LC共振增强巨磁阻抗效应

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巨磁阻传感器原理及其应用

巨磁阻传感器原理及其应用日期：2013-11-15作者：何喜富，传感器系统应用工程师，英飞凌科技（中国）有限公司目前磁性传感器在汽车领域应用中主要有霍尔效应，各项异性磁阻效应，巨磁阻效应以及穿遂磁阻效应。

英飞凌是少数几个同时掌握磁性感应技术并应用于产品中的半导体公司之一。

磁性传感器广泛应用于现代汽车中，如速度检测，角度检测，位置检测，电流检测等。

根据磁性感应原理，可分为霍尔原理及磁阻原理。

其中磁阻式根据原理又可分为常磁阻效应（Ordinary Magneto Resistance, OMR）、各项异性磁阻效应（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）、巨磁阻效应（Giant Magneto Resistance，GMR）、超巨磁阻效应（Colossal Magneto Resistance，CMR）、穿遂磁阻效应（Tunnel Magneto Resistance，TMR）、巨磁阻抗效应（Giant Magneto impedance，GMI）以及特异磁阻效应（Extraordinary Magneto Resistance，EMR）等。

目前磁性传感器在汽车领域应用中主要有霍尔效应，各项异性磁阻效应，巨磁阻效应以及穿遂磁阻效应。

英飞凌是少数几个同时掌握有以上磁性感应技术并应用于产品中的半导体公司之一。

相比于霍尔效应和各项异性磁阻效应，巨磁阻效应具有更好的灵敏度,更小的噪声以及气隙表现,非常适合汽车领域中需要高精度以及较大工作气隙要求的应用。

目前英飞凌巨磁阻系列传感器涵盖速度及角度应用，本文主要介绍巨磁阻传感器原理及其在速度检测和角度检测方面应用。

集成巨磁阻原理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。

【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。

4.磁记忆材料：巨磁阻材料制成的磁记忆材料具有高密度、高速度和高可靠性等优点，可用于数据存储和逻辑运算等领域。

与传统的半导体存储器相比，磁记忆材料具有更高的存储密度和更长的使用寿命。

5.磁场调控：巨磁阻效应还可以用于调控磁场分布和方向，从而在多个领域具有潜在的应用价值。

巨磁阻抗效应PPT

巨磁阻抗效应
目录
• 引言 • 巨磁阻抗效应的理论基础 • 巨磁阻抗效应的实验研究 • 巨磁阻抗效应的应用前景 • 总结与展望
01
引言
巨磁阻抗效应定义
磁场作用下的电阻变化
巨磁阻抗效应是指在磁场作用下，材料的电阻发生显著变化的现象。
依赖于磁场强度和方向
巨磁阻抗效应的大小和方向与磁场的强度和方向密切相关，这使得该效应具有很高的磁场灵敏度。
其他领域
巨磁阻抗效应还可应用于磁性随机存取存储器(MRAM)、磁性逻辑电路等新兴领域，推动自旋电子学的发展。
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结果分析
根据实验结果，可以分析得到巨磁阻抗效应的一些特性，如阻抗随磁场强度的变化规律、阻抗随频率的变化规律等。这些特性可以为巨磁阻抗效应的应用提供理论依据和技术支持。同时，实验结果还可以与理论模型进行比对，验证理论的正确性，并推动理论的进一步完善。
04
巨磁阻抗效应的应用前景
巨磁阻抗效应在电子工程领域的应用
应的产生机理和影响因素，有助于进一步探索其在电子器件和磁传感器等领域的应用前景。
03
巨磁阻抗效应的实验研究
实验设计与装置
实验设计
本实验旨在研究巨磁阻抗效应的特性，采用控制变量的方法，通过改变磁场强度、频率等参数，观察阻抗的变化规律。
实验装置
实验采用电磁铁产生磁场，样品置于磁场中。通过信号发生器产生交变电流，经过放大器放大后，输入到样品中。样品的阻抗变化通过阻抗分析仪进行测量，最终由计算机进行数据采集与处理。
影响因素
巨磁阻抗效应受到材料组成、微观结构、磁场强度和频率等多种因素的影响，深入理解这些因素对效应的影响机制是关键。
未来研究方向与挑战
材料设计

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。

总之，GMR效应是一种基于材料电导率随磁场变化的现象。

其重要的应用领域包括数据存储、磁性传感器以及生物医学等领域。

随着技术的进步和理解的不断深入，GMR效应将有更多广阔的应用前景。

巨磁阻效应及其应用

被测线路
磁敏轴
图４从传感器放置示意图
如果要计算ＡＡ传感器跟某个电流强度的关系，通常要获得如图５所示的计算要素。
图５从传感器感应磁场强度的计算模型
其中ｄ１和ｄ２如图４所示。ｒ的计算如图６所示。
圈６ＡＡ传感器与被测线路距离ｒ的计算模型
图６中ＰＣＢ为双层板，由于覆铜层厚度ｂ和ｄ与ＰｃＢ板厚度ｃ及芯片本身的尺寸ａ比较而言可以忽略不计，通常用ａ＋ｃ计算图５中的ｒ。综合起来传感器中心点的磁场强度的强度与电流的计算公式为：
应用设计
巨磁阻效应及其应用
陈伟平９５９８９部队
摘要：文章主要介绍了巨磁阻效应（ＧＭＲ：ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）的基本原理，也介绍了相应的应用的实现原理和方法，给出了利用ＧＭＲ效应器件在电子设计的应用参考。
关键词：巨磁阻效应ＧＭＲ磁头传感器Байду номын сангаас合器
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＮｏｔｅ８ｆｏｒＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔＯＲｅ８ｉｓｔａｎｃｅＥｆｆｅｃｔ
■
图８ＧＭＲ效应耦台器件的原理圈
以ＮＶＥ公司的ＩＬ７ｘｘ系列的芯片为例，使用ＧＭＲ效应的耦合器件能实现：
·器件尺寸小：２个通道可以封装为ＭＳＯＰ一８ ·较高的传输速率：１５０Ｍｂｐｓ ·传播延迟：最大１５ｎｓ ·延迟偏差：器件对器件４ｎｓ，通道对通道２ｎｓ ·温度范围：一４０℃’＋１２５℃无降级 ·隔离度：２５００Ｖｒｍｓ ·输入阈值电流：１０ｌＩＩＡ ·功耗：５Ｖ时为２．５ｍＡ
平行磁化方向（低阻态）
相反磁化方向（高阻态）
图１巨磁阻效应原理
相比传统的光电耦合和容性隔离等隔离手段，巨磁
阻效应发展出了新的隔离技术。ＧＭＲ效应至少有两个比较明显的优势：一是ＧＭＲ效应所产生的大幅电阻变化可以提

巨磁阻材料掺杂效应

.
Temperature dependence of magnetization (field cooled) M under 0.1 T magnetic field for La2/3Ca1/3Mn1−xSixO3 (x = 0.05–0.25) system in the range of 4.2–300 K around the PM–FM transition region, and the inset shows the M (T ) curve from 220 to 300 K.
3
• 对于Mn 位掺杂来说,则通常采用Fe 、Co 、 Ni 、Cr 、Al 、Ti ，Nb等二、三、四.五价金属元素，由于Mn 离子与掺杂元素离子尺寸不匹配而导致晶格畸变度的改变；掺杂后产生反铁磁团簇；Mn 离子的电子结构的改变；Mn3+/Mn4+比例的变化及掺杂元素的磁性等，从而使得Mn位掺杂呈现出了极其丰富的物理图象。所以通过对Mn 位掺杂的研究将是揭示该类材料的物理机制的有效途径之一。
电磁性质
对于La1-xCaxMnO3体系，从图中可以看到在 x<0. 2的范围内，低温下基态是反铁磁绝缘态 AFI (Antiferromagnetic Insulator)或铁磁绝缘态 FI (Ferromagnetic Insulator):在0.2<x<0.5的范围内，表现为铁磁金属态，在磁有序温度以上表现为顺磁绝缘态，并且转变温度在x=0.33附近表现为最大。x>0.5时，La1-xCaxMnO3表现出了电荷有序绝缘态COI(Charge Ordering Insulator)和反铁磁绝缘态AFI，并在高于奈尔温度和电荷有序温度的范围内表现为顺磁绝缘态PI。

铁基多层膜连接等效成LC并联电路的巨磁阻抗效应

ｒａｏｆｍａｎｔｒｑｕｎｙｓｉｓｎｌｚｄｔｅｇａｔｍａｎｔ・ｍｐｄｎｅｉｈｅｏｎｔｔｆａｌｓｅｎｏｇｅｉｆｅｅｃｈｆＷａａａｙｅ，ｈｉｎｇｅｏｉｅａｃｎｔｅｒｓｎａｔａｅｏｍｐｅｗａｓｃｔｓｓ
联回路的样品．测量了样品的谐振频率和阻抗随外磁场变化的曲线，分析了外磁场引起样品谐振频率改变的原因，研究了样品谐振时的巨磁阻抗效应，得到了样品在固有频率的交变电流驱动下阻抗变化率最大的结果，说明
了样品的巨阻抗效应有很好的频率选择性．磁
关键词：铁基多层膜；Ｃ并联电路谐振；巨Ｌ磁阻抗效应；磁致频移
ｅｐｒｎａａａｉｄｃｔｇａｄｓｉｃｉｅｅｕｎｙｓｌｔｉｆｈｍｐｅＳｉｎｇｅｏｉｅａｃｅｔｘｅｉｔｌｔ，ｎｉａｉｉｔｔｑｅｃｅｉｔｏｅａｌ’￣ａｔｍｅｄｎｎｖｆｒｅｃｖｙｔｓｍａｎｔ－ｍｐｄｎｅｆｃ．ｅ
ｍａｎｔｃｆｅｕｎｙｓｉｇｅｉｑｅｃｈｆｒｔ
巨磁阻抗效应（ａｔｇｅｏＩｅａｃｆｃ，ＧｉｎｎｔＭａｍｐｄｎｅＥｅｔ简称Ｇ）是指具有高磁导星的软磁材料的交流阻抗ＭＩ墓随着外加直流磁场作用而发生大幅度和高灵敏变化的现象…．自从１９９２年日本学者Ｋ．ｈｉ钴基非晶丝Ｍｏｒ在首先发现Ｇ效应现象以来，ＧＭＩ应的研究从单一软磁材料（如，丝、薄带、膜）现已发展到丰富ＭＩ效例多彩的复合结构材料．年来，人们在各种软磁材料中加入绝缘层制备出复合结构材料样品，发现了一些近ＧＭＩ效应的新特征，并从机理解释上也做了很多有意义的理论工作［】２．培本文利用铁基多层膜连接等效成Ｌ并联电路的样品，通过实验发现样品的共振型巨磁阻抗效应，外Ｃ磁场作用于样品使ＬＣ并联电路谐振频率发生变化，产生磁致频移［１．通过实验还发现，改变驱动电流的９０－】频率，会改变样品的阻抗变化率，等效Ｌ并联回路的样品在谐振频率的交变电流驱动下，磁阻抗的变化Ｃ率最大，在谐振状态下Ｇ效应明显增强．ＭＩ

巨磁阻抗效应

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14
非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别，这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程有密切联系。
非晶合金由于其独特的无序结构，并兼有一般金属和玻璃的特性，使得它在物理、化学及机械性能上表现出一系列优异的特性——很高的耐腐蚀性、抗磨性、较好的强度和韧性、理想的磁学性能，如Fe基非晶合金是非晶软磁合金中饱和磁感最高的；Co基非晶合金的饱和磁致伸缩系数接近于0，因而具有极高的初始磁导率和最大磁导率，很低的矫顽力和高频损耗。
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17
电路中无需放大电路，因而具有高稳定和抗干扰特性，制成几种汽车用的传感器，如汽车里程表计数传感器(a)。电喷发动机测速传感器(b)；当材料处于某种磁结构时，可以发现外磁场与磁阻抗效应呈现良好的线性关系。利用此原理，设计了量程从025mm的线性传感器(c)
主要可用于汽车油量的控制；利用巨磁阻抗探头与齿轮凹凸面距离变化所产生的脉冲信号进行转速测量和控制，可用为汽车防抱死系统(ABS)的速度传感器(d)。
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2
GMI的发现
1992年，日本名古屋大学的K．Mohri（毛利佳年雄）等在CoFeSiB软磁非晶丝中发现了 GMI效应，即非晶丝在交变电流激发下，其阻抗值随沿丝轴方向施加的外磁场的变化而发生显著变化，阻抗变化率ΔZ／Z0在几奥斯特(Oe) 磁场作用下可达50％，比金属多层膜Fe／Cu或 Co／Ag在低温、高磁场强度下观察到的巨磁电阻效应(GMR)高一个数量级，自此这一现象引起了广泛关注。
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3
ΔZ／Z0一般定义为(ZH-Z0)／Z0，其中Z0、 ZH分别表示无外磁场和外加磁场下软磁材料的交流阻抗，其比值的大小表示材料对磁场变效应的特点

巨磁阻效应

巨磁阻效应及其应用作者：学号：班级：摘要本文通过分析2007诺贝尔奖得主对于发现巨磁阻效应的过程，介绍巨磁阻效应的发现、原理及其在各个方面的应用。

AbstractThis article is based on the 2007 Nobel Prize for Physics,explaining the principle of Giant Magneto-Resistive Effect,and studing about the applications and prospect of Giant Magneto-Resistive Effect.目录巨磁阻效应及其应用 (1)摘要 (2)Abstract (2)引言 (4)第一章巨磁阻效应的发现 (5)1.1费尔的研究[2] (5)1.2 格林贝格尔的研究[3] (7)第二章巨磁阻效应的原理 (9)2.1巨磁阻效应概念 (9)2.2巨磁阻效应的原理 (9)第三章巨磁阻效应的应用 (11)3.1基于GMR的磁头 (11)3.2基于GMR的磁存储技术 (11)3.3 GMR传感器 (12)3.4 GMR磁场传感器可来探测DC、AC电流 (13)3.5 GMR医用及生物磁场传感器 (14)第四章巨磁阻效应的发展前景 (14)参考文献 (15)引言瑞典皇家科学院表示，2007 年诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读写硬盘数据的技术”，这项技术被认为是“前途广阔的纳米技术领域内首批实际应用之一”。

法国科学家阿尔贝•费尔和德国科学家彼得•格尔因分别独立发现巨磁阻效应（Giant Magneto-Resistive，GMR）而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。

诺贝尔评委会主席佩尔•卡尔松用比较通俗的语言解答了什么是巨磁阻效应。

他用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台1954年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。

正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升[1]。

巨磁阻抗效应

巨磁阻抗效应
嘿，朋友们！今天咱来聊聊一个超有意思的东西——巨磁阻抗效应！
你说这巨磁阻抗效应啊，就像是一个隐藏在材料世界里的小魔术。

想象一下，有那么一些特殊的材料，它们平时看起来普普通通的，没啥特别。

可一旦给它们来点磁场的刺激，哇塞，它们就像被施了魔法一样，发生了神奇的变化！
这变化可不得了，就好像原本平静的湖面突然泛起了层层涟漪。

这些材料的阻抗会发生巨大的改变，而且这种改变是非常灵敏的哦！灵敏到啥程度呢？就好比你能轻易察觉到一只小蚂蚁在爬动。

咱生活中很多地方都能用到这个神奇的巨磁阻抗效应呢！比如说在传感器领域，它就像是一个超级敏锐的小侦探，能精准地检测到各种微小的变化。

有了它，我们就能更准确地感知周围的世界啦！就好像我们有了一双更加锐利的眼睛，能看到以前看不到的东西。

再说说在医学上吧，它说不定哪天就能帮我们更早地发现疾病呢！是不是很厉害？这就像有个小精灵在默默地守护着我们的健康。

那这巨磁阻抗效应是怎么来的呢？嘿嘿，这可就复杂啦！就好像一个神秘的宝藏，需要我们一点点去挖掘、去探索。

它和材料的结构、磁场的强度等等都有着密切的关系呢。

而且啊，科学家们一直在努力研究它，想让它发挥更大的作用呢！他们就像一群勇敢的探险家，不断地在这个神秘的领域里前进。

你说，未来这巨磁阻抗效应还会给我们带来多少惊喜呢？会不会有一天，我们的生活因为它而变得完全不一样了呢？我觉得很有可能哦！它就像是一颗埋在地下的种子，只要我们精心浇灌，就一定会开出绚丽的花朵，结出丰硕的果实。

所以啊，可别小看了这巨磁阻抗效应，它说不定会在未来的某一天，给我们带来意想不到的大惊喜呢！让我们一起期待吧！。

巨磁阻效应实验

巨磁阻效应实验人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。

后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁(或亚铁磁)有序状态，相关理论指出这些状态源于铁磁性原子磁矩之间的直接交换作用和间接交换作用。

量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。

化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。

直接交换作用的特征长度为0.1—0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。

1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度，所以1970年之后，科学家就探索人工微结构中的磁性交换作用。

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磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，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，称为“巨磁阻效应”（GMR）；而在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体，称为“超巨磁阻效应”（CMR）。

巨磁阻效应是一种量子力学和凝聚态物理学现象，磁阻效应的一种，可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层（几个纳米厚）结构中观察到。

这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。

1986年德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔(Peter Grunberg)采用分子束外延(MBE)方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜。

在薄膜的两层纳米级铁层之间夹有厚度为0.8nm的铬层，实验中逐步减小薄膜上的外磁场，直到取消外磁场，发现膜两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行(较强磁场下)转变为反平行(弱磁场下)。

换言之，对于非铁磁层铬的某个特定厚度，没有外磁场时，两边铁磁层磁矩是反平行的。

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。

提高巨磁阻抗(GMI)效应的方法讨论

提高巨磁阻抗(GMI)效应的方法讨论℃退火处理，纳米晶产生，一方面纳米晶粒(【F S, 1n尺寸小于c- e id一0 m)交换关联长度，使宏观磁晶各向异性大大减小；另外一方面，晶化产生的c一e i【F S晶粒具有负的磁致伸缩( s )抵消了非晶母体的正磁致伸缩，O, 减小了磁弹性各向异性和磁晶各向异性，软磁性能和G效应得到极大提MI高。

更高温度处理后，纳米晶粒长大，有更高磁晶各向异性的F的化合物具e产生使材料的磁晶各向异性增强，磁性能和G效应反而下降。

(图1软MI如)2.焦尔退火应力退火，场退火等退火处理工艺的方法，磁并讨论一下退火过程中存在的问题及主要的研究内容。

一焦尔退火是通过样品的电流产生的焦耳热完成退火的过程，通过调并整电流密度来控制退火温度。

电流一方面产生焦耳热，另一方面产生环向磁、提高GMl效应的退火处理工艺场，影响材料的环向各向异性。

该法加热时间短，工艺要求简单，无需气体保护，退火效果较好，可重复性高。

焦耳退火时，由于很难检测退火温度，一退火是热处理工艺中常用的一种工艺，主要的退火方法有：普通退火、焦耳退火、退火和磁场退火。

应力不管哪种退火方式，需要通过大量的实都验优化研究才能获得所需性能的工艺参数。

1普通退火 .般采用测试不同电流时的电阻值来确定样品的起始晶化电流。

焦耳电流退火过程中，电流产生的环向磁场会感生环向各向异性。

这使焦耳电流退火更适合对圆截面的非晶丝进行退火，可以提高环向磁导率和普通退火一般是工件保温过程完成后随炉缓慢冷却，当工件冷至50 0摄氏度以下可以出炉空冷。

普通退火即在一定真空度、定温度下保温退火。

一GMI应。

实上，方法确系提高非晶丝GMI应的一种有效方法，效事该效对C 6 .5 e .S1 .5 5 o 82F 45 i2 2B1熔体抽拉丝不同电流密度焦耳退火后的G研究MI分析表明，火电流密度为9 16 m2, MI退70 A/时G效应最强，由于感生各向异性的提高，对应的等效各向异性场则随退火电流密度的增加丽增加。

巨磁阻抗效应

巨磁阻抗效应简介由于巨磁阻抗效应在磁记录头和传感器中的巨大应用前景，非晶丝和带中的巨磁阻抗效应 (Giant Magneto-impedance GMI)的研究在最近几年引起了广泛的关注。

本文将简要介绍最近几年来有关巨磁阻抗效应理论的研究概况，并综述巨磁阻抗材料的研究进展。

GMI 效应与在外磁场作用下软磁导体的交流(AC)阻抗的变化密切相关。

可以在经典电动力学的理论框架下予以解释。

众所周知，当射频电流流过导体时，在导体的横截面上其电流分右并不均匀。

由于趋肤效应，电流主要集中在导体表面。

电流密度从表面到内部的变化，可用趋肤深度表示：ωμρ/2=∂ 式中，ω是射频电流角频率，ρ是导体的电阻率，μ是材料的磁导率。

在非铁磁材料中，与频率和外加直流场无关，而铁磁材料的磁导率不但与频率、AC 磁场幅度有关，而且还与其它参数有关。

如外加直流场的大小与方向、机械应变、温度等。

GMI 效应的起源主要就在于软磁材料的磁导率与外加直流场密切相关。

由于电流流过导体时能产生圆周方向或切向的磁场(对丝称圆周方向，对带称切向)，具有圆周礁导率的材料是实际应用最感兴趣。

非晶或纳米晶台金软磁材料的磁导率可由感生各向异性和一定的磁畴结构得到有效的控制实验结果和理论分析都证证实材料具有切向各向异性有利于获得显著的GMI 效应。

GMI 的理论分析对更好地理解现有实验结果及指导研究具有显著的GMI 效应的新材料有着重要的意义在实际铁磁材料中的趋肤效应比非铁磁材料的趋肤效应更复杂。

基于趋肤效应的理论模型要描述GMI 效应的各种现象是困难的。

目前，提出的几种GMI 效应的理论的主要任务都是寻找有效切向磁导率的近似公式。

以描述在轴向AC 电流的激励下特定磁畴结构的响应。

畴壁位移和磁畴转动均对磁导率有贡献。

准静态模型就考虑了畴壁位移和礁畴转动由于这些模型没有考虑与磁化强度快速运动的动态效应只有在低频情况下应用。

从理论上考虑受涡流阻尼的畸壁运动对GMI 的影响，发现随激励频率的增加，涡流对畴壁运动的阻尼增加，对磁导率的贡献就主要以磁畴转动为主。

巨磁电阻效应

巨磁电阻效应摘要：巨磁电阻（GMR）效应自发现以来即引起各国企业界及学术界的高度重视,GMR效应已成为当前凝聚态物理研究的热点之一。

它不仅具有重要的科学意义,而且具有多方面的应用价值。

目前,GMR效应主要用于磁传感器、随机存储器和高密度读写磁头等方面。

此外,GMR传感器在自动化技术、家用电器、卫星定位、导航、汽车工业、医疗等方面都具有广泛的应用前景。

在磁场作用下，因磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象，被称为磁致电阻（Magnetic Resistance，MR）效应。

铁磁金属和合金一般都有磁致电阻现象。

磁致电阻效应的产生有不同的物理机制，按不同的物理机制可作如下分类：正常磁电阻效应、各向异性磁电阻效应、巨磁电阻效应、掺杂稀土锰氧化物的超巨磁电阻效应以及隧道磁电阻效应。

目前，各向异性磁电阻效应的应用最广，巨磁电阻效应、超巨磁电阻效应和隧道磁电阻效应因性能优于各向异性磁电阻效应而成为研究热点，其中，巨磁电阻（GaintMagnetoresistance，GMR）效应是研究最广泛、最深入、科研和实用价值最高的磁致电阻效应。

1，巨磁电阻效应的发现1980 年，美国IBM 研发人员利用MR 技术研制成功了MR 的磁阻磁头，实现了硬盘驱动器的第一次飞跃。

但随着信息技术的突飞猛进，对信息存储容量的要求不断提高，利用MR 技术，即使在很大的磁场作用下，磁致电阻的变化也只有1%～3%，这远远满足不了实际发展的需求，为此，必须寻找和发明新的MR技术。

1986 年，德国的P.Grünberg 研究小组在真空环境下通过分子束外延（MBE）技术，制备了一种“铁磁/非磁/铁磁”（Fe/Cr/Fe）三明治式薄膜结构，研究发现，当Cr 层厚度为0.9nm 时，材料获得了很高电阻值。

两年后，法国的A. Fert 研究小组在Fe（3nm）/Cr（0.9nm）金属超晶格多层膜中同样发现，在一定外磁场存在下，该结构的电阻值发生急剧变化，当外磁场为2KOe，温度为 4.2K 时，其磁电阻变化率超过50%。

巨磁电阻效应及其应用(全)

巨磁电阻效应及其应用本实验介绍多层膜GMR效应的原理，并通过实验让学生了解GMR传感器的结构、特性及应用。

一、实验目的1. 了解GMR效应的原理。

2. 测量GMR的磁阻特性曲线。

3. 了解GMR模拟传感器的结构、特点，采用GMR传感器测量电流。

二、实验仪器巨磁阻实验测试仪基本特性组件电流测量组件三、实验原理1 GMR效应的原理根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。

称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。

电阻定律R=ρl/S中，把电阻率ρ视为常数，与材料的几何尺度无关，这是忽略了边界效应。

当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为0.3nm），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。

电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。

早在1936年，就有理论指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。

总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。

在图1所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。

施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。

电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。

有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。

其一，界面上的散射。

无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行－反平行，或反平行－平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。

(整理)巨磁电阻效应及其应用(2)

实验十七巨磁电阻效应及其应用2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻（Rianr magneto resistance,简称GMR）效应的发现者，法国Paris-Sud大学的物理学家阿贝尔·费尔（Albert Fert）和德国尤里希研究中心物理学家彼得·格伦贝格尔（Peter Grunberg）。

他们于1988年独立作出的发现巨磁阻效应。

诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它计算机硬盘的容量从几百兆，几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。

”凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，他们之间的互相作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。

人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。

量子力学出现后，德国科学家海森伯（W.Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主）明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。

后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如图１７－1所示。

图１７－1 反铁磁有序磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。

这种磁有序状态称为反铁磁性。

法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。

在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子（或其他非金属离子）作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。

另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。

相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。

直接交换作用的特征长度为0.1—0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。

1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。

基于Nyquist图研究铁基非晶薄带巨磁阻抗效应的非线性

基于Nyquist图研究铁基非晶薄带巨磁阻抗效应的非线性许志强;赵乾坤【摘要】测量了铁基非晶薄带巨磁阻抗效应的阻抗实部和虚部并且计算出磁导率的实部和虚部,通过磁导率的非线性解释了巨磁阻抗效应的非线性原因,并且利用Nyquist图推出磁导率等效电路模型,指出磁导率等效电路模型中的LC共振频率是解决磁导率非线性的关键.研究结果表明:在激励电源横向磁化和外加磁场纵向磁化的过程中,非晶薄带磁导率的变化无规则,导致非晶薄带的巨磁阻抗效应呈现非线性变化.当激励频率在5 M Hz、纵向磁场发生改变时,磁损耗角依然保持不变,磁导率与纵向磁场的非线性关系转化为磁导率模值与纵向磁场的关系,通过实验数据可以拟合出纵向磁场与磁导率的函数关系.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2017(037)011【总页数】6页(P7-12)【关键词】巨磁阻抗效应;非线性;Nyquist图;磁导率;磁损耗角;等效电路模型【作者】许志强;赵乾坤【作者单位】郑州轻工业学院电气信息工程学院 ,河南郑州450002;郑州轻工业学院电气信息工程学院 ,河南郑州450002【正文语种】中文【中图分类】TM936.4巨磁阻抗效应(Giant magneto-impedance,GMI)是指当丝状或带状软磁材料通入交流电时，材料阻抗随磁场变化而变化的现象. 名古屋大学K. Mohri等人于1992年用内圆水纺法喷制出直径为125 μm的CoFeSiB软磁非晶丝材料，在CoFeSiB 非晶丝中通入交变电流，感抗值会随着外部纵向磁场的变化而变化，当外部磁场增加到0.8 kA/m时，非晶丝材料两端电压值比不施加外部纵向磁场时的电压值明显变小，感应电压变化量高达75%[1-3]. 随后巴西Machado等人对CoFeSiB系列非晶丝做了深入研究，他们发现了非晶丝中的磁电阻效应[4]. 综合考虑了上述的磁电感和磁电阻效应，日本学者Panina和西班牙学者Velazquez认为二者系出同源，本质上都是在外部磁场影响下阻抗值随之变化的物理效应，统称为磁阻抗效应[5-6]. 当非晶态合金材料通入高频电流后，阻抗变化随着磁场变化高达12%～120%，因此该现象又被称为巨磁阻抗效应，其高灵敏度优点使得利用GMI效应开发新型磁传感器引起研究人员的广泛关注. 近几年的相关研究中，有关GMI效应的研究主要是围绕材料的结构、工艺、尺寸和其他相关参量对其GMI效应的影响方面展开的. 自1993年开始，国内研究人员对Fe-Si-B系列材料展开研究，成功研制出了真空快淬设备[7]. 鲍丙豪等人对GMI效应在微型电流传感器的应用做了许多研究[8-9]；韩冰等人研制了基于GMI效应的阵列式探头电流传感器，此传感器展现出了较好的温度稳定性，并同时具备出色的线性度和灵敏度[10]. 周泽魁等人设计了GMI效应电涡流检测系统[11]. 本研究通过分析与巨磁阻抗效应有关的参量，测量出铁基非晶薄带巨磁阻抗效应的阻抗实部和虚部并计算出磁导率实部和虚部，提出巨磁阻抗效应非线性的原理，并通过分析磁导率的非线性来解释巨磁阻抗效应的非线性，同时利用Nyquist图推出磁导率等效电路模型，提出磁导率等效电路模型中的LC共振频率可解释磁导率非线性.GMI效应的描述采用电阻变化率来表示，通常定义为式中，Z(Hex)为外部磁场Hex作用下非晶薄带的阻抗值，Z(Hmax)为外部磁场Hex作用下非晶薄带达到饱和时的阻抗值.磁化过程分为横向磁化和纵向磁化. 当非晶薄带通入交流电时，根据安培定则一可知，非晶薄带周围生成环形磁场并产生横向磁化过程；当非晶薄带外面缠绕线圈通入电流时，根据安培定则二可知，线圈生成平行于非晶薄带的磁场，非晶薄带纵向产生磁化过程.当给非晶薄带通交流电，由电磁理论及边界条件，非晶带阻抗表示为[12]式中，Rdc为非晶薄带直流电阻，a为非晶薄带厚度，k满足式中，i为虚部，ω为流过非晶薄带的交流电的角频率，σ为非晶薄带电导率，μ0和μ分别为真空磁导率及材料的相对有效磁导率.由式(1)～(2)可知，在一定频率下，阻抗Z和唯一变量μ有关，μ是研究巨磁阻抗效应非线性的关键.相对有效磁导率μ为复数，定义μ=μ′-jμ″. 由于磁导率虚部的存在，将引起材料磁化过程中不断消耗能量. 根据平均能量密度损耗公式、储能公式、能量守恒定律和安培环路定理可以得到[13-14]：式中，L为非晶薄带的长，a为非晶薄带的厚，b为非晶薄带的宽，Z′和Z″分别为非晶薄带的阻抗的实部和虚部.由式(3)～(4)可知，在一定频率下，相对有效磁导率μ的虚部与材料阻抗的实部成线性关系，μ的实部与材料阻抗的虚部成线性关系.通过上述分析，实验的重点是测量材料阻抗Z的实部Z′和虚部Z″，然后计算μ′和μ″.实验所用铁基非晶薄带产自佛山市中研非晶科技股份有限公司. 取实验样本薄带长L=19 mm，厚a=0.1 mm，宽b=15 mm. 薄带的阻抗用KEYSIGHT公司的E4990A阻抗分析仪测量，所用夹具为16047E，测量前进行引线补偿. 外磁场由亥姆霍兹线圈产生. 实验中测量非晶薄带在外磁场纵向磁化过程中(频率范围104～108 Hz)的实部Z′和虚部Z″. 根据式(3)～(4)将阻抗数据转换为与磁化过程直接相关的磁导率数据，对磁导率数据进行分析.图1为外加磁场Bex=0 mT和外加磁场Bex=20 mT时磁导率的实部随激励电流频率的变化曲线，图2为磁导率的虚部随激励电流频率的变化曲线.从图1中可以看出在较低频率且无外加纵向磁场的情况下，磁导率的实部μ′值最大，当频率继续增大时，μ′出现一降低的弛豫过程，最后在108 Hz趋近常量. 外加纵向磁场后的磁导率实部频率特性与未加磁场类似，但是弛豫频率略有增加，外加直流磁场后磁导率的实部在较低频率下变小，当频率高于106 Hz时下降减缓. 从图2可以看出磁导率的虚部在施加磁场和不施加磁场的情况下,2条曲线基本重合，都随频率的增加逐渐减小.为了进一步分析巨磁阻抗效应，实验中引入交流阻抗谱Nyquist图. 图3为不同外磁场下磁导率实部与虚部的Nyquist图.假设外加激励电源Iac在一定频率下工作并产生横向磁化，外加纵向磁场Bex从0到20 mT，磁导率从Bex=0 mT的A点移动到Bex=20 mT的B点(如图4)，C 点为Bex∈(0,20)区间上对应的任意一条磁导率曲线上的点，根据数学中的夹逼准则和区间套定理，C点一定在磁导率曲线Bex=0 mT和Bex=20 mT之间，并且C点实部最终趋近于同一常量(图3).为了解释磁导率非线性原理，不妨假设磁场变化ΔB引起磁导率从A点移动到C 点，相同的磁场变化ΔB引起磁导率从C点移动到B点，定义磁导率向量OA，OC和OB的向量角分别为θA，θC，θB，又叫磁损耗角[15]δ=actan (μ″/μ′) . 产生非线性的原因来源2方面：1)向量模值的非线性，即2)磁损耗角的非线性，即由式(1)～(2)可知，磁导率的非线性导致巨磁阻抗效应的非线性，为了研究巨磁阻抗效应，必须研究磁导率的这2个非线性因素.研究中用保持磁损耗角一致的方法来分析磁导率的非线性. 如图4中的向量OA′,OC′和OB′近似在一条直线上，即磁损耗角近似相等，这条近似的直线可以通过实验数据找到，这种方法简化了磁场Bex与磁导率μ的关系. 通过实验数据可知，磁损耗角近似相等的这条直线对应的激励电源Iac的频率是5 MHz.由上述分析得出，当激励电源Iac在5 MHz工作时，磁导率μ的非线性问题简化为外加磁场Bex与磁导率模值的关系，最后通过实验数据拟合出|μ|=F(Bex)函数关系式.从上述分析可知，研究巨磁阻抗效应重点是研究磁导率μ在磁场B作用下的函数关系. 在函数μ=F(B)中，通过Nyquist图确立F的电路模型. 下面列出研究中用到的3个Nyquist图.如图5所示，RC串联电路阻抗Z表达式为图6为RC串联电路Nyquist图，Z′为常量RL，而Z″随f而改变，f越大，Z″越小. 因此，理想RC串联电路Nyquist图是1条与纵轴平行的直线，直线与轴相交点的横坐标等于RL.如图7所示，RC并联电路阻抗Z表达式为对式(6)整理可得图8为RC并联电路Nyquist图，其圆心在Z′轴上，半径为Rp/2，电阻RL是原点到A点的距离，由于Z′和Z″的取值范围，此圆分布在第一象限.RL并联电路Nyquist图与RC并联电路Nyquist图关于Z′轴对称，分布在第四象限.如图9所示，混合电路阻抗Z′和Z″表达式为图10为RC串并联混合电路Nyquist图，分布在第四象限.RL串并联混合电路Nyquist图与图10关于Z′轴对称，分布在第一象限.从图3中可以得知，在中低频(5 MHz以下)时，磁导率的Nyquist图存在垂直纵轴的区间段，这与图6的RC串联电路Nyquist图类似，由此可以推出函数F的电路模型中包含一部分RC串联电路模型；在中高频(5 MHz以上)时，磁导率的Nyquist图逐渐靠近横轴，并且慢慢平行于横轴，这可以由图8推出的RL并联电路Nyquist图和图10推出的RL串并联混合电路Nyquist图叠加而形成，推出函数F的电路模型包含RL并联电路和RL串并联混合电路. 由此可以推出函数F的电路模型是由RC串联、RL并联和RL串并联混合电路组成，如图11所示.磁导率等效电路模型中的电容与电感存在共振频率，通过阻抗分析仪测得的数据可以计算出此共振频率在5 MHz，与之前分析得出的结论一致.值得注意的是，研究过程中测得非晶薄带的频率共振点与实验中采用的补偿导线以及补偿导线与非晶薄带的连接方式有关系. 这点很容易理解：补偿导线改变了非晶薄带的电感值，而连接方式改变了电容值. 因此，工程中运用此方法制作传感器时可以采用模糊数学的思路研究频率共振点.在中低频交流激励下非晶薄带以磁畴位移为主[12]，外加磁场对磁畴的位移运动有影响，使磁导率的实部出现大幅度降低(如图3)，因此磁畴位移与RC串联电路模型有关；在中高频时以磁畴转动为主[12]，磁畴转动与RL并联联电路模型有关. 由此可得函数F等效电路模型各个参量的特性如表1所示.巨磁阻抗效应的非线性是由磁导率的非线性引起，通过实验数据，分析了产生磁导率非线性的原因，采用保持磁损耗角一致的方法阐述了解决磁导率非线性问题的方法. 通过Nyquist图推出磁导率等效电路模型，从等效电路模型角度解释磁导率的非线性. 研究结果表明：在激励电源横向磁化和外加磁场纵向磁化的过程中，非晶薄带磁导率的变化无规则，导致非晶薄带的巨磁阻抗效应呈现非线性变化. 当激励频率在5 MHz时，纵向磁场发生改变，磁损耗角依然保持不变，磁导率与纵向磁场的非线性关系转化为磁导率模值与纵向磁场的关系，通过实验数据拟合出纵向磁场与磁导率的函数关系. 最后从磁畴的角度简要概括了等效电路模型中每个元件特性，为磁畴学和电路学的联系提供参考.【相关文献】[1] Valenzuela R, Fessant A, Gieraltowski J, et al. 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