巨磁阻传感器原理及其应用
PPT：GMI Sensor 巨磁阻抗磁传感的原理及应用介绍
GMI Sensor Principle & Application 巨磁阻抗传感器的原理及应用介绍新.磁.（上.海）.电.子.有.限.公.司2013.12 By Tonysensors-ic at qq com邮.件. sensors ic at GMI Sensor 巨磁阻抗传感器简介巨磁阻抗效应（GiantMagneto ‐Impedance effects, GMI ）是指软磁材料的交流阻抗随外加磁场的改变而发生显著变化的现象，产生GMI 效应的主要原因是高频电流的趋肤效应。
GMI 磁传感器采用交流驱动,具有灵敏度高、饱和磁场低、响应快和稳定性好等优点。
利用GMI 非晶丝材料可设计成高灵敏度的磁场传感器，用于微弱磁场、电流、位置、生物在地磁场测量地磁匹配导航及分子浓度等物理量的检测,在地磁场测量、地磁匹配导航及多种弱磁传感器中有着广泛的应用，具有很大的应用前景和研究价值。
传感器基础材料—非晶丝The MI Sensor makes use of the Giant Magneto‐amorphous metal wire. Impedance effect of magneticGMI传感器材料——GMI效应材料的GMI效应可以用样品阻抗Z随外加磁场Hex变化的Z‐Hex曲线来表征，但这样的曲线不能明确反映出磁阻抗效曲线来表征但样的曲线不能明确反映出磁阻抗效应的强弱程度。
特别是由于样品的测量长度无法严格控制不同样品的无法相较因可选用阻抗的制，不同样品的Z‐Hex无法相互比较，因此可选用相对变化值随外加磁场的变化曲线来表征，用没有外加磁场时的样品阻抗Z0作为“阻抗的相对变化量”的变化场时的样阻抗作为阻抗的相对变化的变化基准，即DZ/Z0=(Z‐Z0)/Z0，其变化率与样品本身的长度无关因为测量电流的频率不高，测量导线的发射并不严关。
因为测量电流的频率不高，测量导线的发射并不严重，因此采用四点法进行测量。
巨磁电阻效应及其应用
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。
gmr编码器原理
gmr编码器原理
GMR（Giant Magnetoresistance，巨磁电阻）编码器是一种利用巨磁电阻效应来实现位置检测的传感器。
巨磁电阻效应是指当磁性材料中的电阻受到外部磁场影响时，电阻的大小会发生变化。
GMR编码器的工作原理如下：
1.传感器结构：GMR编码器通常包含一对平行排列的磁性层和一个中间的非磁性层。
这三层被称为自旋阻挫层（Spin Valve）。
两个磁性层的磁矩方向可以相互平行或反平行。
2.外部磁场作用：当外部磁场作用于自旋阻挫层时，它会影响两个磁性层的磁矩方向。
根据巨磁电阻效应，当磁矩方向平行时，电阻较小；而当磁矩方向反平行时，电阻较大。
3.电流通过：将电流通过自旋阻挫层，电流中的自旋也会与磁矩相互作用。
4.测量电阻：测量通过自旋阻挫层的电阻值，即可得知磁矩的相对方向。
由于磁矩的方向受外部磁场影响，因此可以通过检测电阻的变化来确定外部磁场的强度和方向。
5.位置检测：在编码器应用中，GMR编码器可以被设计成一系列磁性和非磁性层的重复结构，以便检测位置信息。
通过测量不同区域的磁场对电阻的影响，可以确定位置信息。
总体而言，GMR编码器利用巨磁电阻效应，通过测量电阻的变化来检测外部磁场的强度和方向，从而实现位置的准确检测。
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IBM 0.8 ±25 SPIN-VALVE 设置电流NVE 0.45 ±135 Co/Cu多层膜外置偏磁铁Honeywell 1 ±6 NiFe film(AMR)EPFL-CH 0.024 ±150 聚磁通霍尔元件INESC 0.6 ±30 SPIN-VALVE 设置电流INESC （库万军）0.21 ±135 NiFe/CoFe/Cu多层膜CoFe/CoPt双层膜INESC （库万军）0.17 ±200 NiFe/CoFe/Cu多层膜CoPt膜（两矫顽力）INESC（库万军）1.3 ±20 SPIN-VALVE 两次沉积INESC（库万军）探测磁场X-Y分量的集成元件INESC（库万军）数字、脉冲型3. 产品使用说明a.巨磁电阻（GMR）传感器作为一种有源器件，其工作必须提供5~20V的直流电源。
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，不受温度和时间的影响。
随着科技的不断进步和应用场景的拓宽，巨磁电阻效应在各个领域都有很大的发展潜力。
未来，随着材料科学和纳米技术的进一步发展，相信巨磁电阻效应将有更加广泛的应用，为人们的生活带来更多便利和创新。
巨磁电阻效应和应用_实验报告
巨磁电阻效应和应⽤_实验报告巨磁电阻效应及其应⽤【实验⽬的】1、了解GMR效应的原理2、测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线3、测量GMR的磁阻特性曲线4、⽤GMR传感器测量电流5、⽤GMR梯度传感器测量齿轮的⾓位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理【实验原理】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=l/S 中，把电阻率视为常数，与材料的⼏何尺度⽆关，这是因为通常材料的⼏何尺度远⼤于电⼦的平均⾃由程（例如铜中电⼦的平均⾃由程约34nm），可以忽略边界效应。
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，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott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2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。
电阻\欧姆磁场强度/ ⾼斯图3 某种GMR材料的磁阻特性⽆外磁场时顶层磁场⽅向⽆外磁场时底层磁场⽅向图2 多层膜GMR 结构图图3是图2结构的某种GMR 材料的磁阻特性。
由图可见，随着外磁场增⼤，电阻逐渐减⼩，其间有⼀段线性区域。
巨磁阻抗磁传感的 GMI 非晶丝 MI-CB-1DH,K.Mohri Yashizawa Duwez aichi-mi Aichi Micro Intelligent
新.磁.（上.海）.电.子.有.限.公.司 2013.12 By Tony 邮.件. sensors-ic at
GMI Sensor
巨磁阻抗传感器简介
巨磁阻抗效应（GiantMagneto-Impedance effects, GMI）是 指软磁材料的交流阻抗随外加磁场的改变而发生显著变化 的现象，产生GMI效应的主要原因是高频电流的趋肤效应。 GMI磁传感器采用交流驱动,具有灵敏度高、饱和磁场低、 响应快和稳定性好等优点。利用GMI非晶丝材料可设计成高 灵敏度的磁场传感器，用于微弱磁场、电流、位置、生物 分子浓度等物理量的检测,在地磁场测量、地磁匹配导航及 多种弱磁传感器中有着广泛的应用，具有很大的应用前景 和研究价值。
Parameters Technical Dataity Frequency Response Non-linearity Noise Supply Voltage Operating temperature dimensions
测磁范围 灵敏度 响应频率 非线性度 噪声 电源电压 工作温度 模块尺寸
GMI传感器的性能优势
Superior Sensing Performance
(2) Fast Response，Frequencies up to 1MHz are possible.
GMI传感器的性能优势
Superior Sensing Performance
(3) Excellent TemperatureStability
GMI传感器材料——GMI效应
CHARACTERIZATION OF MAGNETO-IMPEDANCE THIN FILM MICROSTRUCTURES
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息的装置，利用材料电阻的变化来感知磁场中的数据。
巨磁阻效应的高灵敏度和稳定性，使得其在磁电阻头中有广泛的应用。
3.4 其他应用领域除了上述应用领域，巨磁阻效应还可应用于磁生物学、磁传导等领域。
例如，巨磁阻效应可以用于生物传感器中，实现对生物磁场的检测和分析。
此外，巨磁阻效应还可以用于磁传导器件中，实现磁传导的控制和调节。
磁阻传感器的工作原理
磁阻传感器的工作原理
磁阻传感器是一种利用磁阻效应来测量物理量的传感器。
它的基本原理是利用材料的电阻随磁场变化而变化的特性。
磁阻传感器通常由一个细长且薄的导体构成，这个导体的电阻会随着外加磁场的变化而发生相应的变化。
当磁场的变化作用于导体时，导体内的电子会受到磁力的作用，导致电阻发生改变。
具体而言，磁阻传感器的导体通常采用磁阻材料，如铁磁材料。
当外加磁场作用于导体时，导体内的磁性颗粒会发生重新排列，这会影响导体中的电子运动，从而改变电阻值。
磁阻传感器通常采用综合电路来将电阻的变化转化为可测量的电信号。
这些电信号可以进一步被处理和分析，用于测量和监测所需的物理量。
总的来说，磁阻传感器的工作原理是通过磁场对导体内磁性颗粒的影响，导致导体的电阻发生变化，进而测量物理量。
它具有灵敏度高、响应快以及可靠性强等优点，在工业控制、自动化以及汽车等领域得到广泛应用。
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。
巨磁阻传感器原理及应用
目录
• 巨磁阻传感器原理 • 巨磁阻传感器的应用领域 • 巨磁阻传感器的发展趋势 • 巨磁阻传感器的挑战与解决方案 • 巨磁阻传感器的未来展望
01 巨磁阻传感器原理
巨磁阻效应
巨磁阻效应
当电流在某些特殊材料的薄膜中流动时，磁场对电流的影响会变得异常大，这种现象被称 为巨磁阻效应。
04 巨磁阻传感器的挑战与解 决方案
温度稳定性问题
总结词
温度稳定性是巨磁阻传感器的重要性能指标，直接影响到传感器的测量精度和使用寿命。
详细描述
巨磁阻传感器在高温环境下，其磁阻值会发生变化，导致测量结果失真。为了解决这一问题，可以采 用温度补偿技术，通过在传感器中加入温度传感器和温度补偿电路，对温度变化引起的磁阻值变化进 行修正，提高传感器的温度稳定性。
尺寸
减小巨磁阻传感器的尺寸有助于集成 到更小的设备中，从而推动其在物联 网、智能穿戴等领域的应用。
集成化和智能化
集成化
将多个巨磁阻传感器集成到一个芯片上，可以实现多轴磁场测量，提高测量效 率和精度。
智能化
通过与微处理器等智能芯片集成，巨磁阻传感器可以实现自动校准、数据存储 和无线传输等功能，提高其实用性和便利性。
磁性编码器
总结词
巨磁阻传感器在磁性编码器中用于检测旋转或线性运动的物体的位置和速度。
详细描述
磁性编码器利用磁性材料和巨磁阻传感器的结合，检测旋转或线性运动物体的磁 场变化，并将其转换为电信号。巨磁阻传感器的高灵敏度和稳定性使得磁性编码 器广泛应用于各种运动控制系统，如电机控制、机器人等。
磁性随机存取存储器（MRAM）
交叉轴效应和线性范围限制
总结词
交叉轴效应和线性范围限制是巨磁阻传感器在实际应 用中面临的常见问题。
巨磁阻效应的原理及应用
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l、自旋量子数s＝1／2，和总角动量量子数j。
主量子数（n=1，2，3，4 …）会视电子与原子核间的距离（即半径座标r）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（l=0，1 … n-1）（又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，l=0的轨道叫s 轨道，l=1的叫p轨道，l=2的叫d轨道，而l=3的则叫f轨道。
磁量子数（ml= -l，-l+1 … 0 … l-1，l）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第四个量子数—自旋量子数。
这假设以后能被相对论性量子力学所解释。
“我们对过渡金属的电导率有了如下认识：电流由s 电子传递，其有效质量近乎于自由电子。
然而电阻则取决于电子从 s 带跃迁到 d 带的散射过程，因为跃迁几率与终态的态密度成正比，而局域性的 d 带在费米面上的态密度是很大的。
这就是过渡金属电阻率高的原因。
这种 s-d 散射率取决于 s 电子与 d 电子自旋的相对取向。
巨磁电阻效应和应用实验报告
巨磁电阻效应及其应用【实验目的】1、 了解GMR 效应的原理2、 测量GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线3、 测量GMR 的磁阻特性曲线4、 用GMR 传感器测量电流5、 用GMR 梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR 转速（速度）传感器的原理【实验原理】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，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm ），可以忽略边界效应。
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，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott 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2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。
无外磁场时顶层磁场方向顶层铁磁膜中间导电层 底层铁磁膜无外磁场时底层磁场方向图2 多层膜GMR 结构图图3是图2结构的某种GMR 材料的磁阻特性。
由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。
巨磁电阻效应及其传感器的原理
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（spinvalve）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Δr/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。
巨磁电阻效应及其应用
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。
巨磁电阻效应及应用 实验内容与操作
巨磁电阻效应及应用 实验内容与操作一、GMR 模拟传感器的磁电转换特性测量在将GMR 构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式结构，图10是某型号传感器的结构。
图10 GMR 模拟传感器结构图R 2R 1R 3 R 4输出－ 输入＋a 几何结构对于电桥结构，如果4个GMR 电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。
图10中，将处在电桥对角位置的两个电阻R 3、R 4 覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，而R 1、R 2 阻值随外磁场改变。
设无外磁场时4个GMR 电阻的阻值均为R ，R 1、R 2 在外磁场作用下电阻减小ΔR ，简单分析表明，输出电压：UOUT = U IN ΔR/（2R-ΔR ） （2）屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在R 1、R 2电阻所在的空间,进一步提高了R 1、R 2 的磁灵敏度。
从图10的几何结构还可见，巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至k Ω数量级，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出。
图11是某GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线。
图12是磁电转换特性的测量原理图。
图12 模拟传感器磁电转换特性实验原理图图11 GMR 模拟传感器的磁电转换特性 输出/V 磁感应强度/高斯 －30 －20 －10 0 10 20 30实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件。
将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“传感器测量”。
实验仪的4伏电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“模拟信号输出”接至实验仪电压表。
按表1数据，调节励磁电流，逐渐减小磁场强度，记录相应的输出电压于表格“减小磁场”列中。
由于恒流源本身不能提供负向电流，当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向。
再次增大电流，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，从上到下记录相应的输出电压。
巨磁(GMR)的原理和应用
巨磁（GMR)的原理和应用巨磁电阻效应可以在哪些场合得到应用？前言“科学技术是第一生产力”，科学技术的发展，总是促进人类文明一次次飞速的进步。
人类进入20年代末的时候，一门新的学科——磁电子学又产生于科学技术的全面发展中。
它吸取最新科技发展的精华，融合磁学与微电子学之所长，发展其所不及，给人类技术文明发展又揭开了一页新的篇章。
一、巨磁电阻效应简介磁电子学是一门以研究介观尺度范围内自旋极化电子的输运特性以及基于它的这些独特性质而设计、开发的在新的机理下工作的电子器件为主要内容的一门交叉学科。
它研究的对象包括载流电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。
电子既是电荷的负载体，同时又是自旋的负载体。
以研究、控制和应用半导体中数目不等的电子和空穴（即多数载流子和少数载流子）的输运特性为主要内容的微电子学是二十世纪人类最伟大的创造之一。
但在这里自旋状态是不与考虑的，电子的输运过程仅利用它的荷电性由电场来控制。
是否可以利用电子的自旋来操纵它的输运过程呢？这正是磁电子学所要研究的主要内容。
对巨磁电阻效应的研究就是磁电子学的一个重要内容。
磁场作用于磁性多层膜中导电电子的自旋，导致膜电阻发生很大的变化。
这种变化可以通过测量电阻或以电压方式反映出来。
根据这种特点可以在许多领域得到应用。
二、巨磁电阻效应的应用科技服务于人类。
科学技术只有同应用相结合才能发挥其“第一生产力”的作用并同时拥有强大的生命力。
磁电子学的产生是巨大应用前景促进的结果，同时从其产生之初即为应用服务。
到目前磁电子学的研究仍在世界范围轰轰烈烈地进行，它的应用已发展到计算机磁头、巨磁电阻传感器、磁随机存贮器等许多领域，随着对CMR、TMR原理的进一步研究和认识，必将开拓更为广阔的应用前景。
鉴于磁电子学技术的新颖性和复杂性，对于磁电子学的研究仍在持续不断地进行，其应用现在还仅限于巨磁电阻（GMR）范围，以下对此作较为详尽的介绍。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
研究发现在磁性多层膜如Fe/Cr和Co/Cu中，铁磁性层被纳米级厚度的非磁性材料分隔开来。
在特定条件下，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，这一现象称为“巨磁阻效应”。
巨磁阻效应可以用量子力学解释,每一个电子都能够自旋,电子的散射率取决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，则电子散射率就低，穿过磁性层的电子就多，从而呈现低阻抗。
反之当自旋方向和磁性材料磁化方向相反时，电子散射率高，因而穿过磁性层的电子较少，此时呈现高阻抗。
如图1所示，两侧蓝色层代表磁性材料薄膜层，中间橘色层代表非磁性材料薄膜层。
绿色箭头代表磁性材料磁化方向，灰色箭头代表电子自旋方向，黑色箭头代表电子散射。
左图表示两层磁性材料磁化方向相同，当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，因而呈现低阻抗。
而右图表示两层磁性材料磁化方向相反，当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，因而呈现高阻抗。
图1:巨磁阻效应示意图基于巨磁阻效应的传感器其感应材料主要有三层：即参考层（Reference Layer或Pinned Layer），普通层（Normal Layer）和自由层（Free Layer）。
参考层具有固定磁化方向，其磁化方向不会受到外界磁场方向影响。
普通层为非磁性材料薄膜层，将两层磁性材料薄膜层分隔开。
自由层磁场方会随着外界平行磁场方向的改变而改变。
图2：巨磁阻磁性感应层结构巨磁阻阻值由自由层和参考层之间磁场方向夹角决定，其电阻变化率如式2-1所示：式2-1GMR传感器应用如上文所说,巨磁阻电阻值取决于自由层和参考层之间磁场方向夹角，自由层磁化方向会随着外界磁场方向改变而改变。
巨磁阻传感器磁场工作区间如图3所示，当外界磁场强度超过|B K|时巨磁阻传感器工作在饱和区，此时自由层和参考层磁化方向平行，进一步增加外界磁场强度不会导致电阻值变化。
当外界磁场强度范围在-B K <B< B K时，巨磁阻传感器工作在线性区间，此时电阻线性变化。
图3:GMR磁场工作区间特性曲线通常外界磁场强度B K为5mT时，巨磁阻阻值变化率在10%左右。
磁场线性区间用于速度检测，而饱和区间则用于角度检测。
1.速度检测巨磁阻速度传感器在汽车领域可以用于ABS、变速箱、凸轮和曲轴等速度及位置检测。
巨磁阻传感器其感应单元由四个巨磁阻单元组成一个惠斯通电桥，如图4所示为惠斯通电桥结构，每一个半桥包含两个巨磁阻单元，两个半桥之间距离通常为2.5mm （为了适应较小齿距轮速目标轮，TLE5041PlusC差分感应单元间距离为2.0mm）用于产生差分速度信号。
如果需要检测目标轮转动方向，则可以在正中间增加第5个巨磁阻单元。
方向信号和速度信号存在90°的相位偏移,通过比较速度信号和方向信号之间相位,可以判断目标轮转向,从而输出相应PWM信息用来反映目标轮转动方向。
根据图4惠斯通电桥结构，很容易得出如下等式：差分速度信号V sig=V p-V n=V b*R4/（R3+R4）-V b*R2/（R1+R2）式3-1方向信号V center=I center*R5 式3-2图4:惠斯通电桥磁性传感器通过检测磁场变化来检测目标轮速度以及方向, 而传感器感应面和目标轮之间磁场产生方式主要有两种:一种是针对非磁性轮应用，如图5左所示。
对于这种非磁性轮应用，设计时需要在传感器背面集成磁铁,即背磁方式（Back Bias）。
还有一种是磁性轮,如图5右所示。
图5:磁性速度传感器应用根据磁性传感器感应原理，霍尔传感器感应垂直于霍尔感应单元的磁场，即Z轴磁场。
而巨磁阻传感器则感应的是平行于巨磁阻感应单元的磁场，即X,Y轴磁场。
对于一些非磁性轮应用时，需要使用背磁方案。
背磁产生垂直于感应单元的磁场，当传感器靠近目标轮时，磁场受到目标轮影响而弯曲，从而产生巨磁阻传感器能够检测到的平行磁场。
如前所述，巨磁阻传感器用于速度检测时，其磁场工作区间为线性区间，线性区间工作磁场强度大约在±5mT，因此在使用背磁方案时需要有磁路抑制技术用以减少平行磁场强度，避免巨磁阻感应单元达到饱和。
为了更方便巨磁阻速度传感器在非磁性轮的应用,英飞凌也提供集成背磁版本（Integrated Back Bias）的巨磁阻速度传感器,其背磁方式采用具有英飞凌相关专利技术的磁路抑制方案。
另外对于曲轴和凸轮轴等应用除了需要速度信息外，有时候还需要传感器提供位置信息。
对于这类应用，需要特别注意的一点就是不能直接用巨磁阻传感器去替换霍尔传感器。
因为根据其感应原理，差分式霍尔传感器信号在齿中切换，而巨磁阻传感器则在齿边沿切换。
所以两种感应原理应用时存在着一定的相位偏移，这种相位偏移是不能够通过传感器硬件方式改变，只能通过软件方式进行调整。
相比于霍尔传感器，在速度检测方面巨磁阻传感器具有如下优点：-更好相位精度及重复精度-更高的灵敏度-优异的气隙表现-体积小-更好的抗噪声能力-工作温度范围更广-成本低：可以使用便宜的磁性材料如铁磁性材料，相比霍尔传感器常用到的钕铁硼、钐钴等稀土材料，能减少相应成本。
2.角度检测当巨磁阻传感器工作在磁场饱和区时可用于角度检测，巨磁阻感应单元阻值会随着外界磁场方向改变而改变。
如图6所示为巨磁阻角度传感器感应单元结构，四个独立的巨磁阻感应单元组成一个惠斯通电桥，箭头方向代表参考层磁化方向。
对于单核角度传感器总共有两个惠斯通电桥分别用来检测磁场正弦和余弦变化。
其中V X代表输出余弦信号，而V Y代表输出正弦信号。
正弦或者余弦信号只能检测180°范围，通过正弦和余弦信号求正切值，再反正切计算后便可以检测360°范围的角度变化。
对于一些需要提供冗余设计的系统，英飞凌提供双核版本角度传感器。
双核版本角度传感器其感应单元组成的惠斯通电桥组在结构上平行于感应平面X,Y轴，同心轴向垂直于Z轴，其巨磁阻感应单元结构大小相同，仅仅在Z轴方向存在一定气隙。
这样的设计能够很好地确保同一感应平面上磁场变化方向相同，更好地保证了双核角度传感器数据准确性以及可靠性。
图6：巨磁阻角度传感器感应单元为了满足不同角度检测应用，英飞凌巨磁阻角度传感器系列提供多种型号以满足不同需求。
比如TLE5009输出正弦和余弦模拟量，而TLE5011输出正弦和余弦数字量。
而TLE5012B则能够输出处理后的角度值，通过SPI协议输出角度以及速度信息，并针对不同应用还可提供IIF，HSM，PWM，SPC等接口。
巨磁阻角度传感器需要工作在合适的磁场强度，以TLE5012B为例，工作在-40℃至150℃下外部磁场强度规定为30mT至50mT范围。
外部磁场强度过小或者过大都会增加额外的角度误差。
如图7所示，绿色代表外部磁场，蓝色代表自由层磁化方向，红色代表参考层磁化方向。
当外部磁场强度太弱时，会导致自由层磁化方向不能够很好地对齐外部磁场方向。
当外部磁场强度太强时，会影响到参考层磁化方向。
外界磁场强度过强并不会造成芯片的损坏，只是会影响检测精度，当外界磁场强度恢复到规定范围内时，检测精度又能够恢复到正常范围。
图7：外部磁场强度对巨磁阻角度传感器影响总结综上所述,英飞凌能够为汽车领域应用提供基于巨磁阻效应传感器，可用于速度检测和角度检测，其感应单元和信号处理单元被集成到一个芯片上，可提供更小体积以及优异性能。
巨磁阻传感器具有体积小，灵敏度高，线性度好，温度范围高，耐恶劣环境，成本低等特点，将会越来越广泛地被用于各个领域。