物質在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象，稱為磁阻效應。磁性金屬和合金材料一般都有這種現(xiàn)象，巨磁阻傳感器就是基于這一原理而應用于生活中。

一巨磁阻效應

　　所謂磁阻效應是指導體或半導體在磁場作用下其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，巨磁阻效應在1988年由彼得?格林貝格(Peter Grünberg)和艾爾伯?費爾(Albert Fert)分別獨立發(fā)現(xiàn)，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。研究發(fā)現(xiàn)在磁性多層膜如Fe/Cr和Co/Cu中，鐵磁性層被納米級厚度的非磁性材料分隔開來。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，這一現(xiàn)象稱為“巨磁阻效應”。

　　巨磁阻效應可以用量子力學解釋,每一個電子都能夠自旋,電子的散射率取決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，則電子散射率就低，穿過磁性層的電子就多，從而呈現(xiàn)低阻抗。反之當自旋方向和磁性材料磁化方向相反時，電子散射率高，因而穿過磁性層的電子較少，此時呈現(xiàn)高阻抗。

　　如圖1所示，兩側藍色層代表磁性材料薄膜層，中間橘色層代表非磁性材料薄膜層。綠色箭頭代表磁性材料磁化方向，灰色箭頭代表電子自旋方向，黑色箭頭代表電子散射。左圖表示兩層磁性材料磁化方向相同，當一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過時，電子較容易通過兩層磁性材料，因而呈現(xiàn)低阻抗。而右圖表示兩層磁性材料磁化方向相反，當一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電子通過時，電子較容易通過，但較難通過第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，因而呈現(xiàn)高阻抗。

圖1 巨磁阻效應示意圖

二巨磁阻傳感器應用

01巨磁阻傳感器應用于硬盤

　　巨磁阻效應的讀出磁頭，極大的提高了磁盤記錄密度，極大提高了硬盤的容量，同時縮小了硬盤的體積。目前硬盤最大容量已經(jīng)達到4TB，遠遠大于應用巨磁阻效應前的硬盤。

02巨磁電阻隨機存取存儲器(MRAM)

　　這是采用納米制造技術，把沉積在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成圖形陣列，形成存儲單元，以相對兩磁性層的平行磁化狀態(tài)和反平行磁化狀態(tài)分別代表信息“1”和“0”;與半導體存儲器一樣，是用電檢測由磁化狀態(tài)變化產(chǎn)生的電阻值之差進行信息讀出的一種新型磁存儲器。MRAM潛在的重要優(yōu)點是非易失性，抗輻射能力強、壽命長。這些是DRAM、SRAM等半導體存儲器所不具備的性能。同時，它又兼有后者具有的大容量、高速存取、低成本、高集成度等特點。因此，MRAM不僅被軍事和宇航業(yè)界所看重，而且在迅速普及的數(shù)碼照相、移動電話及多媒體信息處理等廣闊的民用市場中得到應用。正因為如此，美、日、歐等發(fā)達國家和地區(qū)及高新技術產(chǎn)業(yè)界都十分重視這項新技術，正投巨資加快產(chǎn)品的商業(yè)化

03角度、位置傳感器

　　用于數(shù)控機床，汽車測速，非接觸開關，旋轉編碼器等領域。具有功耗小，可靠性高，體積小，價格便宜和更強的輸出信號等優(yōu)點。

04基于GMR傳感器陣列的生物檢測

　　GMR傳感器比電子傳感器更靈敏、可重復性強，具有更寬的工作溫度、工作電壓和抗機械沖擊、震動的優(yōu)異性能，而且GMR傳感器的工作點也不會隨時間推移而發(fā)生偏移。GMR傳感器的制備成本和檢測成本低，對樣本的需求量很小。由GRM傳感器組成的陣列，還可以結合現(xiàn)有的IC工藝，提高整體設備的集成度，進行多目標的檢測，同時，對比傳統(tǒng)的熒光檢測法，磁性標記沒有很強的環(huán)境噪聲，標記本身不會逐漸消退，也不需要昂貴的光學掃描設備以及專業(yè)的操作人員。

05巨磁阻傳感器應用于軍事領域

　　GMR傳感器芯片在軍事裝備上也有廣泛的應用，比如：超微磁場探測器，地磁場探測傳感器，航天磁場方位傳感器。

三巨磁阻傳感器發(fā)展前景

　　人類利用電子的荷電性在半導體芯片上創(chuàng)造了今天的信息時代，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(zhàn)。事實上人類對于自旋極化輸運的了解還處于一個非常膚淺的階段，對新出現(xiàn)的新現(xiàn)象、新效應的理解基本上還是一種“拼湊式”的、半經(jīng)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(fā)上都將是凝聚態(tài)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(yè)，其發(fā)展必定帶來人類技術文明的進一步發(fā)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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