基于Analog Discovery 2的巨磁阻效應實驗系統

白洪亮，張 鵬，溫 昕，姚 志，李會杏，吳興偉，李雪春

(大連理工大學 基礎物理國家級實驗教學示范中心，遼寧 大連 116024)

巨磁阻效應是量子力學和凝聚態物理學現象，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個到幾個原子層厚)結構中被觀察到. 巨磁阻效應曾經具有重要的商業應用價值，被廣泛應用到硬盤磁頭上，又具有重要的科學意義，引導開辟了自旋電子學這一全新科學領域[1]. 巨磁阻效應的主要發現者費爾(Albert Fert)和格林貝格爾(Peter Grünberg)獲得了2007年諾貝爾物理學獎. 巨磁阻效應既涉及到自旋電子學這一前沿科學領域，應用中又與電橋、磁電信號的激發與轉換等技術緊密聯系[2]，適合作為綜合性、開放性題目引入到物理實驗教學中[3]. 口袋式儀表Analog Discovery 2具有接口豐富、性能穩定、價格實惠的優點，可以替代實驗室中常用的很多儀表[4-6]. 嘗試將Analog Discovery 2應用于巨磁阻效應實驗系統中，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豐富而強大的功能，將大量低層次的重復勞動交由計算機和軟件完成，學生將有限的時間投入到更具有創造性和探索性的工作中，提高了實驗的效率和開放性.

1 巨磁阻效應

產生巨磁阻效應的基本結構是多層膜結構，主要包括2類導電層：鐵磁層和非鐵磁層. 如圖1所示，無外磁場時，相鄰的2層鐵磁膜在反鐵磁作用下磁化方向相反(狀態1)；當外界磁場足夠強時，鐵磁膜的磁化方向與外磁場方向趨同(狀態2). 自由電子在鐵磁膜之間運動時，在狀態2遇到的阻礙作用要小于狀態1，宏觀上看巨磁阻器件呈現出低磁場高阻態、高磁場低阻態的特點. 正是巨磁阻器件的這一特點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

實際使用時，為了消除溫度等環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構. 如圖2所示，電橋由4個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個巨磁阻器件因表面覆蓋有高磁導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 等臂電橋結構的巨磁阻傳感器

設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，因所有巨磁阻器件阻值相同，VOUT=0；當外磁場不為零時，暴露于磁場的巨磁阻器件阻值減小ΔR，變為R-ΔR，則輸出端電勢差VOUT不再為0，其與ΔR的關系為

(1)

相比于ΔR，磁阻相對變化量ΔR/R更具有實際應用意義，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代模擬電路設計套件，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個數字信號接口. 軟件部分被稱為WaveForms(簡稱WFs)，可以免費在電腦上安裝使用，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數據線完成. 依靠WFs軟件，AD2可以被同時配置為包括示波器、信號發生器、直交流電源、數字信號發生器、頻譜儀和邏輯分析儀等在內的各類儀表，WFs豐富的數據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，包括模擬通道和數字通道，各接口的相關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為BNC+針形接口. 針形接口適用于靜態或者低頻信號測試，BNC適用于高頻信號或者對環境干擾非常敏感的測量任務. 2類接口支持的信號種類有所差別，針形接口同時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字信號的通道.

圖3 Analog Discovery 2的數據接口

3 基于AD2的巨磁阻效應實驗儀

設計的巨磁阻效應實驗儀包含了3個基本功能：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速，對小角位移定標和測量. 3個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，并通過導線與AD2的相關接口接通. 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，本系統中用螺線管來提供，并用AD2的交流信號接口提供勵磁電流. 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驅動螺線管可能無法使傳感器飽和，因而有時需要額外增加線性功率信號放大器對驅動信號進行放大. 系統采用了JUNTEK的DPA-698對螺線管驅動信號進行了增壓. 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，螺線管的勵磁電流和直流電機的驅動電流由交流信號供給接口W1(同時支持直流偏置信號)和接地接口↓提供. 螺線管內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，通過1+和1-接口測量定值電阻兩端的電壓VR0. 螺線管內軸線處磁場的磁感應強度最終可以通過

得出. 巨磁阻傳感器的輸出電壓VOUT由示波器接口2+和2-實時測得.

圖4 巨磁阻器件的R-B特征曲線測試接線圖

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

圖5 直流電機的轉速測量接線圖

小角位移的定標和測量功能與測轉速的功能類似，出于實現小角度的快速定標和準確測量的考慮，又做了較多的改進：用15個齒的齒輪狀磁體替代條狀磁鐵，提高轉動過程的角分辨能力；用轉速和轉角可以嚴格控制的步進電機替代直流電機，提高實驗效率，豐富實驗內容；將兩者軸連到一起，并用AD2的數字通道通過CW250驅動器(1/8細分)來控制步進電機(固有步進角1.8°)的轉動過程，實現轉動過程的自動和精細控制.

為了能讓巨磁阻傳感器在線性區間工作，在巨磁阻傳感器的另一側加入1塊條形磁鐵提供偏置磁場. 預實驗中發現條狀磁鐵、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果影響很大，為了便于觀察相關因素帶來的影響，將各主要部分的支架換成了可以三維移動的架臺，并給條狀磁鐵配備了不同材質和形狀的導磁頭. 這些設計融合了多種實驗技術和思想，使得實驗系統的科學性得到了提高，特別適合開設探索性、綜合性和研究性項目. 圖6給出了用AD2采集巨磁阻傳感器信號和控制步進電機的連線示意圖及實物.

(b)圖6 步進電機的角位移測量實物圖及接線圖

4 實驗結果

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的新通道并在示波器界面中予以顯示. 將VR0，N等參量的數值以及VOUT和VR0通道的數據代入式(2)，可以進一步得到2個新的數據通道ΔR/R和B(圖8左側)，將其引入X-Y模式顯示窗口可以得到如圖8右側所示的巨磁阻傳感器R-B特征曲線. 改變勵磁電壓的頻率，還可以進一步觀察巨磁阻傳感器在不同動態磁場中的R-B特征曲線的變化規律.

圖8 經過數學處理后的R-B特征曲線測試結果

圖9為用巨磁阻傳感器測量直流電機轉速的實驗結果. 用AD2的示波器功能可以輕松得到VOUT的周期性曲線，再用Measurement功能可以自動求出電機的轉速(頻率).

圖9 直流電機的轉速測量界面

圖10為用示波器功能測量步進電機轉動的測量界面. 由于齒輪狀磁鐵導致磁場的變化周期變為了步進電機轉動周期的1/15，如果能更加準確地確定VOUT曲線與轉動角度的關系，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(15齒)可以推出步進電機的轉速是22.86°/s，而根據步進電機的驅動脈沖頻率(100 Hz)和驅動器的細分數(1/8)可推得步進電機的轉速為22.50°/s，兩者相差1.6%，測量的準確性較為理想. 由于步進電機的轉動是步進式，每1步所用時間相同，角度固定，所以VOUT-t曲線中的時間軸標度與轉角成線性關系，1個周期對應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域作為測量區間，可以更好地降低測量不確定度.

圖10 步進電機的轉角測量界面

5 結束語

基于口袋式儀表AD2設計了巨磁阻效應實驗系統，該系統具有開放性、通用性、綜合性等特點. 利用此系統，學生可以自由靈活地開展與巨磁阻效應相關的實驗內容，了解巨磁阻這一重要的物理現象及應用，還可以借此掌握具有普遍意義的物理實驗思想、實驗技術和實驗工具，實現知識的融會貫通和相互遷移.