巨磁電阻傳感器的基本原理

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巨磁電阻傳感器的基本原理

發表於 2019-12-18 09:22:54

磁電阻（GMR）效應是1988年發現的一種磁致電阻效應，由於相對於傳統的磁電阻效應大一個數量級以上，因此名為巨磁電阻（Giant Magnetoresistanc），簡稱GMR。

對於物質磁電阻特性的研究由來已久，早在20世紀40年代人們就發現了磁電阻效應。所謂磁電阻是指導體在磁場中電阻的變化，通常用電阻變化率Δr/r描述。研究發現，一般金屬導體的Δr/r很小，只有約10-5%；對於磁性金屬或合金材料（例如坡莫合金），Δr/r可達（3~5）%。所謂巨磁電阻（GMR）效應，是指某些磁性或合金材料的磁電阻在一定磁場作用下急劇減小，而Δr/r急劇增大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性與合金材料的磁電阻約高10倍。利用這一效應製成的傳感器稱為GMR傳感器。

所謂磁電阻是指導體在磁場中電阻的變化。人們*早於1856年發現了鐵磁多晶體的各相異性磁電阻效應，但由於科學發展水平及技術條件的局限，數值不大的各向異性磁電阻效應並未引起人們太多關注。直到1988年，法國和德國科學家相繼發現（Fe/Cr）多層膜的磁電阻效應比坡莫合金的各相異性磁電阻效應約大一個數量級，立即引起了全世界的轟動，該發現也使得他們獲得了2007年的諾貝爾物理獎。

目前，對於磁性多層膜材料的巨磁阻效應，通常用二流體模型進行定性解釋，其基本原理如下圖所示。

（a）反鐵磁耦合時電阻處於高阻態的輸運特性 （b） 外加磁場作用下電阻處於低阻態的輸運特性

二流體模型中，鐵磁金屬中的電流由自旋向上和向下的電子分別傳輸，自旋磁矩方向與區域磁化方向平行的傳導電子所受的散射小，因而電阻率低。當磁性多層膜相鄰磁層的磁矩反鐵磁耦合時，自旋向上、向下的傳導電子在傳輸過程中分別接受周期性的強、弱散射，因而均表現為高阻態Ra；當多層膜中的相鄰磁層在外加磁場作用下趨於平行時，自旋向上的傳導電子受到較弱的散射作用，構成了低阻通道Rc，而自旋向下的傳導電子則因受到強烈的散射作用形成高阻通道Rb，因一半電子處於低阻通道，所以此時的磁性多層膜表現為低阻狀態。這就是磁性多層膜巨磁電阻效應的起因。

而典型的巨磁電阻傳感器由四個阻值相同的電阻構成惠斯通電橋結構，如圖2所示。R1和R3由高導磁率的材料（坡莫合金層）覆蓋屏蔽，對外磁場無響應，電阻R2和R4則受外部磁場變化影響。

（c） 典型的巨磁電阻傳感器結構示意圖

採用電橋結構的目的是能夠更加靈敏地反映出電阻的變化，也就能夠更加靈敏地反引出磁場的變化。

巨磁阻傳感器發展前景

人類利用電子的荷電性在半導體晶片上創造了今天的資訊時代，自旋極化輸運給人類帶來的也許又是一片廣闊的天地。磁電子學給予人類以夢想和希望， 同時也給予我們更多、更大的挑戰。事實上人類對於自旋極化輸運的了解還處於一個非常膚淺的階段，對新出現的新現象、新效應的理解基本上還是一種「拼湊式」 的、半經典的唯象理論。作為磁學和微電子學的交叉學科，磁電子學將無論在基礎研究還是在應用開發上都將是凝聚態物理學工作者和電子工程技術人員大顯身手的 新領域。GMR效應是磁電子學的主要內容之一，是一項方興未艾的事業，其發展必定帶來人類技術文明的進一步發展。由GMR效應作成的實用器件對電子信息的 貢獻是不言而喻的。

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