GMR效應(yīng)

　　一、GMR效應(yīng)的簡介

　　2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)分別授予來自德國于利希亥姆霍茲研究中心的彼得·格林貝格爾(Peter Gruenberg)和來自法國巴黎第十一大學(xué)的阿爾貝·費(fèi)爾(Albert Fert)教授。這兩位獲獎(jiǎng)?wù)咴谏鲜兰o(jì)80年代獨(dú)立進(jìn)行巨磁阻（GMR）研究，因相繼發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而雙雙榮獲本年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。外部磁場通過巨磁阻效應(yīng)可使磁性材料薄層的電阻發(fā)生巨大變化。GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為結(jié)構(gòu)緊湊的計(jì)算機(jī)硬盤的全新讀取磁頭的開發(fā)鋪平了道路，可將個(gè)人計(jì)算機(jī)、便攜式音樂播放器（MP3播放器）和攝像機(jī)的硬盤存儲(chǔ)容量提高至數(shù)吉字節(jié)。

　　GMR效應(yīng)是由幾納米厚的多層金屬膜的磁場產(chǎn)生的電阻變化導(dǎo)致的。簡單來說，該金屬膜由具備固定的穩(wěn)定磁化方向（參考方向）的參考層和磁化方向由外部磁場決定（如指南針）的傳感層構(gòu)成。傳感層和參考層通過僅為幾個(gè)原子厚的銅層隔開，從而產(chǎn)生GMR效應(yīng)。施加的磁場和傳感器參考層之間的角度決定了金屬膜的電阻變化。

　　二、GMR效應(yīng)的發(fā)展?fàn)顩r

　　巨磁電阻效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來即引起各國企業(yè)界及學(xué)術(shù)界的高度重視，GMR效應(yīng)已成為當(dāng)前凝聚態(tài)物理5個(gè)熱點(diǎn)之一。1994年，美國的NVE公司首先實(shí)現(xiàn)巨磁電阻（GMR）效應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化，并銷售巨磁電阻磁場傳感器。1998年，美國的IBM公司成功地把GMR效應(yīng)應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器上，研制出巨磁電阻（GMR）磁頭。巨磁電阻（GMR）磁頭的應(yīng)用帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，打破了信息高速公路圖像傳遞存儲(chǔ)的瓶頸，目前存儲(chǔ)密度已高達(dá)56GB/平方英寸。世界GMR磁頭的市場總額每年400億美元。更令人可喜的是，2001年美國的摩托羅拉公司宣布成功研制出GMR磁隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器將預(yù)示1000億美元的市場容量。隨著人們對(duì)GMR效應(yīng)深入的研究和開發(fā)利用，一門以研究電子自旋作用為主同時(shí)開發(fā)相關(guān)特殊用途器件的新學(xué)科—自旋子學(xué)逐漸興起起來。最近，美國自然科學(xué)基金會(huì)（NSF）提出：自旋子學(xué)科的發(fā)展及應(yīng)用將預(yù)示著第四次工業(yè)革命的到來。通過香山科學(xué)會(huì)議，我國制定了GMR高技術(shù)研究開發(fā)計(jì)劃，并把GMR效應(yīng)的研究及應(yīng)用開發(fā)列為我國將要重點(diǎn)發(fā)展的七個(gè)領(lǐng)域之一。但是由于技術(shù)、資金及設(shè)備等諸多因素，GMR的研究在國內(nèi)還局限于實(shí)驗(yàn)室的水平。

GMR磁場傳感器的優(yōu)勢所在

　　GMR磁場傳感器和光電等傳感器相比，具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。這些都是現(xiàn)有傳統(tǒng)傳感器所不能相比的。另一方面，在制造成本上，GMR磁場傳感器并不高于其它普通傳感器，甚至大大低于某些傳感器。

GMR磁場傳感器的工作原理

　　磁電阻（GMR）效應(yīng)是1988年發(fā)現(xiàn)的一種磁致電阻效應(yīng)，由于相對(duì)于傳統(tǒng)的磁電阻效應(yīng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此名為巨磁電阻(Giant Magnetoresistanc)，簡稱GMR。　　1. 巨磁電阻（GMR）原理，見圖一。

　　巨磁電阻（GMR）效應(yīng)來自于載流電子的不同自旋狀態(tài)與磁場的作用不同，因而導(dǎo)致的電阻值的變化。這種效應(yīng)只有在納米尺度的薄膜結(jié)構(gòu)中才能觀測出來。賦以特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這種效應(yīng)還可以調(diào)整以適應(yīng)各種不同的性能需要。

　　反鐵磁耦合時(shí)（外加磁場為0）處于高阻態(tài)的導(dǎo)電輸出特性，電阻：R1/2

　　外加磁場使該磁性多層薄膜處于飽和狀態(tài)時(shí)（相鄰磁性層磁矩平行分布），而電阻處于低阻態(tài)的導(dǎo)電輸出特性，電阻：R2*R3/（R2+R3），R2>R1>R3

　　圖1、利用兩流模型來解釋GMR的機(jī)制

　　2. 巨磁電阻（GMR）傳感器原理，見圖二。

　　巨磁電阻（GMR）傳感器將四個(gè)巨磁電阻（GMR）構(gòu)成惠斯登電橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減少外界環(huán)境對(duì)傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度。工作時(shí)圖中“電流輸入端”接5V~20V的穩(wěn)壓電壓，“輸出端”在外磁場作用下即輸出電壓信號(hào)。

　　圖2（1）：惠斯凳電橋在磁場傳感器應(yīng)用中的原理

　　圖2（2）：惠斯凳電橋中R1和R2在外加磁場作用下的變化情況

　　3. 巨磁電阻（GMR）傳感器性能，見圖三，表一。

　　圖三所示為巨磁電阻（GMR）傳感器在外場中的性能曲線，表明該傳感器在±200Oe的磁場范圍類有較好的線性。

　　圖3：巨磁電阻（GMR）在外加磁場下的性能曲線

　　表一 各公司巨磁電阻（GMR）傳感器性能對(duì)照

　　4.產(chǎn)品使用說明

　　a . 巨磁電阻（GMR）傳感器作為一種有源器件，其工作必須提供5~20V的直流電源。而且該電源的穩(wěn)定性直接影響傳感器的測試精度，因此要求以穩(wěn)壓電源提供；使用中也應(yīng)避免過電壓供電；

　　b .巨磁電阻（GMR）傳感器作為一種高精度的磁敏傳感器，對(duì)使用磁環(huán)境也有一定的要求，其型號(hào)選用應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境的磁場大小來決定；

　　c. 巨磁電阻（GMR）傳感器對(duì)磁場的靈敏度與方向有關(guān)。其外形結(jié)構(gòu)上標(biāo)注的敏感軸為傳感器對(duì)磁場最為靈敏的方向，

　　參見圖四。當(dāng)不平行時(shí)，靈敏度降低，其關(guān)系為

　　Sθ=S0COSθ

　　其中Sθ為磁場方向與傳感器敏感軸間的夾角為θ時(shí)的靈敏度，S0為磁場方向與傳感器敏感軸平行時(shí)的靈敏度。

　　圖4 巨磁電阻（GMR）傳感器外形結(jié)構(gòu)及接線圖

　　d. 對(duì)于輸出特性相對(duì)于外磁場為偶函數(shù)時(shí)，則將傳感器作為測量使用時(shí)需要外加偏置磁場。理想情況偏置磁場的大小為傳感器保持線性范圍磁場的1/2。

GMR磁場傳感器的應(yīng)用分析

　　1、GMR磁場傳感器可用來導(dǎo)航及用于高速公路的車輛監(jiān)控系統(tǒng)　　地球是一個(gè)大磁鐵，地球表面的磁場大約為0.5Oe，地磁場平行地球表面并始終指向北方。利用GMR薄膜可做成用來探測地磁場的高級(jí)羅盤。當(dāng)可以同時(shí)探測平面內(nèi)磁場X和Y方向分量的GMR磁場傳感器固定在交通工具上，瞬間航向與地球北極的夾角可通過GMR傳感器的X和Y方向的電壓相對(duì)改變而確定下來。圖3顯示這種傳感器的具體工作原理。GMR磁場傳感器隨輪船的方向改變而改變其和地磁場的夾角，相對(duì)來說，也可以等效為地磁場的方向在改變。我們已研制出能夠探測磁場X和Y方向分量的集成GMR傳感器。此傳感器可作為羅盤并應(yīng)用在各種交通工具上作為導(dǎo)航裝置。美國的NVE公司已經(jīng)把GMR傳感器用在車輛的交通控制系統(tǒng)。我們知道，各種不同的車輛（物體）在外界都有其自身特征的磁場分布。通過用GMR弱場傳感器可探測各種車輛的磁場分布進(jìn)而確定該車輛的型號(hào)。利用GMR傳感器不僅可探測靜止車輛的狀況進(jìn)而用在交通燈處的交通控制和停車場處停車位置的監(jiān)控，而且也可探測移動(dòng)車輛的情況。具體來說，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計(jì)算和區(qū)別通過傳感器的車輛。如果同時(shí)分開放置兩個(gè)GMR傳感器，還可以探測出通過車輛的速度和車輛的長度，當(dāng)然GMR也可用在公路的收費(fèi)亭，從而實(shí)現(xiàn)收費(fèi)的自動(dòng)控制。另外高靈敏度和低磁場的傳感器可以用在航空、航天及衛(wèi)星通信技術(shù)上。大家知道，在軍事工業(yè)中隨著吸波技術(shù)的發(fā)展，軍事物件可以通過覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無論如何都會(huì)產(chǎn)生磁場，因此通過GMR磁場傳感器可以把隱蔽的物體找出來。當(dāng)然，GMR磁場傳感器可以應(yīng)用在衛(wèi)星上，用來探測地球表面上的物體和底下的礦藏分布。

　　磁場傳感器的導(dǎo)航原理

　　2、GMR磁場傳感器可來探測DC、AC電流及用作隔離器和電子線路中的反饋系統(tǒng)（開關(guān)電源）

　　眾所周知，通電導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，其磁場的強(qiáng)弱與通電電流的大小成正比。若將GMR磁場傳感器及環(huán)形軟磁集磁通器放置在通電導(dǎo)線附近，則由GMR傳感器的輸出電壓可以測量導(dǎo)線中通過的電流。我們已利用反鐵磁耦合的FeNi/FeCo/Cu的多層膜和集成的永磁薄膜作為偏場，并研制出線性測量范圍正負(fù)200Oe的惠斯通電橋傳感器。利用這種傳感器可探測電流高達(dá)10,000安培的直流和交流。目前有三種辦法可用來探測電流：電阻短路的辦法，其缺點(diǎn)在于引入一電壓降和這種方法不能提供上下級(jí)的隔離。電流轉(zhuǎn)換器則基于安培定理，但是其僅僅用來探測直流。GMR磁場傳感器不僅可用來探測直流和交流而且還可保證上下級(jí)隔離。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，目前已把GMR薄膜傳感器和集成線路板結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)了小型化、集成化，提高了靈敏度和降低了成本。另外電流探測原理，目前已經(jīng)用作隔離器、開關(guān)電源和無刷直流電機(jī)系統(tǒng)。隔離器主要是把高電壓及高電流情況下的初級(jí)信號(hào)通過電壓/頻率轉(zhuǎn)換并傳給下一級(jí)，在下一級(jí)再通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換成為電壓或電流信號(hào)，因此上下級(jí)而不相互干擾。這種探測電流大小的隔離器已被葡萄牙的一家公司所采用。至于開關(guān)電源，我們利用兩次沉積自旋閥多層膜的辦法，已研制出可探測微安級(jí)的交直流及探測磁場范圍在正負(fù)20Oe的GMR磁場傳感器。并且與西班牙的一所大學(xué)合作，成功地把這種傳感器用在開關(guān)電源線路中作為反饋系統(tǒng)，可改善其頻率輸出特性高達(dá)1MHz。至于在無刷直流電機(jī)的應(yīng)用：大家知道，有刷直流電機(jī)是用接觸碳刷或金屬片做整流子供電，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種接觸式整流子因摩擦給電機(jī)帶來非常不好的影響，比如使用壽命短、噪音大、有火花、產(chǎn)生干擾電磁波等。如果用GMR傳感器代替電機(jī)的摩擦整流子，那么就可以避免因電刷摩擦而帶來的影響，而且還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)及其調(diào)速和穩(wěn)速的目的。因此，它的穩(wěn)定性和可靠性都非常高。另外，這種無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩-重量比較大，速度轉(zhuǎn)矩特性的線性度比較好。圖.給出了測量電流的原理圖。

　　3、GMR傳感器可用來測量微小的位移及其相關(guān)的應(yīng)用

　　磁場傳感器來探測被測物體的位移的原理是通過利用一永磁鐵作為參照物，參照物相對(duì)于磁傳感器的運(yùn)動(dòng)可等效為磁敏器件在均勻梯度的磁場中的移動(dòng)，因此磁場傳感器的輸出則反映著磁場傳感器或永磁鐵的位移量。下圖給出一圓柱磁鋼及其周圍的磁場分布。我們已研制出一種能同時(shí)探測X—Y方向位移的磁場傳感器。由于采用集成技術(shù)，可使該磁場傳感器小型化，同時(shí)提高了精度。這種傳感器已成功運(yùn)用在機(jī)器人及機(jī)械手的控制系統(tǒng)，并使其智能化和拿取、放置物體。另外也使機(jī)器人具有識(shí)別物體的功能。這種位移傳感器也可用在電梯及相應(yīng)的升降系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)。此外，可以用GMR位移傳感器改造某些傳統(tǒng)的工業(yè)儀表，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。例如，浮子流量計(jì)是一種得到廣泛應(yīng)用的非電量儀表，如果改用磁性浮子和外配一個(gè)GMR磁位移傳感器，就能制成一個(gè)有電壓輸出的數(shù)字型位移傳感器。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了實(shí)現(xiàn)電子點(diǎn)火，往往需要精密堅(jiān)固的位移傳感器來測量發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)角，決定點(diǎn)火時(shí)間。以前多用霍爾元件，現(xiàn)在完全可以用GMR替代，從而提高工作溫度范圍和降低磁場觸發(fā)磁場的強(qiáng)度。GMR位移傳感器也可用在精密機(jī)床上來提高機(jī)械加工的精度?；钊跉飧字械倪\(yùn)動(dòng)情況也可以通過GMR位移傳感器給探測出來。

　　4、GMR角度位移及角速度傳感器和相關(guān)應(yīng)用

　　為了測量一物體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小，往往可以通過探測磁鋼因轉(zhuǎn)動(dòng)而造成其磁場的方向相對(duì)于固定的GMR磁場傳感器的改變，我們研制出的可探測平面內(nèi)磁場方向和大小的GMR磁場傳感器可以探測相對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鋼的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。當(dāng)一塊磁鐵固定在轉(zhuǎn)動(dòng)輪子的邊沿而GMR磁場傳感器固定在輪子的旁邊并保持一定的距離時(shí)，參考磁鐵隨輪子而轉(zhuǎn)動(dòng)，每當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，就會(huì)使產(chǎn)生一電壓脈沖輸出。下圖給出角速度傳感器的原理圖。我們利用集成技術(shù)已研制出專用來測量角速度即轉(zhuǎn)速的數(shù)字式自旋閥GMR磁傳感器。該磁敏傳感器可探測各種情況下的角速度。該類GMR磁場傳感器可用在各種遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，在這里包括了煤氣、水、電表的數(shù)字式的處理。隨著自動(dòng)化水平的提高，對(duì)于數(shù)字式的各種儀表的需求量越來越大。我們已與遼寧萬恒科技有限公司建立了聯(lián)系。該公司需要大量數(shù)字式GMR磁傳感器應(yīng)用在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。在汽車（摩托）工業(yè)中，GMR磁場傳感器可用在剎車系統(tǒng)（ABS），通過探測角速度進(jìn)而起到制動(dòng)作用。不久我國將加入世貿(mào)組織（WTO），因此汽車（摩托車）的防爆剎車系統(tǒng)的研制和利用的確是勢在必行。至于電機(jī)馬達(dá)行業(yè)，為了得到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的測量和控制需要用GMR傳感器來測量角速度并通過反饋系統(tǒng)可得到穩(wěn)定的角速度輸出。同時(shí)，GMR角速度傳感器也可用在洗衣機(jī)行業(yè)。隨著機(jī)算機(jī)的存儲(chǔ)密度的提高，對(duì)伺服系統(tǒng)的要求也在提高，對(duì)于磁盤轉(zhuǎn)速的控制的精度也在提高，因此磁場角速度傳感器將會(huì)應(yīng)用在該領(lǐng)域。另外，利用GMR薄膜材料可研制出各種用途的磁性編碼器。磁性編碼器的優(yōu)點(diǎn)在于不易受塵埃、結(jié)露、影響、對(duì)潮濕氣體和污染不敏感，同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而且其響應(yīng)速度快（納秒級(jí)），體積比光學(xué)式編碼器小，而成本更低，且易將多個(gè)元件精確地集成，比用光學(xué)元件和半導(dǎo)體霍爾磁敏元件更容易構(gòu)成新功能器件和多功能器件。由于磁性編碼器具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，因而近年來在高精度測量控制領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷增加，其市場需求量每年以20-30%的速度增長。在高速度、高精度、小型化、集成化及長壽命的要求下，在激烈的市場競爭中，磁性編碼器以其突出特點(diǎn)而獨(dú)具優(yōu)勢，成為發(fā)展高技術(shù)的關(guān)鍵。

　　5、GMR醫(yī)用及生物磁場傳感器

　　人體之中存在著各種形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，它們是機(jī)體完成必要的生理功能的前提和保證，因此檢測這些生物機(jī)械運(yùn)動(dòng)，無論對(duì)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)還是對(duì)臨床醫(yī)學(xué)來講，都具有十分重要的意義。以前，由于必須利用體積大和功率高、價(jià)格貴的超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)而局限在方面醫(yī)學(xué)的發(fā)展。高靈敏度及集成化的GMR磁敏傳感器的出現(xiàn)為這些機(jī)械運(yùn)動(dòng)和病變部位的非接觸式的探測提供了方便，并推動(dòng)其發(fā)展。下面介紹幾種特殊在此方面的應(yīng)用。磁性生物傳感器的原理如下圖所示：首先各種各樣的細(xì)胞、蛋白質(zhì)、抗體、病原體、病毒、DNA可以用納米級(jí)的磁性小顆粒來標(biāo)記，也就是首先是這些被探測的對(duì)象磁性化，進(jìn)而在用高靈敏度的GMR磁場傳感器來探測它們的具體位置。這種也可用于醫(yī)學(xué)及臨床分析、DNA分析、環(huán)境污染監(jiān)測等領(lǐng)域。高靈敏度的GMR傳感器也可用在用來腦電圖、心機(jī)圖等的高精度的儀器設(shè)備上，來診斷類似于腦腫瘤病變的問題。利用GMR磁場傳感器可以檢測眼球運(yùn)動(dòng)、眼瞼運(yùn)動(dòng)的方法，這有助于定量評(píng)價(jià)和研究困倦、視力疲勞現(xiàn)象，和診斷某些眼科疾病。

　　6、GMR磁敏傳感器在磁性介質(zhì)的探測和在磁性油墨鑒偽點(diǎn)鈔機(jī)中的應(yīng)用

　　磁場傳感器可以探測不同的磁性介質(zhì)。在這種應(yīng)用中，磁性介質(zhì)攜帶著要被探測的信息。磁性介質(zhì)是有非磁性的基體和磁性材料組成，磁性材料放置在基體內(nèi)或基體的表面。當(dāng)攜帶著信息的磁性介質(zhì)掃過GMR磁場傳感器時(shí)，則特有的信息被探測出來。傳感器的輸出依賴于磁性介質(zhì)的性能、工作縫隙的距離和傳感器的靈敏度。目前主要用在磁性墨跡的識(shí)別、磁性編碼的讀出、細(xì)小磁性微粒的探測、介質(zhì)磁性簽字的鑒別。

　　7、GMR磁敏加速度傳感器

　　加速度傳感器是通過測量被加速運(yùn)動(dòng)物體的慣性力來確定加速度的測量裝置。根據(jù)牛頓定律，被加速物體有一種慣性力，其大小等于它的質(zhì)量和加速度的乘積，而其方向與加速度方向相反。由于這種慣性力的存在，使被加速系統(tǒng)中懸掛的彈性片發(fā)生彎曲，其彎曲量可由GMR磁敏器件進(jìn)行測量，從而得到系統(tǒng)的加速度。

GMR磁場傳感器的發(fā)展?fàn)顩r

　　GMR磁場傳感器由于其靈敏度高、熱穩(wěn)定性好、探測磁場范圍寬而完全可取代霍爾及磁阻（AMR）元件，進(jìn)而廣泛應(yīng)用在信息、電機(jī)、電子電力、能源管理、汽車、磁信息讀寫及工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域。　　磁場傳感器通過探測交直流磁場，交直流電流，位移及角速度等物理量而運(yùn)用于信息、自動(dòng)化控制及電力電子等行業(yè)。信息產(chǎn)業(yè)部“十五”規(guī)劃和二00五年遠(yuǎn)景目標(biāo)明確指出：“加入世貿(mào)（WTO）后，對(duì)于我國基本上還是‘外殼產(chǎn)業(yè)’的信息產(chǎn)品制造業(yè)來說，將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)”。如何擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，掌握核心技術(shù)是每個(gè)企業(yè)急需解決的問題。

來源：捷配電子