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巨磁阻传感器原理及其应用

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  • 发布时间:2015/11/26 16:05:39
  • 作者:量值溯源

  物质在一定磁场下电阻改变的现象,称为磁阻效应。磁性金属和合金材料一般都有这种现象,巨磁阻传感器就是基于这一原理而应用于生活中。

巨磁阻效应

  所谓磁阻效应是指导体或半导体在磁场作用下其电阻值发生变化的现象,巨磁阻效应在1988年由彼得•格林贝格(Peter Grünberg)和艾尔伯•费尔(Albert Fert)分别独立发现,他们因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖。研究发现在磁性多层膜如Fe/Cr和Co/Cu中,铁磁性层被纳米级厚度的非磁性材料分隔开来。在特定条件下,电阻率减小的幅度相当大,比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍,这一现象称为“巨磁阻效应”。

  巨磁阻效应可以用量子力学解释,每一个电子都能够自旋,电子的散射率取决于自旋方向和磁性材料的磁化方向。自旋方向和磁性材料磁化方向相同,则电子散射率就低,穿过磁性层的电子就多,从而呈现低阻抗。反之当自旋方向和磁性材料磁化方向相反时,电子散射率高,因而穿过磁性层的电子较少,此时呈现高阻抗。

  如图1所示,两侧蓝色层代表磁性材料薄膜层,中间橘色层代表非磁性材料薄膜层。绿色箭头代表磁性材料磁化方向,灰色箭头代表电子自旋方向,黑色箭头代表电子散射。左图表示两层磁性材料磁化方向相同,当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时,电子较容易通过两层磁性材料,因而呈现低阻抗。而右图表示两层磁性材料磁化方向相反,当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时,电子较容易通过,但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料,因而呈现高阻抗。

巨磁阻效应示意图

图1 巨磁阻效应示意图

巨磁阻传感器应用

01巨磁阻传感器应用于硬盘

  巨磁阻效应的读出磁头,极大的提高了磁盘记录密度,极大提高了硬盘的容量,同时缩小了硬盘的体积。目前硬盘最大容量已经达到4TB,远远大于应用巨磁阻效应前的硬盘。

02巨磁电阻随机存取存储器(MRAM)

  这是采用纳米制造技术,把沉积在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成图形阵列,形成存储单元,以相对两磁性层的平行磁化状态和反平行磁化状态分别代表信息“1”和“0”;与半导体存储器一样,是用电检测由磁化状态变化产生的电阻值之差进行信息读出的一种新型磁存储器。MRAM潜在的重要优点是非易失性,抗辐射能力强、寿命长。这些是DRAM、SRAM等半导体存储器所不具备的性能。同时,它又兼有后者具有的大容量、高速存取、低成本、高集成度等特点。因此,MRAM不仅被军事和宇航业界所看重,而且在迅速普及的数码照相、移动电话及多媒体信息处理等广阔的民用市场中得到应用。正因为如此,美、日、欧等发达国家和地区及高新技术产业界都十分重视这项新技术,正投巨资加快产品的商业化

03角度、位置传感器

  用于数控机床,汽车测速,非接触开关,旋转编码器等领域。具有功耗小,可靠性高,体积小,价格便宜和更强的输出信号等优点。

04基于GMR传感器阵列的生物检测

  GMR传感器比电子传感器更灵敏、可重复性强,具有更宽的工作温度、工作电压和抗机械冲击、震动的优异性能,而且GMR传感器的工作点也不会随时间推移而发生偏移。GMR传感器的制备成本和检测成本低,对样本的需求量很小。由GRM传感器组成的阵列,还可以结合现有的IC工艺,提高整体设备的集成度,进行多目标的检测,同时,对比传统的荧光检测法,磁性标记没有很强的环境噪声,标记本身不会逐渐消退,也不需要昂贵的光学扫描设备以及专业的操作人员。

05巨磁阻传感器应用于军事领域

  GMR传感器芯片在军事装备上也有广泛的应用,比如:超微磁场探测器,地磁场探测传感器,航天磁场方位传感器。

巨磁阻传感器发展前景

  人类利用电子的荷电性在半导体芯片上创造了今天的信息时代,自旋极化输运给人类带来的也许又是一片广阔的天地。磁电子学给予人类以梦想和希望,同时也给予我们更多、更大的挑战。事实上人类对于自旋极化输运的了解还处于一个非常肤浅的阶段,对新出现的新现象、新效应的理解基本上还是一种“拼凑式”的、半经典的唯象理论。作为磁学和微电子学的交叉学科,磁电子学将无论在基础研究还是在应用开发上都将是凝聚态物理学工作者和电子工程技术人员大显身手的新领域。GMR效应是磁电子学的主要内容之一,是一项方兴未艾的事业,其发展必定带来人类技术文明的进一步发展。由GMR效应作成的实用器件对电子信息的贡献是不言而喻的。