GMR磁场传感器的工作原理
地磁传感器原理
地磁传感器原理
地磁传感器是一种能够感知地球磁场变化的传感器，它在许多
现代科技产品中发挥着重要作用。
地磁传感器的原理是基于地球磁
场的存在以及磁场对传感器内部元件的影响。
本文将介绍地磁传感
器的原理及其应用。
首先，地球磁场是地球周围的一种磁场，它是由地球内部的磁
性物质产生的。
这个磁场在地球表面上并不是均匀的，而是存在着
一定的地理差异。
地磁传感器利用这种地理差异来感知磁场的变化。
地磁传感器的核心部件是磁敏电阻（GMR）或霍尔元件。
当地磁
传感器暴露在地球磁场中时，磁场会对磁敏电阻或霍尔元件产生影响，导致其电阻或电压发生变化。
通过测量这种变化，地磁传感器
就能够感知地球磁场的变化情况。
在实际应用中，地磁传感器常常被用于导航、定位和姿态控制
等领域。
例如，在智能手机中，地磁传感器可以用来实现电子指南
针功能，帮助用户确定方向。
在车载导航系统中，地磁传感器可以
用来帮助车辆进行定位和导航。
在飞行器和航天器中，地磁传感器
可以用来感知姿态的变化，从而实现精确的控制。
除了以上应用之外，地磁传感器还可以被用于地质勘探、地震预警和磁测勘察等领域。
地磁传感器的原理简单而又实用，使得它在许多领域都有着重要的应用价值。
总之，地磁传感器是一种能够感知地球磁场变化的传感器，它的原理是基于地球磁场对传感器内部元件的影响。
地磁传感器在导航、定位、姿态控制等领域有着广泛的应用，同时也可以被用于地质勘探、地震预警和磁测勘察等领域。
地磁传感器的原理简单而实用，使得它在现代科技产品中发挥着重要作用。
GMR生物传感器的原理及研究
GMR生物传感器的原理及研究
1 引言
1988 年，在法国巴黎大学物理系Fert 教授科研组工作的巴西学者
M.N.Baibich 研究Fe/Cr 磁性超晶格薄膜的电子输运性质时发现了巨磁阻(GMR) 效应，即材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象。
这一发现引起了许多国家科学家的关注，巨磁电阻效应及其材料的基础研究
和应用研究迅速成为人们关注的热点自此以后，10 多年来，巨磁电阻效应的研究发展非常迅速，并且基础研究和应用研究几乎齐头并进，已成为基础研究快
速转化为商业应用的国际典范目前，GMR 材料已在磁传感器、计算机读出磁头、磁随机存取存储器等领域得到商业化应用。
利用GMR 材料制作的传感器称作巨磁阻传感器，它具有灵敏度高、探测范
围宽、抗恶劣环境等优点，可利用半导体曝光和刻蚀工艺，使该元件集成化、
小型化，其性价比远远优于其他几种磁场传感器本文综述一种将GMR 传感器
和生物技术相结合的新型传感器GMR 生物传感器该传感器应用于生物检测领域，是一种对磁标记的生物样本进行检测的传感器，由免疫磁性微球(IMB)、
高磁灵敏度的GMR 传感器以及相关读出电路三部分构成。
2 免疫磁性微球
1979 年，John Ugelstad 等人成功地制备了一种均匀性和粒度适宜的聚苯乙烯微球，将其磁化并与抗体连接后，即成为一种分离细胞效果极佳的免疫磁标记dynabeads 从此，免疫磁标记得到广泛应用，并引发了生物分离技术上的一次
革命免疫磁标记的特点主要有分离速度快、效率高、可重复性好、操作简单、
不需要昂贵的仪器设备、不影响被分离细胞或其他生物材料的生物学性状和功能。
【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。
GMRTMR原理新
GMR与TMR的基本结构图 与 的基本结构图
两者皆为三层构造，有两层磁性层， 两者皆为三层构造，有两层磁性层，而在这两层磁性层 间则存在着一层厚度为纳米级的非磁性中间层(spacer)，其中 间则存在着一层厚度为纳米级的非磁性中间层 ， GMR的非磁性层是由铜等金属所构成，而TMR部分则采用 的非磁性层是由铜等金属所构成， 的非磁性层是由铜等金属所构成 部分则采用 Al2O3等绝缘体。前者界面处的传导电子会呈现漫游现象，由 等绝缘体。前者界面处的传导电子会呈现漫游现象， 于传输电子之极化特性，一般说来， 于传输电子之极化特性，一般说来，当上下两层磁性层的磁化 现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。 现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。而后者因为会引 起自旋级化电子的穿隧率改变，因此类似地， 起自旋级化电子的穿隧率改变，因此类似地，当上下两层磁性 层的磁化现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。 层的磁化现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。
）
Julliere公式
• 隧穿电流的大小 • 问题：I ↑↑ > I ↑↓ ？ 这就是 问题： 这就是TMR效应 效应 • 如果 D × D + d × d ⋅ ≥ ⋅D × d + D × d ⋅ = 2 D × d • 就有 • 当然
D × D + d × d − 2 D × d ⋅ ≥ ⋅0
2
60
TMR ( % )
40
20
0
80
( b ) T = 4.2 K MR = 69.1 % 2 RS = 4481 Ωµm
60
TMR ( % )
40
20
0 -4000
-2000
0
2000
4000
GMR巨磁电阻传感器 (模拟输出)使用说明 Ver2
低阻态
图 3 示意图
高阻态
图 4 两种取向电子在多层膜中不同散射对磁电阻的影响 当加入外磁场 H 后,与外磁场反向的磁矩将趋向外磁场方向,当外场达到一定值时,所有铁磁 层中的磁矩方向变得基本一致（图 3b）。则自旋方向与磁矩方向相同的电子受到的电阻很小
(为 2R0 ) , 反之电阻很大(为 2R) ,并联结果如图 4b 所示,总电阻为 R 总=2 R R0 /(R+R0) 此时的总电阻比上述 H=0 时的要小得多,于是在外磁场下,产生了巨磁阻效应。
低灵敏、宽测量系列
型号 VA110F2、 VA110F3、VA110F4
半桥、正电压输出系 列 型号 VA110H2、 VA110H3
单极输出系列 型号 SA02
高灵敏度系列 型号 VA100F2 VA100F3
参数
电阻（Ω） 灵敏度（mV/V·mT） 饱和场（mT） SOP8
5500
35
2.8
√
技术背景（1 巨磁阻效应 2 多层膜 3 自旋阀） 1 巨磁阻效应
磁电阻效应是指物质（铁磁金属和合金多晶体）在磁场作用下电阻发生变化 的现象，磁电阻率定义为：△R/R0=(RH-R0)/R0，其中 R0 表示零磁场下的材料电 阻值，RH 为磁场下材料的电阻值。
1988 年，法国巴黎大学的物理学家费尔特( Fert) 教授研究小组发现：由 Fe (铁磁材料) 和 Cr (非铁磁材料) 交替沉积而成的多层膜( Fe/ Cr) N ( N 为周期数)的磁电阻效应比坡莫合 金的 AMR 效应高出一个数量级，因此被称为巨磁阻( giant magneto resistance , GMR) 效应。
1 7.962 x 10-1 7.962 x 10-1 7.962 x 10-2 104
磁场传感器原理及应用
磁场传感器原理及应用磁场传感器是一种能够感知周围磁场变化的设备，它通过测量磁场的强度和方向来获取有关周围环境的信息。
磁场传感器广泛应用于工业控制、导航系统、运动控制、安全系统等领域。
磁场传感器的原理是基于一种叫做磁阻效应的物理现象，它可以用来测量磁场的强度和方向。
磁阻效应是指在磁场中，材料的电阻会发生变化。
根据这一效应，设计师可以将磁阻器件与其他电路组合，构成磁场传感器。
磁场传感器有多种工作原理，其中包括霍尔效应、磁阻效应、磁电效应、法拉第效应等。
其中霍尔效应是使用最为广泛的原理之一。
霍尔效应是指当电流通过一条导线时，如果有磁场垂直于导线方向，那么就会在导线两侧产生电势差。
这种电势差可以用来测量磁场的强度和方向。
磁场传感器常见的类型有霍尔传感器、磁阻传感器和磁电传感器等。
霍尔传感器是最常见的一种磁场传感器，它具有高灵敏度、快速响应和低功耗的特点，广泛应用于汽车、电机控制和磁带驱动等领域。
磁阻传感器则主要用于测量磁场的方向和强度，常见于罗盘和导航系统中。
磁电传感器则是一种能够通过磁场作用产生电压或电流的传感器，广泛应用于电磁设备的测量和控制中。
磁场传感器的应用范围非常广泛。
在工业控制方面，磁场传感器可以用来检测电动机的位置和速度，实现精准控制。
在导航系统中，磁场传感器可以用来测量地理位置，实现车辆导航和航空导航。
在安全系统中，磁场传感器可以用来检测和报警，应用于入侵报警和车辆防盗系统。
此外，磁场传感器还可以应用于医疗设备、电子游戏、机器人和智能家居等领域。
总的来说，磁场传感器是一种通过测量磁场的强度和方向来获取周围环境信息的设备。
它的工作原理可以是霍尔效应、磁阻效应、磁电效应等多种物理原理。
磁场传感器的应用非常广泛，涵盖了工业控制、导航系统、安全系统等许多领域。
随着技术的不断发展，磁场传感器的性能将进一步提升，应用领域也将不断扩大。
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。
磁场传感器 原理
磁场传感器原理
磁场传感器是一种能够测量、检测和监测周围环境中磁场强度和方向的设备。
其工作原理基于法拉第电磁感应定律，即当磁场的磁感线穿过导体回路时，会引起导体中电荷的运动，从而在回路中产生感应电动势。
磁场传感器利用感应电动势来测量磁场的强度和方向。
在磁场传感器中，一般会采用磁敏材料作为感应元件。
磁敏材料通常具有磁导率较高的特性，可以增强感应效果。
当磁场的磁感线穿过磁敏材料时，磁敏材料中的电子会受到磁场力的影响而移动，从而产生感应电动势。
为了测量感应电动势，磁场传感器会使用一对金属电极将感应电动势引出，并连接到一个电路中，如电压放大器或模数转换器。
当磁场的强度发生变化时，感应电动势的大小也会相应变化，从而可以通过电路测量到磁场的强度。
此外，为了确定磁场的方向，磁场传感器还可以采用多个感应元件的组合。
通过比较不同感应元件的感应电动势大小或相位差，可以确定磁场的方向信息。
综上所述，磁场传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，利用磁敏材料感应电动势来测量、检测和监测周围环境中磁场的强度和方向。
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。
2. 磁头：GMR传感器也被用作磁头，用于读取磁带、软盘等磁介质上的数据。
3. 磁传感器：GMR传感器可以用于测量和检测磁场，例如地磁传感器、指南针和磁力计等领域。
4. 生物医学：GMR传感器可以应用于生物医学领域，用于检测生物磁场或监测生物信号。
结论：GMR传感器是一种利用巨磁电阻效应实现磁场检测的传感器，具有高灵敏度和快速响应的特点。
GMR效应
GMR[浏览次数：约1714次]GMR(Giant Magneto Resistive,巨磁阻):比AMR技术磁头灵敏度高2倍以上,GMR磁头是由4层导电材料和磁性材料薄膜构成的:一个传感层、一个非导电中介层、一个磁性的栓层和一个交换层.前3个层控制着磁头的电阻。
在栓层中,磁场强度是固定的,并且磁场方向被相临的交换层所保持。
而且自由层的磁场强度和方向则是随着转到磁头下面的磁盘表面的微小磁化区所改变的,这种磁场强度和方向的变化导致明显的磁头电阻变化,在一个固定的信号电压下面,就可以获取供硬盘电路处理的信号。
目录GMR的原理GMR巨巨磁阻效应巨磁阻磁头GMR磁头与MR磁头的区别基于GMR效应的新型生物传感器研究低矫顽力GMR磁传感器及其单畴模型的研究GMR的原理巨磁阻前3个层控制着磁头的电阻.在栓层中,磁场强度是固定的,并且磁场方向被相临的交换层所保持.而且自由层的磁场强度和方向则是随着转到磁头下面的磁盘表面的微小磁化区所改变的,这种磁场强度和方向的变化导致明显的磁头电阻变化,在一个固定的信号电压下面,就可以拾取供硬盘电路处理的信号。
巨磁阻磁头GMR磁头与MR磁头一样,是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据,但是GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构,比MR磁头更为敏感,相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化,从而可以实现更高的存储密度,现有的MR磁头能够达到的盘片密度为3Gbit-5Gbit/in2(千兆位每平方英寸),而GMR磁头可以达到10Gbit-40Gbit/in2以上.目前GMR磁头已经处于成熟推广期,在今后它将会逐步取代MR磁头,成为最流行的磁头技术。
GMR巨巨磁阻效应1988年,费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象:非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显着的电阻变化.那时,法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现,微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化,其变化的幅度比通常高十几倍,他把这种效应命名为巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistive,GMR).有趣的是,就在此前3个月,德国优利希研究中心格林贝格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁、铬、铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。
6-巨磁电阻效应及应用
巨磁电阻效应及应用一． 实验目的理解多层膜巨磁电阻（Giant Magneto Resistance —GMR ）效应的原理，通过实验了解几种GMR 传感器的结构、特性及应用领域。
二． 实验内容1.GMR 模拟传感器的磁电转换特性测量改变螺线管励磁电流，记录传感器的输出模拟电压。
螺线管电流范围-100mA~100mA 。
由公式nI B 0μ=（n 为线圈密度，I 为流经线圈的电流强度，m H /10470-⨯=πμ）计算出磁感应强度B ，以B 为横坐标，电压表读数为纵坐标做出磁电转换特性曲线。
2.GMR 磁阻特性测量改变螺线管励磁电流，记录巨磁阻的输出电流。
螺线管电流范围-100mA~100mA （正负电流的切换需手动改变导线连接）。
根据欧姆定律计算巨磁阻的电阻，以磁感应强度B 为横坐标，磁阻为纵坐标做出磁阻特性曲线。
3.GMR 开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量改变螺线管励磁电流，记录传感器的输出开关电压。
螺线管电流在-50mA~50mA 。
以磁感应强度B 为横坐标，电压读数为纵坐标做出开关传感器的磁电转换特性曲线。
4.用GMR 模拟传感器测量电流将待测电流设为0，改变偏置磁场，使得巨磁阻输出电压最大，记录此值。
保持该偏置磁场，改变待测电流，每隔50mA 记录一次巨磁阻的输出电压。
其中，待测电流变换范围-300mA~300mA 。
改变偏置磁场，重复测量3组数据。
以电流读数为横坐标，电压表读数为纵坐标作图，分别作出4条曲线。
5.GMR 梯度传感器的特性及应用逆时针慢慢转动齿轮，当输出电压为0时记录起始角度，以后每转3度记录一次角度与电压表的读数。
转动48度齿轮转过2齿，输出电压变化2个周期。
以齿轮实际转过的度数为横坐标，电压表的度数为纵向坐标作图。
6.磁记录与读出读写模块启用前，同时按下“0/1转换”和“写确认”按键约2秒，将读写组件初始化。
将此卡有刻度区域的一面朝前，沿着箭头标识的方向插入划槽，按需要切换写“0”或写“1”，按住“写确认”按键不放，缓慢移动磁卡，根据磁卡上的刻度区域写入。
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。
Ch2,巨磁电阻(GMR)效应本节内容
Ch 2， 巨磁电阻（GMR）效应
本节内容 1，振荡的层间耦合（1986） 2，金属量子阱中的自旋极化 3，GMR效应（1988） 重点：Mott的两流体模型
1，层间耦合
问题的提出？ 相邻FM层间的耦合作用与中间NM分隔 层的厚度有关？ 多层膜中的电子的本征状态？
Grunberg (1986） 布里渊散射
两流体模型（2）
散射过程中没有自旋反转 S↑电子未被d ↑（ majority ）电子散射，对电导贡献大 （d ↑在Fermi面没有状态) S↓ 电子 被d ↓(minority )电子散射，对电导贡献小 ( d ↓有效质量太大)
结果：
1
铁磁FM层之间的耦合能量，随非磁层厚度增加而振荡 振荡周期（波矢）为 （与自由电子气比较） 各种3d、4d金属的结果相近？ 11—12A
反铁磁金属量子阱
60
AFM/NM /AFM 蔡健旺等
NiFe/ FeMn/ Cu / FeMn
Exchange bias (Oe)
28A 26A
困难： 反铁磁体的 “磁化特性” 方法： 交换偏置表征 振荡周期： 加倍（21A)
Fe/Cr/Fe
FM层间的振荡耦合――普适现象
Parkin 的贡献
（1990） Co/Ru， 振荡周期 约12埃
巨磁电阻(GMR)磁场传感器的工作原理
巨磁电阻（GMR）磁场传感器的工作原理磁电阻（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。
反铁磁耦合时（外加磁场为0）处于高阻态的导电输出特性，电阻：R1/2外加磁场使该磁性多层薄膜处于饱和状态时（相邻磁性层磁矩平行分布），而电阻处于低阻态的导电输出特性，电阻：R2*R3/（R2+R3），R2R1R3 图1、利用两流模型来解释GMR 的机制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。
图2（1）：惠斯凳电桥在磁场传感器应用中的原理图2（2）：惠斯凳电桥中R1 和R2 在外加磁场作用下的变化情况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。
图3：巨磁电阻（GMR）在外加磁场下的性能曲线表一各公司巨磁电阻（GMR）传感器性能对照4.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。
而且该电源的稳定性直接影响传感器的测试精度，因此要求以稳压电源提供；使用中也应避免过电压供电； b .巨磁电阻（GMR）传感器作为一种高精度的磁敏传感器，对使用磁环境也有一定的要求，其型号选用应根据使用环境的磁场大小来决定； c. 巨磁电阻（GMR）传感器对磁场的灵敏度与方向有关。
GMR生物传感器的原理及研究现状
GMR生物传感器的原理及研究现状摘要：简述了生物传感器尤其是微生物传感器近年来在发酵工业及环境监测领域中的研究与应用，对其发展前景及市场化作了预测及展望。
生物电极是以固定化生物体组成作为分子识别元件的敏感材料，与氧电极、膜电极和燃料电极等构成生物传感器，在发酵工业、环境监测、食品监测、临床医学等方面得到广泛的应用。
生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。
随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力，其中特别突出的就有GMR生物传感器。
关键词：GMR生物传感器原理研究现状1引言1988年，在法国巴黎大学物理系Fert教授科研组工作的巴西学者M．N．Baibich研究Fe／Cr磁性超晶格薄膜的电子输运性质时发现了巨磁阻(GMR)效应，即材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象。
这一发现引起了许多国家科学家的关注，巨磁电阻效应及其材料的基础研究和应用研究迅速成为人们关注的热点。
自此以后，10多年来，巨磁电阻效应的研究发展非常迅速，并且基础研究和应用研究几乎齐头并进，已成为基础研究快速转化为商业应用的国际典范。
目前，GMR材料已在磁传感器、计算机读出磁头、磁随机存取存储器等领域得到商业化应用。
利用GMR材料制作的传感器称作巨磁阻传感器，它具有灵敏度高、探测范围宽、抗恶劣环境等优点，可利用半导体曝光和刻蚀工艺，使该元件集成化、小型化，其性价比远远优于其他几种磁场传感器。
本文综述一种将GMR传感器和生物技术相结合的新型传感器——GMR生物传感器。
该传感器应用于生物检测领域，是一种对磁标记的生物样本进行检测的传感器，由免疫磁性微球(IMB)、高磁灵敏度的GMR传感器以及相关读出电路三部分构成。
2免疫磁性微球1979年，JohnUgelstad等人成功地制备了一种均匀性和粒度适宜的聚苯乙烯微球，将其磁化并与抗体连接后，即成为一种分离细胞效果极佳的免疫磁标记——dynabeads。
GMR巨磁电阻传感器 (模拟输出)使用说明 Ver2
地磁场强度大约是0.5高斯，50uT,即 50000nT
备注： 1. 单位A/m，磁场强度H的单位最先是由磁荷理论定义出的导出量，最终化简的单位为A/m
（由基本单位A和m来表示的导出单位），国际单位制SI有七个基本单位（长度m、质量 Kg、时间s、电流A、热力学温度K、物质的量mol以及发光强度单位cd），除此之外其它 物理量的单位由七个基本单位导出。 2. 单位Oe（奥斯特）－－纪念物理学家奥斯特而给出的别名1Oe=12.56kA/m Oe是磁场 强度单位，G(Gauss)是磁感应强度单位， 在空气中，1 Oe=1Gs （等价关系），1 Oe产生 的磁感应强度即为1 Gs，即空气的磁导率是1，磁导率的定义是B/H，因此在空气中， B/H=1，其他介质则不是 3. 单位T 磁感应强度B的单位属于导出单位，本应由基本单位表示，但用T来表示，是为了 纪念物理学家Tesla（特斯拉）给出的“别名”。
低阻态
图 3 示意图
高阻态
图 4 两种取向电子在多层膜中不同散射对磁电阻的影响 当加入外磁场 H 后,与外磁场反向的磁矩将趋向外磁场方向,当外场达到一定值时,所有铁磁 层中的磁矩方向变得基本一致（图 3b）。则自旋方向与磁矩方向相同的电子受到的电阻很小
(为 2R0 ) , 反之电阻很大(为 2R) ,并联结果如图 4b 所示,总电阻为 R 总=2 R R0 /(R+R0) 此时的总电阻比上述 H=0 时的要小得多,于是在外磁场下,产生了巨磁阻效应。
D
4.80 5.00
0.189
0.196
E
3.80 4.00
0.150
0.157
、 Peter 和 Albert 因发现巨磁阻现象而获得 2007 年诺贝尔奖
Fe/Cr 多层膜磁电阻变化曲线 巨磁阻效应是由于金属多层膜中电子自旋相关散射造成的。来自于载流电子的不同自旋 状态与磁场的作用不同,因而导致电阻值的变化。在不加磁场( H= 0) 情况下的多层膜( Fe/ Cr) N 中,当非磁层厚度合适时,两个相邻铁磁层会产生反铁磁耦合,即一层中原子磁矩基本沿同一 方向排列，而相邻层原子的磁矩反平行排列,如图 3(a)所示。两种电子所受到的总电阻,是如 图 4(a)所示的并联电阻情况。R 是自旋取向电子在受到相同方向磁矩散射时的电阻总和, R0 是受到反方向磁矩散射时的电阻总和,两种电子的总电阻是它们的关联结果 R 总= (R+R0)/2
GMR模拟传感器的磁电转换特性测量
巨磁电阻效应――GMR 模拟传感器的磁电转换特性测量【实验目的】1. 掌握GMR 效应的定义；2. 了解GMR 效应的原理；3. 熟悉GMR 模拟传感器的构成；4. 测量GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线。
【实验仪器】ZKY-JCZ 巨磁电阻效应及应用实验仪、基本特性组件、导线【实验原理】一、巨磁电阻效应定义及发展过程1、定义2007年10月，科学界的最高盛典—瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。
本年度，法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter Grunberg)因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。
瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。
巨磁阻到底是什么？诺贝尔评委会主席佩尔·卡尔松用比较通俗的语言解答了这个问题。
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。
目前，根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。
“巨磁电阻”效应（GMR，Giant Magneto Resistance)是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。
也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10余倍。
2、发展过程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)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(或亚铁磁)有序状态，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。
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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。
而且该
电源的稳定性直接影响传感器的测试精度，因此要求以稳压电源提供；使用中也应避免过电压供电；
b.巨磁电阻（GMR）传感器作为一种高精度的磁敏传感器，对使用磁环境也有一定的要求，
其型号选用应根据使用环境的磁场大小来决定；
c.巨磁电阻（GMR）传感器对磁场的灵敏度与方向有关。
其外形结构上标注的敏感轴为传感
器对磁场最为灵敏的方向，参见图四。
当不平行时，灵敏度降低，其关系为
Sθ=S0COSθ
其中Sθ为磁场方向与传感器敏感轴间的夹角为θ时的灵敏度，S0为磁场方向与传感器敏感轴平行时的灵敏度。
图4 巨磁电阻（GMR）传感器外形结构及接线图
d.对于输出特性相对于外磁场为偶函数时，则将传感器作为测量使用时需要外加偏置磁场。
理想情况偏置磁
场的大小为传感器保持线性范围磁场的1/2。