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锑化铟磁电阻传感器的特性测量

实验采用FD-MR-II型磁阻效应实验仪,它包括直流双路恒流电源、直流数字电压表、电磁铁、砷化镓(GaAs)霍耳传感器、锑化铟(InSb)磁阻传感器、单刀双向开关及导线等组成。

新型锑化铟磁阻传感器是一种灵敏度相当高,且抗干扰能力极强的磁敏器件,是一种常用磁阻传感器。磁阻器件的种类很多,它可分为正常磁电阻、各向异性磁电阻、特大磁电阻、巨磁电阻和隧道磁电阻等,其中正常磁电阻应用十分广泛。如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检测、仪器仪表、医疗器件、探矿等。典型的正常磁电阻传感器有锑化铟(InSb)传感器、玻莫合金薄膜磁阻传感器等。

  • 目标:
    1. 构建知识:磁阻效应、磁阻效应大小、霍尔传感器;
    2. 实验设计:通过测量待测元件的电压、电流研究半导体材料的霍尔效应和磁阻效应
    3. 物理建模:磁、电二者间的相互转换、相互影响
    4. 实验技巧(仪器):磁阻效应实验仪;
    5. 实验技能:掌握粗测到细测的实验思路,学会使用“二分法”确定测量区间;基本电路连接,绘图、计算机数据拟合;简单电路排查。

一定条件下,导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化而变化的现象称为磁阻效应。当半导体处于磁场中时,它的载流子将受洛仑兹力的作用,发生偏转,在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消,那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转,因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少,电阻增大,表现出横向磁阻效应。如果将图1中a端和b端短路,磁阻效应更明显。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小,即用Δρ/ρ(0)表示,其中ρ(0)为零磁场时的电阻率,Δρ=ρ(B)-ρ(0)。由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/R(0)正比于Δρ/ρ(0),这里ΔR=R(B)-R(0)。因此,也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量ΔR/R(0)来表示磁阻效应的大小。

实验证明,当金属或半导体处于较弱磁场中时,一般磁阻传感器电阻相对变化率ΔR/R(0)正比于磁感应强度B的二次方,而在强磁场中ΔR/R(0)与磁感应强度B呈线性函数关系。 磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。

如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦波交流磁场中,由于磁电阻相对变化量ΔR/R(0)正比于B2,那么磁阻传感器的电阻R将以角频率2ω作周期性变化。这就是磁阻传感器在低频弱正弦交流磁场中对电磁信号的倍频效应。

在流过锑化铟磁阻传感器电流保持不变的条件下,测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。由于锑化铟磁阻传感器电阻随磁感应强度的变化在小磁场区(一般小于60mT)和较大磁场区不同,请根据具体情况设计实验方案。作ΔR/R(0)与B的关系曲线,并分段进行曲线或直线拟合。 测量方法:

  • 实验过程中需采用粗测的方法先确定恒流源的变化范围,电压表的测量范围,以及线圈多能提供的最大磁感应强度;
  • 利用“二分法”确定出非线性区和线性区的分界点所在;
  • 精细测量:在较小磁场区、过渡区、线性区分别采点,每个区内不少于10组数据,建议在区域分界点所在处加大采集密度,以便数据分析时更好地确认分界点所在;

1、磁阻倍频效应的观察

将电磁铁的线圈引线与正弦交流低频发生器输出端相接;锑化铟磁阻传感器通以2.5mA直流电,用示波器测量磁阻传感器两端电压与电磁铁两端电压构成的利萨如图形,证明在弱正弦交流磁场情况下,磁阻传感器的阻值的相对变化率具有交流正弦倍频特性。

  • 实验前:认真预习,写出预习报告。应包括以下内容:实验目的、原理、简要说明实验内容和步骤,并画出数据记录表格;
  • 实验中:记录必要的实验条件,简要描述观察到的主要实验现象,认真记录实验数据;及时记录实验中出现的问题和自己的想法等;完成测量后记录实验仪器的规格和型号。
  • 实验后:解释实验现象、分析实验数据、得出实验结论,针对实验中出现的问题和想法给予分析讨论;欢迎针对实验教材、实验内容本身或教师的带教方式提出各种意见或建议等。
  • 在规定时间内将报告交至指定信箱。

数据处理具体要求:

  1. 做图纸做出磁阻随着磁感应强度变化的总的趋势图;
  2. 分别对较小磁场区和较大磁场区的数据进行拟合,写出最终的拟合方程,以及各系数的标准差。(此过程建议用Origin完成)
  1. 什么叫做磁阻效应?霍尔传感器为何有磁阻效应?
  2. 锑化铟磁阻传感器在小磁场时和较大磁场时的电阻值与磁感应强度关系有何不同?这两种特性有什么应用?请说明:某个具体应用是基于磁阻的什么特性?适用于什么情况?
  3. 适于制作磁阻传感器的材料应具备什么样的性质?
  1. 刘仲娥,张维新,宋永祥,敏感元件与应用.青岛海洋大学出版社.1993.6
  2. 吴杨,娄捷,陆申龙。锑化铟磁阻传感器特性测量及应用研究.物理实验,第21卷第10期.2001.10:46-48
  3. 上海复旦天欣科教仪器有限公司. FD-MR-II磁阻效应实验仪使用说明书
  4. 使用Origin查找过渡区和线性区的分界点——分段线性拟合http://wiki.originlab.com/~originla/howto/index.php?title=Tutorial:Fitting_with_a_Piecewise_Linear_Function
  5. 黄启圣, 吴自强, 田种运. 80—500°K间InSb的电导率、霍尔效应及磁阻效应[J]. 物理学报, 1964(5):418-428.
  6. 邓树森, 侯英民, 孟宪章. N型锑化铟的电导率,霍尔效应和横向磁阻效应[J]. 吉林大学学报理学版, 1965(3):128-139.
  7. 黄得星. 敏感技术物理及应用专题系列(IV):磁敏传感器及其应用[J]. 物理, 1990, 19(7):409-412.
  8. 王海鹏. InSb磁电阻在交变磁场下的特性研究[J]. 大学物理实验, 2010, 23(2):19-22.
  9. 黄启圣, 汤定元. 锑化铟中载流子的复合过程[J]. 物理学报, 1965, 21(5):1038-1048.

讨论区

801实验室锑化铟磁电阻传感器的特性测量讨论区 请问为什么高频状态下倍频效应不明显甚至消失呢?是因为涡流效应吗?

实验感想

欢迎各位同学将自己的实验感想拿出来和大家分享。乐永康 2008/10/23 21:06

  做选做2时,开始未能显出李萨如图形,待检查之后发现是导线的正负接反了,等调整过来之后,发现仍旧不能显示出清晰的波形,在乐老师的帮助下,一起分析原因.

  1. 首先怀疑是导线的原因,经过对每一个导线逐个更换之后发现确实有一根导线有问题并及时做了更换.但此时波形的噪声仍旧很大.
  2. 怀疑是信号发生器正弦波信号有问题,(我们无论怎么调节甚至是将信号放大器调节到最大时,输出信号还是很弱),于是将信号发生器单独接在示波器上,在显示屏上看到的正弦波收到了很大的干扰,故而在之前的多次调节中都未能成功.这次将信号发生器更换,并重新接线.但是仍未出现李萨如图形.
  3. 在对示波器的各个按钮和接口检查之后发现了CH1的微调旋钮未右旋到底,致使信号噪声较大.待锁死之后继续实验,仍旧不行.
  4. 逐个检查整个电路接线口,发现在磁阻效应试验仪上的锑化铟接口一端有松动现象,于是将电路平板拆下,将各个接口接触不良处上好螺丝. 重新实验,最后得到了李萨如图形,最终的图形也是有较大的噪声,具体原因麻烦乐老师解答.谢谢

  感想:这个实验很早就完成了前面的选做1,在做丽萨如图形是产生了阻碍,逐个排查分析才能找到错误原因,另乐老师跟我都待到六点二十分才走,谢谢

—–08300310003 2009.4.20

选做内容2的重点其实不应该仅关注是否得到规则的李萨如图形,而且更应该思考什么条件下能够的到这样的图形,实验中该如何选择参数,设置示波器等,在此次学习如何做实验记录也很重要。
我对田畔同学记录中的第四点“最终的图形也有较大的噪声”原因的理解是:电磁铁存在问题(具体的问题是什么不是很明白)。实验时看到的现象是:当信号发生器的频率在10Hz左右时,随着频率的增加,示波器测得的输出电压会明显降低,对两台信号发生器都是如此,我至今都没法想明白是为什么。不过,在频率为6Hz时,还是能得到很不错的李萨如图形的。 — 乐永康 2009/04/22 23:27

  这个实验真是做死人了。预习的时候就很麻烦,因为补充材料上没有具体的实验步骤,所以要怎么下牙一开始就要考虑清楚。这种类似探究的实验数据范围也不好确定,整个实验我取了七十多个数据点,做了五张图,拟合了五条直线。我本着良心告诉大家:怕麻烦的同学慎选。说一下几点心得:

  1. 材料上的电路图不是很清楚,我是按照语言叙述把电路连起来的。其实也就是个很简单的串联电路。
  2. 毫特计使用之前要调零的(这点材料上没有)仪器上有个调零的旋钮。(突然想起来,材料上只给了一张仪器的截图,事实上你有一桌子的仪器……)我是先断开电磁铁的电源进行调零的。诡异的是,实验做着做着就需要再次调零了,原理不明。
  3. 观察李萨如图形的时候原来的导线基本上都是不要动的。我本来没有打算做这个部分一激动就都给拆了。后经过杨老师的指导才看到了正确的图形。
  4. 取点的时候要注意使B取等整数点因为是要对B作图的。
  5. (这个是我的重大失误)数据跨度过小,以至于某个B时(ΔR/R0)对I做出一个很诡异的图。

  ——2009年3月14日

很深刻的经验教训,欢迎做过此实验的同学参与交流讨论。本人不完全赞同翁士伟同学的几点结论。特别是“实验数据范围不好确定”,是否可以借助于仪器上的调节旋钮呢?
电路本身的确很简单,不过正如翁士伟同学的看法,与接下柱相连的图示的确有些误导人。
“毫特计使用之前要调零”的确是补充材料上遗漏了。随着实验的进行,仪器各方面的状态可能会有一点变化(通常称为“热漂移”),因此在实验过程中适时地再检查一下凋零是否准确是需要的。至于“一桌子的仪器”中,示波器和低频信号发生器是用于选做内容2的。
“某个B时(ΔR/R0)对I的图”应该是选做1的内容。不知道翁士伟同学是否考虑过:这里的R0该取什么值,对补充讲义中的思考题:“这里能求出磁阻吗?”有什么看法? — 乐永康 2009/03/14 21:32
  1. 数据范围我指的是诸如必做部分B要测到多少,选做I需要加到多少。前一个,B我以步长10取到了300,后一个,我就觉得我I的步长取短了。
  2. 乐老师提的问题我想是我错了。选做部分的R0和必做部分的R0不是一个物理量。这导致我作图均有差错。尤其是第一个诡异的图……(具体就不说了)。还是因为自己预习的时候不够细致。也多谢乐老师的指导。
  3. 最后,赞一下杨利伟老师。杨老师是个很细致的人。我两个实验都出了很多问题,也都是在没有完全领悟的情况下做了实验,犯了不少错误。他会耐心的给我们讲解。他鼓励我们这周二下午去重做实验XD,可惜我没有时间了。这份锑化铟的实验报告也没有时间修改那些数据表格和重新绘图(马上就要交了……)。 2009/03/17 15:40

乐永康的回复

对于1: 必做部分在不同B值区域,函数关系不同,而实验内容要求我们能分段验证依赖关系。因此,需要在感兴趣的区域上测足够的数据点以便于能进行函数拟合或作图;另一方面,自变量的取值范围只有足够大时,得出的结论才是全面的,所以确定自变量的可取值范围和测量的步长的确定是实验设计的一个重要方面。本实验中,这两个参数都没有明确给出。对于二次关系区,实验内容提示一般B值小于60mT,由此,步长也是容易确定。但由于可能存在过渡区,小步长测量稍微再拓展一些也是必要的。但对于线性关系区,首先应该调节控制旋钮确定最大B值能到多少(一般到400mT以上,有几台仪器可到550mT左右),然后确定步长。显然你测量的范围还是偏小了,而且步长选择为10mT显然不合理。呵呵,吃一堑长一智!而且我认为:错误出在前面,且能发现,是幸运的。 — 乐永康 2009/03/27 00:21

对于3: 英雄杨利伟带这些实验肯定没有老师杨立伟有经验!各位同学不会有不同意见的吧! — 乐永康 2009/03/27 00:21

翁士伟关于R0的最终看法

  本实验我们最一开始求的R0是,I取某特定值,B=0情况下的电阻;而选做部分,如果要算磁阻而求R0,我们需要的是B取某个特定值,I–>0情况下的电阻。而这种情况下,电阻是求不出来的。我将错就错的把前一个R0当作后面的R0。好在这部分实验也不是定量分析,最终得出的趋势不会被这个错误影响。 2009/03/17 15:51

  我们组的四位同学在实验当中出现了一个共同的问题,就是在持续通电的情况下,锑化铟两端的电压会持续下降,也就是说,锑化铟的电阻在持续下降。这个情况十分困扰我们,中间有段时间我去问老师问题结果一刻钟左右回来发现InSb两端电压下降了50mV左右……导致后面的数据直接断节,无法画在同一张图表中……

  何攀老师给出的解释是:半导体材料在有持续电流通过的情况下,产生的焦耳热会使材料的温度升高,从而电阻下降。

  当然我也不懂,但最起码我们得出结论,这个实验要尽快做、连续做,否则数据将产生较大偏差。

  另外关于李萨茹图形问题,我们第一个实验就做这个,完全不懂示波器,完全不会操作,希望以后在教学的时候,能在第二周教学中给这个实验的学生讲解示波器的基本原理,因为我们没有做过第三循环。

  ---09300240045    汪阳

我觉得本次实验电路连线并不困难,只是因为不像其他实验有详细的操作指示,所以每个部分都要花时间思考!开始时,与同做这个实验的同学面面相觑,不知从何处下手。后来再仔细阅读了一下材料,略微讨论了一番后才理清了思路。

在选做部分一时,最初没有弄淸实验要求,以至于表格设计漏掉了Ur那一项,因此发现后,重新选择了Im值,做了一遍。而且由于电流范围在0-3毫安,测量时跨度宜大一些,涵盖大部分区域,才能看出实验结果。

选做部分二中,开始无论怎么调都调不出李萨茹图,后来在乐老师的帮助下,才发现波形设置没有选择正弦波,改正之后,再进行V/DIV,T/DIV的调节,使CH1,CH2都呈现正弦波形,然后再调至X-Y档。只是这样得到的李萨茹图仍有些模糊,不像其他同学做出来那样清晰,再进行电流调节后仍是如此,可能与仪器有关。

通过这次实验,最大的挑战和收获就是要学会努力、勤奋的思考,运用所学物理知识,查阅相关资料,还有询问老师,以深入了解实验的原理与相关知识,还是很受益的。

另外,拿到报告本后才发现,竟然漏掉去看电阻箱读数的相关内容,郁闷了……

08301030034 刘斯煜 2009.6.1

谢谢刘斯煜同学的分享! — 乐永康 2009/06/01 23:32

屠钟炜被InSb磁阻传感器特性测量打败了

今天下午做这个实验,老师在指导的时候告诉我们这个实验比较简单,但实际操作还有一些问题。

1.和前面一个发帖的同学一样,我在必做实验测U–B时也在测量进行到一半将电磁铁的电流归零,发现毫特计和初始设置的R上电压均有变化,我的老师也说这因为热效应,但是和前面回帖的老师不同的是,我们老师说不能再继续测量,只能测B更大的,不能测更小的了,前面的数据也均作废。但我想坐等一段时间,等热效应结束应该可以和最初的数据一样了,但在断点出还是有1mv左右的偏移。

2.对于李萨如图形,我们几个同学花了大量时间,却还是一个人都没有成功。有同学将电磁铁的交流电频率调至MHz量级(而不是书上写的10Hz量级)却能惊喜的发现示波器出现了类正弦波,但无论怎么调都不能使波形规则,而且当频率很大时,毫特计示数基本不变。

我本人用先单个接入信号调整尝试,再合并X-Y的方法,却发现

1)仅仅接入电磁铁交流信号就会出现双正弦波 2)InSb磁阻接入后图像没变化 3)拔出var,合成X-Y信号后发现,波形像一根垂直的小麻花…!

只能感叹,示波器好难用

最后出现了感觉很接近李萨如图形的不稳定波形,可老师说,还差得远。

2011.10.14 11307120079 屠钟炜

  • 实验中示波器总是无法显示波形,更换电线后依然不行,最后更换示波器,发现是磁阻效应试验仪有问题,另外最好在开始取10毫特作为每组间距离,后半取大一些,否则表格将会很大。而且在作图时拟合曲线时发现60到100之间的过渡带很难刻画,不知如何拟合(是我数据有问题吗?)。
  • 选做试验中涉及示波器的部分太难做了,仪器总是出故障,希望学校能更新一下仪器。——2011.10.19曹钧植11300290007
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