磁各向异性
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第17卷 第10期光 学 学 报V ol.17,No.10 1997年10月ACT A O PT ICA SIN IC A O ctober,1997磁光效应的各向异性和非线性特性刘公强 梁 波(上海交通大学应用物理系,上海200030)卫邦达(上海工程技术大学基础部,上海200335)摘 要 应用经典电磁场理论和(间接)交换作用有效场概念,推导了顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性介质中的磁光效应及其温度特性。
理论分析表明,法拉第磁光效应具有各向异性特性;法拉第旋转不仅与顺磁性和铁磁性介质中的磁化强度M或反铁磁性和亚铁磁性介质中的次晶格磁化强度M i的线性项有关,而且还应与M或M i的高次项有关。
(间接)交换作用是导致磁光效应、磁光效应各向异性以及它们的复杂温度特性的重要原因。
理论较为圆满地解释了实验结果。
关键词 磁光各向异性, 法拉第旋转, 交换作用, 经典理论。
1 引 言随着磁光测量技术不断提高和新型磁光材料的大量涌现,一些新的磁光性质被相继发现。
80年代以来,在一些顺磁性、铁磁性和亚铁磁性介质中发现了磁光效应的各向异性[1]和非线性现象[2]。
迄今为止,磁光经典理论还无法解释这些新的磁光性质。
众所周知,在顺磁性、铁磁性和亚铁磁性介质中存在着(间接)交换作用。
作者认为,这种电子间的电相互作用对磁光效应有着极为重要的贡献。
基于这一点,应用经典和量子理论较为成功地解释了上述各种磁性介质中的磁光效应及其复杂温度特性[3~5]。
本文将应用经典场论和(间接)交换作用有效场概念,进一步解释各种介质中磁光效应的各向异性和非线性性质。
计算表明,(间接)交换作用亦是导致这些磁光性质的重要因素。
2 磁光效应的基本关系式在弱磁性介质中,电子运动方程为m r=-m k20r+e(E+P/3ε0)-ζr+e_0H i r×h(1)等式右边第一项为正电中心对电子的作用力,k0为电子运动的固有频率,第二项为介质中电子受区域电场的作用力。
施加偏场H
,畴壁移动
b
施加面内场H,磁畴转动
磁化方向垂直于原子排成的直线,邻近原子的电子运动区
偏光显微镜
偏光
显微镜
直流稳压
直流偏场
电磁铁
直流偏磁场H b =0b 升高至磁畴全部消失
直流偏磁场H 升高降低至0,回到迷宫畴
面内场H=0
面内场H升高
升高至磁畴全部消失
降低至0,黑白泡畴共存
升高至磁畴全部消失面内场H=0
面内场H升高
降低至0,平行条畴
in
偏光显微镜
切泡场H
B
=(H
N
-0.32)kA/m
= (H
N -0.02)A
直流偏磁
b 直流偏磁
b
直流偏磁场H
b
升高至饱和磁化
不是形核
形核场
畴形
直流偏磁场H=H
直流偏磁场H升高成泡场,成泡直径
外切内切
用测微目镜测量磁泡直径时,目镜中的数字读百位,鼓轮上的刻度读十位和个位。
华中科技大学硕士学位论文用于地磁测量的各向异性磁阻传感器研究姓名:王帅英申请学位级别:硕士专业:微电子学与固体电子学指导教师:杨晓非20080530华中科技大学硕士学位论文摘要地球磁场作为地球的基本资源之一,与人类生活、生产息息相关,它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等方面都有着重要的应用。
鉴于地磁场的重要应用价值,人们对地磁场的测量提出了更高的要求和希望。
选择或者设计一种符合地磁测量要求的弱磁传感器是问题的关键。
由于各向异性磁阻传感器具有高灵敏度、高可靠性、良好线性性、低功耗、易于微型化等优点,因而改进或者优化各向异性磁阻传感器的性能使其满足地磁测量的要求具有一定的现实意义。
本文以各向异性磁阻传感器(AMR sensor)作为研究对象,结合地磁测量的相关要求,对各向异性磁阻效应原理以及各向异性磁阻传感器的薄膜制备、器件结构设计、器件制备工艺等方面的内容进行了研究和探讨,主要内容包括以下几个方面:首先,在分析了各向异性磁阻效应原理的基础上,综述了各向异性磁阻材料的研究现状,并结合地磁场的特点,讨论了各向异性磁阻传感器的特性参数以及用于地磁测量的优势和挑战。
其次,在传感器材料方面,本文采用磁控溅射的方法制备了AMR薄膜,分别对膜层结构、薄膜厚度、退火温度等因素进行了研究。
利用NiFeCr或Al2O3作为辅助种子层、退火工艺对薄膜性能进行了优化,分析并讨论了材料本身和工艺方面对实验结果的影响。
实验制备出磁阻曲线光滑且峰值明显的磁阻材料,最大磁阻系数为1.5%。
最后,在器件结构方面,本文分别对惠斯通电桥、barber 电极、置位/复位电流带和偏置电流带等结构的设计思路进行了研究和探讨,然后利用L-edit设计了磁阻单元、惠斯通电桥和置位/复位电流带的掩膜版,讨论并梳理了器件制备的工艺流程。
关键词:地磁场各向异性磁阻传感器坡莫合金(Ni83Fe17)89Cr11 Al2O3华中科技大学硕士学位论文AbstractAs one of the important earth resources, the geomagnetic field is closely linked with the modern production and life. It is needed for many aspects such as the geosciences, aeronautics, astronautics, resource probing, transportation, national defense construction, earthquake prediction and so forth. However all the above mentioned are based on weak magnetic sensors to detect the geomagnetic field which changes with time and space. The anisotropic magnetoresistive sensor (AMR sensor) has the merits of high sensitivity, high reliability, good linearity, low power consumption, easy miniaturization and so on. Therefore, it is very important to improve or optimize the performances of the AMR sensor to satisfy the requirements of geomagnetic measurement. In regard to the requirements to detect the geomagnetic field, the principles, the material and the structures of the anisotropic magnetoresistive sensors were studied in the thesis. The main contents are as follows:Firstly, with the principle of the anisotropic magnetoresistance effect, current research progress of the anisotropic magnetoresistance material was introduced. Then based on the characteristics of geomagnetic field, the pros and cons of the application of AMR sensors in the geomagnetic field measurement were discussed.Secondly, the anisotropic magnetoresistance films (Permalloy films) were prepared with magnetron sputtering method. And their structure, thickness and annealing temperature were studied. The Permalloy films were optimized with NiFeCr or Al2O3 as assisted seed layers and annealing technique. Measurement showed that the magnetoresistance curve of the material was quite smooth, and obvious peaks were found. The best magnetoresistance coefficient (R/ R) of the material reached a maximum of 1.5%.In the last chapter, the structure of the AMR sensor, including the wheatstone bridge, barber pole and current strap was investigated, and the lithography masks were designed with L-edit, also the process for the devices preparation and lithography process were stated.Keywords: Geomagnetic field Anisotropic magnetoresistive sensorPermalloy film (Ni83Fe17)89Cr11Al2O3独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
电磁辐射场各向异性的判定
电磁辐射场各向异性是指电磁辐射场分布存在垂直于波面的各种变化规律的散射特性。
它的存在可以帮助我们判断电磁波的方向,也可以进一步分析电磁辐射场的各种形态状况。
电磁辐射场的各向异性判定一般有三种方法:单点测量法、场数据测量法和场数据旋转法。
单点测量法是在任意方向上以固定步距(步长)测量电磁波的分布,根据测试结果映射成图形,在垂直于波面变化规律中判断是否存在各向异性。
场数据测量法是以某一特定方向为准点,测量电磁波分布在每个方向的数据,将测量的数据信号的变化情况做成柱状图,从中看出是否存在各向异性。
场数据旋转法是将在某一特定方向收集的各向异性电磁波的
相位关系,通过运算和计算,求出改变波源的实际方向和虚部,从而得出电磁辐射场是否
存在各向异性的判断结果。
每种判断方法都有它自身优势和弱点,如单点测量法准确性不如场数据测量法和场数据旋转法,但对于复杂电磁场的分析和调试,单点测量法仍有很大用处,可以给出大致的各向异性信息,作为后续深入分析和调试的参考。
场数据测量法比较简便,可以更好地发现并
分析电磁波的各向异性,可以提供准确的结果,但需要测量的数据更多,较为复杂;而场
数据旋转法最根本精确,无需测量数据,但比较耗时间。
因此,判断电磁辐射场是否存在各向异性不仅要看选择什么判断方法,还要看现场测量条件、环境噪声及采样数据精确度等因素的影响。
如果想要准确判断电磁辐射场的各向异性,还需要对现场环境因素、测量场地大小、波源形状等进行详细考虑和深入分析。
图5-10-1磁阻电桥实验5-10 各向异性磁阻传感器与磁场测量物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应,磁阻传感器利用磁阻效应制成。
磁场的测量可利用电磁感应,霍耳效应,磁阻效应等各种效应。
其中磁阻效应法发展最快,测量灵敏度最高。
磁阻传感器可用于直接测量磁场,如弱磁场测量,地磁场测量,各种导航系统中的罗盘,计算机中的磁盘驱动器,各种磁卡机等等。
磁阻传感器也可通过磁场变化测量其它物理量,如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器,各种接近开关,隔离开关,广泛用于汽车,家电及各类需要自动检测与控制的领域。
磁阻元件的发展经历了半导体磁阻(MR ),各向异性磁阻(AMR ),巨磁阻(GMR ),庞磁阻(CMR )等阶段。
本实验研究AMR 的特性并利用它对磁场进行测量。
【实验目的】1. 了解AMR 的原理并对其特性进行实验研究。
2. 测量赫姆霍兹线圈的磁场分布。
3. 测量地磁场。
【实验原理】各向异性磁阻传感器AMR (Anisotropic Magneto-Resistive sensors )由沉积在硅片上的坡莫合金(Ni80 Fe20)薄膜形成电阻。
沉积时外加磁场,形成易磁化轴方向。
易磁化轴是指各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向,也就是无外界磁干扰时磁畴整齐排列方向。
铁磁材料的电阻与电流和磁化方向的夹角有关,电流与磁化方向平行时电阻R max 最大,电流与磁化方向垂直时电阻R min 最小,电流与磁化方向成θ角时,电阻可表示为:R = R min +(R max -R min )cos2θ (5-10-1)在磁阻传感器中,为了消除温度等外界因素对输出的影响,由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥,结构如图5-10-1所示。
图5-10-1中,易磁化轴方向与电流方向的夹角为45度。
理论分析与实践表明,采用45度偏置磁场,当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场,且外磁场强度不太大时,电桥输出与外加磁场强度成线性关系。
.实验5-10 各向异性磁阻传感器与磁场测量物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应,磁阻传感器利用磁阻效应制成。
磁场的测量可利用电磁感应,霍耳效应,磁阻效应等各种效应。
其中磁阻效应法发展最快,测量灵敏度最高。
磁阻传感器可用于直接测量磁场,如弱磁场测量,地磁场测量,各种导航系统中的罗盘,计算机中的磁盘驱动器,各种磁卡机等等。
磁阻传感器也可通过磁场变化测量其它物理量,如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器,各种接近开关,隔离开关,广泛用于汽车,家电及各类需要自动检测与控制的领域。
MRAMRGMR),)),各向异性磁阻(,巨磁阻(磁阻元件的发展经历了半导体磁阻(CMRAMR 的特性并利用它对磁场进行测量。
庞磁阻()等阶段。
本实验研究【实验目的】1AMR 的原理并对其特性进行实验研究。
.了解2 测量赫姆霍兹线圈的磁场分布。
.3 测量地磁场。
.【实验原理】AMRAnisotropic (传感器各向异性磁阻Magneto-Resistive sensors)由沉积在硅片上的坡莫合Ni80 Fe20)薄膜形成电阻。
沉积时外加磁场,金(形成易磁化轴方向。
易磁化轴是指各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向,也就是无外界磁干扰时磁畴整齐排列方向。
铁磁材料的电阻与电流和磁化方向的夹角有R最大,电流与关,电流与磁化方向平行时电阻max Rθ电流与磁化方向成磁化方向垂直时电阻最小,min角时,电阻可表示为:-R)cos2θR = R(R5-10-1 )(+minminmax 在磁阻传感器中,为了消除温度等外界因素对图5-10-1磁阻电桥4个相同的磁阻元件构成惠斯通电输出的影响,由5-10-15-10-1电桥,结构如图中,易磁化轴方向与所示。
图4545当沿与易磁化轴垂直的度偏置磁场,采用理论分析与实践表明,度。
流方向的夹角为方向施加外磁场,且外磁场强度不太大时,电桥输出与外加磁场强度成线性关系。
电桥的无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平行时,磁化方向即易磁化轴方向,29-14所示方向的磁场时,合个桥臂电阻阻值相同,输出为零。
研究性实验报告——各向异性磁阻传感器与磁场测量基础物理学研究性实验报告题目:各向异性磁阻传感器(AMR)与地磁场测量第一作者:11111111第二作者:22222222学院:航空科学与工程学院专业:飞行器设计与工程班级:1105192013年5月14日目录摘要........................................................................................................................ . (1)关键词........................................................................................................................ (1)一、实验要求 (1)二、实验原三、实验仪器介绍 (2)四、实验内容 (4)1、测量前的准备工作 (4)2、磁阻传感器特性测量 (5)3、测量磁阻传感器的各向异性特性 (6)4、赫姆霍兹线圈的磁场分布测量 (7)5、地磁场测量 (10)五、思考题 (10)六、误差分析 (11)七、AMR传感器的应用举例 (11)八、实验感参考文献 (12)附录——原始实验数据(影印版) (13)北京航空航天大学研究性实验报告各向异性磁阻传感器与磁场测量摘要:物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应,磁阻传感器利用磁阻效应制成。
磁阻传感器可用于直接测量磁场或磁场变化,如弱磁场测量。
也可通过磁场变化测量其它物理量,如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器,广泛用于各类需要自动检测与控制的领域。
磁阻元件的发展经历了半导体磁阻(MR),各向异性磁阻(AMR),巨磁阻(GMR),庞磁阻(CMR)等阶段。
本实验研究AMR的特性并利用它对磁场进行测量。
关键词:AMR,磁阻效应,电磁转换,磁场测量一、实验要求1.熟悉和了解AMR的原理2.测量磁阻传感器的磁电转换特性和各向异性特性3.测量赫姆霍兹线圈的磁场分布4.测量地磁场磁场强度,磁倾角,磁偏角二、实验原理各向异性磁阻传感器AMR(AnisotropicMagneto-Resistive sensors)由沉积在硅片上的坡莫合金(Ni80 Fe20)薄膜形成电阻。
各向异性磁电阻、巨磁电阻测量侯建强(南京大学匡亚明学院理科强化部2010级,学号:101242015)1.引言一般所谓磁电阻是指在一定磁场下材料电阻率改变的现象。
通常将磁场引起的电阻率变化写成)0()(ρρρ-=∆H ,其中)(H ρ和)0(ρ分别表示在磁场H中和无磁场时的电阻率。
磁电阻的大小常表示为:其中ρ可以是)0(ρ或)(H ρ。
绝大多数非磁性导体的MR 很小,约为10-5%,磁性导体的MR 最大约为3%~5%,且电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关,即具有各向异性,称之为各向异性磁电阻(Anisotropy magnetoresistance ,简记为AMR )。
1988年,在分子束外延制备的Fe/Cr 多层膜中发现MR 可达50%。
并且在薄膜平面上,磁电阻是各向同性的。
人们把这称之为巨磁电阻(giant magnetoresesistance , 简记为GMR ),90年代,人们又在Fe/Cu 、Fe/Al 、Fe/Ag 、Fe/Au 、Co/Cu 、Co/Ag 和Co/Au 等纳米多层膜中观察到了显著的巨磁电阻效应。
1992年人们又发现在非互溶合金(如Fe 、Co 与Cu 、Ag 、Au 等在平衡态不能形成合金)颗粒膜如Co-Ag 、Co-Cu 中存在巨磁电阻效应,在液氮温度可达55%,室温可达到20%,并且有各向同性的特点。
1994年,人们又发现Fe/Al2O3/Fe 隧道结在4.2K 的MR 为30%,室温达18%,见图12.1-2。
之后在其他一些铁磁层/非铁磁层/铁磁层隧道结中亦观察到了大的磁电阻效应,人们将此称为隧道结磁电阻(Tunneling magnetoresistance 简记为TMR )。
20世纪90年代后期,人们在掺碱土金属稀土锰氧化物中发现MR 可达103%~106%,称之为庞磁电阻(Colossal magnetoresistance ,简记为CMR )。