10 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角測量界面

5 結(jié)束語

基于口袋式儀表AD2設(shè)計(jì)了巨磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開放性、通用性、綜合性等特點(diǎn). 利用此系統(tǒng)，學(xué)生可以自由靈活地開展與巨磁阻效應(yīng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，了解巨磁阻這一重要的物理現(xiàn)象及應(yīng)用，還可以借此掌握具有普遍意義的物理實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)工具，實(shí)現(xiàn)知識的融會貫通和相互遷移.