巨磁电阻效应及其传感器的原理
巨磁电阻效应测试转速的基本原理
巨磁电阻效应测试转速的基本原理
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巨磁电阻原理
巨磁电阻原理
巨磁电阻效应是一种基于磁电阻效应的现象,它是指在外加磁
场的作用下,材料的电阻发生变化的现象。巨磁电阻效应在许多领
域都有着重要的应用,特别是在磁存储器、传感器、磁场测量等方
面具有广泛的应用价值。本文将从巨磁电阻效应的基本原理、应用
以及发展趋势等方面进行介绍。
巨磁电阻效应的基本原理是指在外加磁场的作用下,材料的电
阻发生变化的现象。这种现象是由于材料内部的自旋极化和外部磁
场之间的相互作用导致的。一般来说,当外加磁场的方向与材料内
部自旋极化方向一致时,材料的电阻会减小;反之,当外加磁场的
方向与材料内部自旋极化方向相反时,材料的电阻会增大。这种现
象可以用一个参数巨磁电阻率来描述,它是指在外加磁场的作用下,材料电阻的相对变化率。巨磁电阻率的大小与材料的特性以及外加
磁场的大小有关。
巨磁电阻效应在磁存储器方面有着重要的应用。由于巨磁电阻
效应的存在,可以制造出一种新型的磁存储器,即巨磁电阻存储器。这种存储器具有读写速度快、存储密度高、功耗低等优点,因此在
计算机领域得到了广泛的应用。另外,在传感器方面,巨磁电阻效
应也有着重要的应用。利用巨磁电阻效应制造的磁传感器具有灵敏
度高、响应速度快等优点,可以用于测量磁场的强度、方向等参数。除此之外,巨磁电阻效应还可以用于制造磁场测量仪器、磁导航系
统等。
随着科学技术的不断发展,巨磁电阻效应也在不断得到深入研
究和应用。目前,人们正在努力寻找新的材料,以提高巨磁电阻效
应的温度稳定性、巨磁电阻率等性能,从而拓展其在更广泛领域的
应用。同时,人们还在研究如何通过微纳加工技术制备出尺寸更小、性能更优越的巨磁电阻器件,以满足微型化电子设备对传感器和存
【2017年整理】巨磁阻效应的原理及应用
【2017年整理】巨磁阻效应的原理及
应用
巨磁阻效应(Giant Magnetoresistance, GMR)是一种物理现象,指在特定条件下,铁磁或亚铁磁材料中的磁电阻发生显著变化的现象。这种现象在工业和科研领域具有广泛的应用价值,因此了解其原理及在各领域的应用十分重要。
一、巨磁阻效应的原理
巨磁阻效应主要由以下几个因素决定:
1.交换耦合:当两个磁性材料之间有耦合作用时,它们的磁矩会互相影响。在
特定的条件下,这种耦合作用会使材料的磁电阻发生显著变化。
2.层状结构:巨磁阻材料通常采用多层膜结构,其中每一层都可以作为电流通
道。当电流垂直于膜面流动时,各层中的磁矩会相互作用,导致电阻发生变化。
3.钉扎场:钉扎场是指材料内部由于杂质、缺陷或其他因素引起的局部磁场。
当电流在材料中流动时,钉扎场会对电流产生散射作用,导致电阻增加。
二、巨磁阻效应的应用
巨磁阻效应在多个领域具有广泛的应用价值,以下是几个主要应用领域:
1.硬盘读取头:巨磁阻材料制成的硬盘读取头是现代计算机和数据中心的核心
组件之一。由于其具有高灵敏度和低噪音的特性,使得硬盘读取头的读取速度和准确性得到大幅提升。
2.磁传感器:巨磁阻材料制成的磁传感器在医疗、工业和科研领域得到广泛应
用。例如,在医疗领域中,磁传感器可用于检测人体内的金属物体和进行磁场导航;在工业领域中,磁传感器可用于检测电动机和发电机的转子位置;
在科研领域中,磁传感器可用于研究物质的磁性和电磁场分布。
3.磁场探测器:巨磁阻材料制成的磁场探测器可用于检测弱磁场和高精度测量
磁场方向和大小。例如,在地球物理勘探、生物医学和核磁共振等领域,磁场探测器具有重要应用价值。
巨磁电阻效应测试电流的基本原理
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GMR磁场传感器的工作原理
GMR磁场传感器的工作原理
巨磁电阻(GMR)效应是1988年发现的一种磁致电阻效应,由于相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上,因此名为巨磁电阻(Giant Magnetoresistanc),简称GMR。
1. 巨磁电阻(GMR)原理,见图一。
巨磁电阻(GMR)效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同,因而导致的电阻值的变化。这种效应只有在纳米尺度的薄膜结构中才能观测出来。赋以特殊的结构设计这种效应还可以调整以适应各种不同的性能需要。
2. 巨磁电阻(GMR)传感器原理,见图二。
巨磁电阻(GMR)传感器将四个巨磁电阻(GMR)构成惠斯登电桥结构,该结构可以减少外界环境对传感器输出稳定性的影响,增加传感器灵敏度。工作时图中“电流输入端”接5V~20V的稳压电压,“输出端”在外磁场作用下即输出电压信号。
3. 巨磁电阻(GMR)传感器性能,见图三,表一。
图三所示为巨磁电阻(GMR)传感器在外场中的性能曲线,表明该传感器在±200Oe的磁场范围类有较好的线性。
表一所示为国际上各公司生产的巨磁电阻(GMR)传感器的性能对照,表中标注有(库万军)处为本公司产品。对比表明本公司的产品无论灵敏度或线性范围都有较大的优越性,而且本公司产品性能仍在不停的丰富和完善过程中。更为重要的是,本公司产品采用特殊的结构,适宜于采用半导体集成化规模生产,因此生产成本低。
图3巨磁电阻(GMR)传感器在外场下的性能曲线表一各公司巨磁电阻(GMR)传感器性能对照
灵敏度(mV/V*Oe)线性范围
(Oe)
结构及材料偏磁技术
巨磁电阻效应及应用的原理
巨磁电阻效应及应用的原理
巨磁电阻效应的定义
巨磁电阻效应是指当外加磁场发生变化时,材料的电阻发生改变的现象。这种
现象的发现和研究引发了巨磁电阻效应的探索和应用。
巨磁电阻效应的原理
巨磁电阻效应是由磁性材料自旋极化和电子传输的相互作用引起的。这种效应
主要依赖于磁性材料中的自旋极化态以及电子的传输方式。
当磁场施加在磁性材料上时,磁场与材料中的自旋相互作用会引起自旋的重新
排列。自旋的重新排列会导致电子在材料中的传输行为发生变化,从而影响材料的电阻。这种自旋排列的重新配置会引起电子的散射和反射,从而影响电子的传输路径和速度。
巨磁电阻效应的应用
巨磁电阻效应的发现和研究为许多实际应用提供了可能。以下是巨磁电阻效应
的一些主要应用:
1.磁存储器:巨磁电阻效应被广泛应用于磁存储器中,可用于读取和写
入数据。磁存储器可以储存大量的数据,而且巨磁电阻效应能够实现快速、高密度的读写操作。
2.磁传感器:巨磁电阻效应广泛应用于磁传感器中,用于检测磁场的变
化。磁传感器可以用于地理导航系统、磁共振成像仪、汽车导航系统等。
3.磁阻变传感器:巨磁电阻效应还可应用于磁阻变传感器中,用于检测
物体的位置、位移和旋转角度。磁阻变传感器可以应用于汽车制动系统、手持设备的姿态感知等领域。
4.磁阻随机存取存储器(MRAM):巨磁电阻效应在磁阻随机存取存储
器中的应用有很大潜力。MRAM具有非易失性、低功耗、高速度和高密度等
优点。
5.磁阻式角度传感器:巨磁电阻效应还可以应用于磁阻式角度传感器中,
用于检测物体的角度变化。磁阻式角度传感器可以应用于机械臂、机器人和汽车的转向系统等。
巨磁电阻效应及其应用
巨磁电阻效应及其应用
巨磁电阻效应(GMR)是指一种材料在外加磁场作用下,其电导率发生改变,从而导致电阻率发生变化的现象。这一现象最早是在20世纪50年代由Alfred G. Yelon等人在垂直于金属层面的磁场作用下观察到的。但直到1988年,Prinz等人才发现了铁磁性薄膜间的GMR现象,这也使得GMR效应引起了科学家们的广泛兴趣。GMR效应在接下来的几年里得到了深入研究,被发现可以用于高密度数据存储和无线通讯等多种应用中。
GMR效应可以由一系列不同的物理机制所产生。其中,最为常见的是自旋環境杂化(SEH)和直接交换耦合(DEC)。在SEH机制下,电流通过一条薄膜时会造成电子的自旋极化,这个自旋极化可以将与之相邻的薄膜中的自旋磁矩引起旋转,导致自旋的损失。因此,在自旋磁矩方向相同的情况下,电阻率会较小,而在自旋反向的情况下,电阻率会较大。在DEC机制下,自旋子交换能会通过金属层之间的电场作用而引起自旋磁矩的反向。这也可以导致GMR效应的体现,但其具体机理仍有待深入探究。
GMR效应在很多领域都具有重要的应用。其中最为广泛的是在数据存储中的应用。磁头读取硬盘上的数据时,通过读取与保存数据时的自旋方向差异来区分不同的数据信息。而GMR头比传统头更加灵敏,因此能够更准确地读取数据,同时也能够提高数据存储的密度。此外,GMR效应还可以应用于磁性传感器中。例如,GMR平面传感器可以精确地测量磁场的强度和方向,因此被广泛应用于导航、探矿以及科学实验中。此外,GMR还可以应用于生物医学领域中的诊断和治疗。比如在生命科学中,GMR传感器可以用于检测药物和蛋白质的相互作用,在诊断和治疗中也具有潜在的应用价值。
巨磁电阻效应
巨磁电阻效应
巨磁电阻效应是一种材料的特殊电学性质,它在磁场的作用下,导致材料电阻发生变化。这种效应最早于1857年被法国物理学家埃米尔·埃德蒙·皮卡尔发现,并在20世纪80年代得到了进一步的研究和应用。
一、巨磁电阻效应的原理
巨磁电阻效应的原理主要基于磁电阻效应和自旋极化效应。当电流通过材料时,自由电子会受到周围磁场的影响而发生偏转。当磁场垂直于电流方向时,自由电子的自旋方向和运动方向会发生关联,这也被称为自旋阻尼。
在自旋阻尼的作用下,自由电子的速度和自旋方向会发生变化,导致电子在材料中碰到来自其他自由电子的阻力。这种阻力会导致材料电阻的增加,从而出现巨磁电阻效应。
二、巨磁电阻效应的应用
1. 磁存储技术
巨磁电阻效应被广泛应用于磁存储器中,例如硬盘驱动器和磁存储芯片。在磁存储器中,巨磁电阻效应可以使得读取电路能够更加准确地检测到磁场的变化,从而实现数据的读取和写入。
2. 磁传感器
由于巨磁电阻效应的敏感性和可控性,它在磁传感器领域得到了广
泛的应用。磁传感器利用巨磁电阻效应可以测量磁场的强度和方向,
广泛应用于导航、车辆安全和医疗设备等领域。
3. 电子设备
巨磁电阻效应还被应用于电子设备中,例如磁传感器、扬声器和微
波器件等。这些设备利用巨磁电阻效应可以实现电阻的调节和信号的
处理。
三、巨磁电阻效应的优势和展望
与传统电阻相比,巨磁电阻效应有以下几个优势:
1. 效应大:巨磁电阻效应的变化幅度可达到几十倍甚至上百倍。
2. 快速响应:巨磁电阻效应的响应速度可以达到纳秒级别。
3. 高稳定性:巨磁电阻效应是一种内禀的性质,不受温度和时间的
巨磁电阻的原理的作用
巨磁电阻的原理的作用
巨磁电阻(Giant Magnetoresistance,GMR)是一种利用磁电阻效应来实现电阻变化的新型材料。它是由物理学家A. Fert和P. Grunberg于1988年独立发现的,并于2007年因此获得了诺贝尔物理学奖。
巨磁电阻的原理主要基于两种不同的磁性材料层之间的自旋极化效应和电子面
积散射的相互作用。自旋是电子的一种内禀自由度,它类似于电子围绕核自旋的自旋成对,但自旋只有两个可能的方向:向上和向下。
巨磁电阻由两个层组成,一个为磁性层,另一个为非磁性层。这两个层之间存在一种称为自旋探测层的薄层,用于检测磁场的变化。当磁场的方向与自旋探测层内的自旋极化方向夹角发生变化时,会导致电阻值的改变。这种磁场引起的电阻变化称为磁电阻效应。
巨磁电阻的作用主要表现在以下几个方面:
1. 磁存储器:巨磁电阻可以被应用于磁存储器中,例如硬盘驱动器和磁带。在数据读取和写入过程中,磁场的变化可以通过巨磁电阻的变化来解析和传输。这种巨磁电阻效应使得磁存储器在存储密度、读取速度和稳定性方面有了显著提升。
2. 传感器:巨磁电阻被广泛应用于磁传感器中,例如指南针、磁敏电阻(MR)传感器和地震传感器等。这些传感器通过检测磁场的变化来测量物理量,如位置、
方向和振动等。巨磁电阻具有高灵敏度和线性响应的优势,使得传感器的性能得到了大幅提升。
3. 电子设备:巨磁电阻的高灵敏度和可调性使其被应用于电子设备中,如磁传感器芯片、磁性写头和磁性随机存储器等。这些应用领域中,巨磁电阻的优势在于其低功耗、小体积、高工作速度和长寿命等特点。
[讲解]巨磁阻效应的原理及应用
[讲解]巨磁阻效应的原理及应用
巨磁阻效应的原理及应用
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。一般情况下,物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化,在某种条件下,电阻减小的幅度相当大,比通常情况下约高十余倍,称为巨磁阻效应(GMR)。
要说这种效应的原理,不得不说一下电子轨道及自旋。种角动量在原子物理学中,对于单电子原子(包括碱金属原子)处于一定的状态,有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。表征其性质的量子数是主量子数n、角量子数1、自旋量子数s,l,2,和总角动量量子数j。主量子数5二1, 2, 3, 4…)会视电子与原子核间的距离(即半径座标"而定。平均距离会随着n增大,因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。角量子数(1=0, 1…n-L)(乂称方位角量子数或轨道量子数)通过关系式来代表轨道角动量。在化学中,这个量子数是非常重要的,因为它表明了一轨道的形状,并对化学键及键角有重大形响。有些时候,不同角量子数的轨道有不同代号,1二0的轨道叫s轨道,1二1的叫p轨道,1二2的叫d 轨道,而1二3的则叫f轨道。磁量子数(ml= -1, -1+1 - 0…1-1, 1)代表特征值,。这是轨道角动量沿某指定轴的射影。从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态(泡利不相容原理),故也绝不能拥有同一组量子数。所以为此特别提出一个假设来解决这问题,就是设存在一个有两个可能值的笫四个量子数一自旋量子数。这假设以后能被相对论性量子力学所解释。
巨磁电阻效应的原理及应用
巨磁电阻效应的原理及应用
1. 巨磁电阻效应的介绍
巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance,GMR)是一种描述材料电阻随外加
磁场变化的现象。GMR的发现被认为是短距离存储技术的突破,对磁敏感材料和
磁传感器的发展具有重要意义。
2. 巨磁电阻效应的原理
巨磁电阻效应的产生与磁性多层膜结构中存在的顺磁性层和铁磁性层之间的相
互作用有关。当外加磁场改变时,磁性多层膜中的磁性层会发生磁矩的重排和旋转,从而导致电子的自旋定向与电子传输方向的关系发生变化。这种变化会导致电阻的变化,即巨磁电阻效应的产生。
3. 巨磁电阻效应的应用
巨磁电阻效应的应用非常广泛,主要包括以下几个方面:
3.1 磁存储器
巨磁电阻效应在磁存储领域发挥着重要作用。由于巨磁电阻效应的出现,磁存
储器的读写速度得到了显著提高。传统磁存储器需要通过读写头的接触来读取数据,而采用巨磁电阻效应材料制成的磁存储器只需通过测量电阻值的变化来完成数据读取,大大提高了读取速度和数据存取密度。
3.2 磁传感器
巨磁电阻效应材料常常被用于制作磁传感器。巨磁电阻效应材料的电阻值随外
加磁场的变化而变化,因此可以利用巨磁电阻效应材料制成的传感器来测量磁场的强度和方向。磁传感器在航空航天、交通运输、医疗设备等领域中得到了广泛应用。
3.3 磁电阻随机存取存储器(MRAM)
巨磁电阻效应也被应用于磁电阻随机存取存储器(Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM)的制造。MRAM是一种新型的非易失性存储器,兼具闪
存和DRAM的优点。相比传统存储器技术,MRAM具有读取速度快、功耗低、抗
巨磁阻效应原理
巨磁阻效应原理
巨磁阻效应是指在外加磁场作用下,磁电阻材料的电阻发生显
著变化的现象。巨磁阻效应的发现,不仅在基础物理研究中具有重
要意义,而且在传感器、存储器、磁场测量等领域有着广泛的应用。本文将着重介绍巨磁阻效应的原理及其在实际应用中的意义。
首先,我们来了解一下巨磁阻效应的基本原理。巨磁阻效应是
由磁电阻材料的磁性微结构引起的。在磁电阻材料中,存在着由磁
性和非磁性层交替排列形成的磁性微结构。当外加磁场作用于这些
磁性微结构时,磁性层的磁矩会发生重新排列,从而导致了材料整
体电阻的变化。这种磁矩重排所导致的电阻变化就是巨磁阻效应。
接下来,我们将讨论巨磁阻效应在实际应用中的意义。由于巨
磁阻效应具有灵敏度高、响应速度快、能耗低等优点,因此在传感
器领域有着广泛的应用。例如,利用巨磁阻效应制成的磁场传感器
可以用于测量地磁场、电流、位移等物理量,具有精度高、抗干扰
能力强的特点。此外,巨磁阻效应还被应用于磁存储器领域。利用
巨磁阻效应制成的磁阻随机存储器具有存储密度高、读写速度快的
特点,可以用于制造高性能的磁存储器。除此之外,巨磁阻效应还
在磁场测量、磁导航等领域有着重要的应用价值。
总结一下,巨磁阻效应是一种重要的磁性现象,其原理是由磁
性微结构的磁矩重排所导致的电阻变化。巨磁阻效应具有灵敏度高、响应速度快、能耗低等优点,在传感器、存储器、磁场测量等领域
有着广泛的应用前景。相信随着科学技术的不断发展,巨磁阻效应
将会在更多领域展现出其重要的作用。
gmr传感器工作原理
gmr传感器工作原理
GMR传感器工作原理
引言:
GMR(Giant Magneto Resistance)传感器是一种基于巨磁电阻效应的传感器,具有高灵敏度、快速响应和低功耗等优点。它在磁传感领域得到了广泛应用,如磁存储器、磁头以及磁传感器等。本文将介绍GMR传感器的工作原理及其应用。
一、巨磁电阻效应
巨磁电阻效应是指在某些特殊材料中,当外加磁场改变时,材料电阻发生明显变化的现象。这种效应是由于磁场改变引起材料内部磁矩方向发生变化,从而影响电子的运动和散射,导致电阻的改变。其中最具代表性的材料是由铁、铁氧体和铬等多层薄膜组成的磁多层结构。
二、GMR传感器的结构
GMR传感器通常由两个平行排列的磁多层结构组成,中间夹有一层非磁性金属薄层。其中一个磁多层结构被称为固定层,其磁矩方向固定不变;另一个磁多层结构被称为自由层,其磁矩方向可以受外界磁场影响而改变。当没有外界磁场作用时,自由层的磁矩方向与固定层垂直,导致电阻最大。而当外界磁场作用于自由层时,自由层的磁矩方向会发生改变,使得电阻值发生变化。
三、GMR传感器的工作原理
当GMR传感器暴露在外界磁场中时,自由层的磁矩方向会发生变化。这种磁矩方向变化会导致自由层和固定层间电子的散射发生改变,从而影响电阻的大小。当自由层的磁矩方向与固定层平行时,电阻最小;当自由层的磁矩方向与固定层垂直时,电阻最大。通过测量电阻的变化,我们可以确定外界磁场的大小和方向。
四、GMR传感器的应用
1. 磁存储器:GMR传感器被广泛应用于硬盘驱动器中,用于读取磁盘上的数据。它可以实现更高的磁道密度和更高的数据存储容量。
巨磁阻效应的原理及应用
巨磁阻效应的原理及应用
1. 引言
巨磁阻效应(Giant Magneto Resistance,简称GMR)是一种材料特性,是指在外加磁场下,材料电阻发生大幅度变化的现象。由于其在信息存储、传感器等领域具有广泛的应用,因此对其原理及应用进行深入研究和了解具有重要意义。
2. 巨磁阻效应的原理
巨磁阻效应源于磁性多层结构材料中的自旋阻尼效应和磁性交换效应。当多层
结构材料中的两个磁性层之间被非磁性层隔开时,自旋极化电流通过这些层会引起阻尼之间的传递,导致电阻发生变化。
巨磁阻效应的原理可以用以下几点进行解释:
•磁性多层结构:采用多层薄膜结构,其中包含不同磁性层和非磁性层。
•自旋极化电流:施加自旋极化电流时,电子的自旋会对电子传输产生影响。
•自旋阻尼效应:自旋极化电流通过磁性层时,会与该层磁矩发生相互作用,引起自旋的阻尼。
•磁性交换效应:自旋极化电流引起的自旋阻尼会与相邻磁性层之间的磁性交换作用产生耦合,导致电阻变化。
3. 巨磁阻效应的应用
3.1 磁存储器
巨磁阻效应在磁存储器中有广泛应用。磁存储器利用外加磁场的变化,改变磁
性多层结构材料中的电阻,从而存储和读取信息。巨磁阻效应的高灵敏度和可控性,使得磁存储器具有更高的容量和更快的速度。
3.2 磁传感器
巨磁阻效应也可以应用于磁传感器中。磁传感器利用材料的电阻变化来感应磁
场的变化。巨磁阻传感器具有高灵敏度、宽工作范围和低功耗的特点,广泛应用于磁测量、地磁导航和磁生物学等领域。
3.3 磁电阻头
巨磁阻效应还可以用于磁电阻头的制造。磁电阻头是读取硬盘驱动器中存储信
巨磁电阻原理
巨磁电阻原理
巨磁电阻效应是指在外加磁场的作用下,材料的电阻发生变化的现象。这一效应是由于磁性材料中自旋磁矩的定向受到外磁场的影响而引起的。巨磁电阻效应在磁存储、传感器、磁电阻头等领域具有重要应用价值。
巨磁电阻效应的原理可以通过以下几个方面来解释:
首先,当外加磁场作用于磁性材料时,磁性材料中的自旋磁矩会发生定向,导致材料的电子运动轨道发生变化。这种变化会影响材料的电子输运性质,进而改变材料的电阻。
其次,巨磁电阻效应还与磁性材料中的磁畴结构有关。磁畴是指在磁性材料中具有一定方向的微观磁矩区域。在无外磁场作用时,磁性材料中的磁畴呈现出随机分布的状态,导致材料的电阻较大。而在外加磁场作用下,磁畴会发生重新排列,使得磁性材料的电阻发生变化。
最后,巨磁电阻效应还与自旋极化有关。自旋极化是指在磁性材料中,电子的自旋方向会受到外磁场的影响而发生变化。这种自旋极化会影响材料的电子输运性质,从而改变材料的电阻。
总的来说,巨磁电阻效应是由外磁场对磁性材料中的自旋磁矩、磁畴结构和自旋极化等方面的影响而产生的。利用这一效应,可以设计出各种应用于磁存储、传感器等领域的巨磁电阻器件,为现代电子技术的发展提供了重要的支持。
在实际应用中,巨磁电阻效应的研究和应用具有重要的意义。通过对巨磁电阻效应的深入理解,可以设计出更加高效、稳定的巨磁电阻器件,为磁存储、磁传感器等领域的发展提供更多可能性。同时,巨磁电阻效应的研究也有助于深入理解磁性材料的电子输运性质,为材料科学的发展做出贡献。
综上所述,巨磁电阻效应是一种重要的磁电效应,其原理涉及磁性材料中的自旋磁矩、磁畴结构和自旋极化等方面。通过对这些方面的研究,可以设计出各种高效、稳定的巨磁电阻器件,为现代电子技术的发展提供重要支持。巨磁电阻效应的研究和应用具有重要的意义,对于推动磁存储、传感器等领域的发展具有重要的推动作用。
与巨磁电阻效应有关的实例
与巨磁电阻效应有关的实例
巨磁电阻效应是指在磁场作用下,材料的电阻发生变化的现象。这种
现象被广泛应用于磁传感器、磁存储器、磁阻隔离器等领域。下面将
介绍一些与巨磁电阻效应有关的实例。
1. 磁阻传感器
磁阻传感器是一种利用巨磁电阻效应测量磁场的传感器。它由一个磁
敏感元件和一个电路组成。当磁场作用于磁敏感元件时,它的电阻会
发生变化,电路会输出一个与磁场强度成正比的电信号。磁阻传感器
具有灵敏度高、响应速度快、体积小等优点,被广泛应用于汽车、电
子设备、医疗器械等领域。
2. 磁阻隔离器
磁阻隔离器是一种利用巨磁电阻效应实现电气隔离的器件。它由两个
磁敏感元件和一个隔离层组成。当输入信号通过一个磁敏感元件时,
它的电阻会发生变化,输出信号通过另一个磁敏感元件时,它的电阻
也会发生相应的变化。由于隔离层的存在,输入信号和输出信号之间
实现了电气隔离。磁阻隔离器具有高精度、高速度、高可靠性等优点,被广泛应用于工业自动化、电力电子等领域。
3. 磁阻存储器
磁阻存储器是一种利用巨磁电阻效应实现信息存储的器件。它由一个磁敏感元件和一个磁性介质组成。当磁场作用于磁敏感元件时,它的电阻会发生变化,这个变化可以被读取出来,从而实现信息的存储和读取。磁阻存储器具有存储密度高、读写速度快、功耗低等优点,被广泛应用于计算机、移动设备等领域。
总之,巨磁电阻效应是一种重要的物理现象,它在磁传感器、磁阻隔离器、磁阻存储器等领域得到了广泛应用。随着科技的不断发展,巨磁电阻效应的应用前景将会更加广阔。
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巨磁阻效应及其传感器的原理和应用
一、概述
对于物质磁电阻特性的研究由来已久,早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化,通常用电阻变化率Δr/r 描述。研究发现,一般金属导体的Δr/r很小,只有约10-5%;对于磁性金属或合金材料(例如坡莫合金),Δr/r可达(3~5)%。所谓巨磁电阻(GMR)效应,是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小,而Δr/r急剧增大的特性,一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。利用这一效应制成的传感器称为GMR传感器。
1、分类
GMR材料按其结构可分为具有层间偶
合特性的多层膜(例如Fe/Cr)、自旋阀多层膜
(例如FeMn/FeNi/Cu/FeNi)、颗粒型多层膜(例
如Fe-Co)和钙钛矿氧化物型多层膜(例如
AMnO3)等结构;其中自旋阀(spin
valve)多层膜又分为简单型和对称型两
类;也有将其分为钉扎(pinning)和非钉扎型两类
的。
2、巨磁电阻材料的进展
1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak
等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中
的层间偶合现象。1988年法国的M.N.Baibich
等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现其Δ
r/r在4.2K低温下可达50%以上,由此提出了
GMR效应的概念,在学术界引起了很大的反
响。由此与之相关的研究工作相继展开,陆续
研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、
Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层
间偶合多层膜。自1988年发现GMR效应后仅
3年,人们便研制出可在低磁场(10-2~10-6T)
出现GMR效应的多层膜(如
[CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]n)。
1992年人们利用两种磁矫顽力差别大的
材料(例如Co和Fe20Ni80)制成Co/Cu/
Fe20Ni80/Cu多层膜,他们发现,当Cu
层厚度大于5nm时,层间偶合较弱,此时利用
磁场的强弱可改变磁矩的方向,以自旋取向的
不同来控制膜电阻的大小,从而获得GMR效
应,故称为自旋阀。
与此同时,1992年A.E.
Berkowitz和Chien等人首次发现了Fe、Co与Cu、Ag分别形成二元合金颗粒膜中的磁电阻效应,在低温下其Δr/r可达(40~60)%。随后陆续出现了Fe-Ag、Fe-Cu、CoxAg1-x/Ag等颗粒多层膜。
1993年人们在钙钛矿型稀土锰氧化物中发现了比GMR更大的磁电阻效应,即colossal magneto-
resistance(CMR)庞磁电阻效应,开拓了GMR研究的新领域。
GMR效应的理论是复杂的,许多机理至今还不清楚;对于这些理论也分为层间交换偶合(IEC)、磁性多层膜的GMR、隧道磁电阻(TMR)等类型,详情可参阅有关文献。
3、巨磁电阻传感器的进展
在发现低磁场GMR效应之后,1994年C.Tsang等研制出全集成化的GMR 器件—自旋阀。同年,美国的IBM公司研制出利用自旋阀原理的数据读出磁头,它将磁盘记录密度提高了17倍,达5Gbit/6.45cm2(in2),目前已达11Gbit/6.45cm2(in2)。这种效应也开始用于制造角度、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。作为传感器它具有功耗小、可靠性高、体积小、价格便宜和更强的输出信号等优点。最近已研制出利用CMR效应的位置传感器。2000年7月在德国的德雷斯顿举行的第3届欧洲磁场传感器和驱动器学术会议上,关于GMR传感器的论文占论文总数的1/3以上,可见人们的关注程度。
表1自旋阀GMR代表值特性表
二、磁性多层膜的巨磁电阻效应
1、磁性层间偶合多层膜
图4 Cu-Co合金颗粒膜GMR效应图5钙钛矿氧化物的CMR效应特性曲线图6 La-Y-Ca-Mn-OCMR
效应曲线磁性层间偶合多层膜和自旋阀多层膜的主要区别是:前者采用层间偶合方
式进行信号传递;后者采用控制磁矩取向方式进行信号传递。
层间偶合多层膜结构通常由铁磁金属(FM)层和非磁性金属(NM)层交替生成,其通式为:CM/FM/NM…/FM/CM(1)
式中:CM—上下两侧的覆盖层(或称缓冲层)为金属材料,有无皆可。
1988年法国的M.N.Baibich等人在美国物理学会主办的Physical Review
Letters上发表了有关Fe/Cr巨磁电阻效应的著名论文,首次报告了采用分子外延生长工艺(MBE)制成Fe(100)/Cr(100)规则型点阵多层膜结构。在这种(Fe/Cr)n结构中,Fe为强铁磁性金属,Cr为反铁磁性金属,n为Fe和Cr的总层数。它是采用MBE工艺将Fe(100)/Cr(100)生长在GaAs芯片上,其工艺条件是,保持MBE室内剩余压力为6.7´10-9Pa,芯片温度约20°C,淀积速率:对于Fe为0.06nm/s;对于Cr为0.1nm/s。它们每层的厚度约(0.9~9)nm,通常为30层。为获得上述淀积速率,还专门设计了坩埚蒸发器。经实验发现,当Cr的厚度小于(0.9~3)nm时,它与Fe层之间偶合的一个反向铁磁特性(AF)的磁滞回线斜率逐渐增大。图1显示了Fe层为3nm,Cr层分别为0.9nm、1.2nm和1.8nm,磁感应强度B在±2T范围内,热力学温度T=4.2K,n=30、35、60时,3个不同样本的特性。随着Cr厚度的增加和总层数的降低,Δr/r也升高,而且高斯磁场强度HS越弱,Δr/r越高,当HS≈2T时,[Fe(3nm)/Cr0.9nm]60膜的Δr/r
可达50%以上。实验还发现,即使温度升至室温,HS降低了30%,Δr/r 也可达到低温值的一半,这一结论具有十分大的实用价值。
随后人们发现了大量层间偶合多层膜中GMR效,如(Co/Cu)n、(Co/Ru)n、(CoFe/Co)n、(Co/Ag)n、(NiFe/Cu)n、(NiCo/Cr)n、(NiFeCo/Cu/Co)n、(NiFeCo/Cu/Co)n和(NiFeCo/Al+Al2O3/Co)n等材料。这些材料在室温下的Δr/r也都达到10%以上甚至更高。
2.自旋阀多层膜
简单型自旋阀通常是由一层NM(例如Cu)和两层FM组成。与多层结构不同,具有扎钉磁化取向特性的第一FM层作为参考层,适当的选择Cu层的厚度,使它仅将微弱的磁场信号偶合到作为敏感层的第二FM层。通常的扎钉功