巨磁阻效应及其应用
合集下载
相关主题
- 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)。
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： Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）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磁头传感器耦合器
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅ８ ｆｏｒ Ｇｉａｎｔ ＭａｇｎｅｔＯ Ｒｅ８ｉｓｔａｎｃｅ Ｅｆｆｅｃｔ
比起ＡＭＲ（异性磁阻）系列传感器或霍尔效应传感 器，ＧＭＲ 系列传感器有比较大的输出，并且能在超出 ＡＭＲ传感器工作范围的情况下正常工作。另外，强磁场 不会使ＧＭＲ系列传感器快速反转或者使输出反向，但是 这在ＡＭＲ传感器中可能会出现。强磁场ＧＭＲ系列传感器 不会造成任何损害。
ＧＭＲ效应传感器频率响应范围是ＤＣ’ｌＭＨｚ，对匀强 场会产生输出。这点是它们和电感传感器区分，因为电 感传感器只对磁场中的变化产生反应。高敏感度的ＧＭＲ （巨磁阻）材料使得传感器具有很大的电阻。一般传感 器中的电阻是５ｋＱ。有一些专用的低功率设备的电阻是 大于等于３０ｋ Ｑ。传感器也可以被制作成在零场强时有一 内置偏移，这一点使得可以在某个指定的场强值的输出 提供一个零点输出。
■
图８ ＧＭＲ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
图２ ＧＭＲ读磁头薄膜结构
这种结构使自由层的磁化角度（自旋）的变化转变 成电阻值的变化和电压输出的变化，所以称之为自旋阀。 为了可靠稳定的工作，这些１．５纳米厚的薄层必须有很 高的晶体质量和极少的物理与磁性缺陷，否则就难以承
万方数据
应用设计
受严酷的硬盘工作温度条件。
３ ＧＭＲ传感器 ＧＭＲ效应传感器基于多层金属薄膜的磁阻效应，采用 真空（溅射）蒸镀、多层金属薄膜工艺技术制成。巨磁阻 效应传感器与传统的金属薄膜磁阻元件不同，对弱磁场 下灵敏度高，对磁场强度的方向变化非常敏感。巨磁阻 效应器件的阻值随磁场强度的方向的变化关系为 Ｒ＝Ｒ０＋？Ｏ．５５△Ｒ（１一ｃｏｓ ａ） 式中Ｒ０为巨磁阻器件在无磁场下电阻值，△Ｒ为在 有磁场下的电阻变化值，ａ指磁场强度的空间方向，其 值为０～３６０。其原理示意图见图．
陈伟平， Chen Weபைடு நூலகம்ping 95989部队
电子技术 ELECTRONIC TECHNOLOGY 2007，36(11) 0次
相似文献(10条)
1.学位论文 郑金平 多层膜巨磁电阻材料及其在磁微球检测中的应用 2007
GMR-生物传感器是以标记分析样（如DNA，蛋白或细胞）的超顺磁性磁微球为载体，利用金属多层膜结构的磁阻效应检测磁化磁微球的偶极场在水平 面内磁场分量的一类生物传感器。与荧光标记等传统生物传感器相比，它有着显著的优势：灵敏度高，信噪比高，IC兼容，可望成为集成度高、非专业 人员操作、便携式、价格低廉的新型生物检测器件。目前，GMR-生物传感器已成为分子识别和疾病诊断领域中竞相研究的热点之一。本文制备了GMR多层 膜材料，研究了影响多层膜磁电阻性能的相关因素，并对优化的多层膜结构，采用微细加工工艺制备了GMR-磁微球检测器件，主要结果有：
万方数据
应用设计
５Ｖ和３．３Ｖ两种电压及混合电压驱动。图９就是一个使用 ＩＬ７１７的参考电路。ＩＬ７１７实现了隔离，同时ＡＤｃ使用５Ｖ 的电平而控制器使用的是３．３ Ｖ的电平。ＩＬ７ｘｘ系列：笆＝片 还有一个独特之处那就是不需要锁存器即可实现当控制 端掉电时，输出端保持最后状态的功能。这在某些故障 安全的应用场合非常有用，减少了很多额外的设计。
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
供更强的信号，二是该技术可以与现代的集成电路技术
完美融合，ＧＭＲ效应器件可以封装到芯片里，从而提供更 小、更快且相对便宜的数字隔离器、传感器等。
Ｈ＝—．ｌ＿（—ｃｏ—ｓ ｅ－：＇栅＋—ｃｏ—ｓｅ—．—，二）
在计算过程中ａ的值可以由ＮＶＥ公司的数据表查询获 得。另外磁场强度与从系列传感器的电压变化的关系也 是通过该公司的计算工具包获得。详细计算过程可参考 ｈｔｔｐ：／／Ｗｗｗ．ｎｖｅ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌＴｏｏｌｓ．ｈｔｍ，在此不再 赘述。假设通过上述计算可以知道一个１０Ａ的电流强度 可以与ＮＶＥ公司的从００２—２传感器搭配。相应的参考检测 电路如图７所示。图中当被测线路的电流强度为１０Ａ时， ＡＡ００２—２传感器大约产生２００ｍｖ左右的输出，经过 ＩＮＡｌｌ８放大后导致ＬＥＤ点亮。该电路仅仅作为样本说明 ＧＭＲ效应传感器是如何实现电流测量的，在实际工程设 计中可以根据需要灵活设置ＧＭＲ传感器。
下面介绍一下巨磁阻效应在电子技术方面的一些应用。
２磁存储技术 巨磁阻效应自从被发现以来主要被用于开发研制用 于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头。这使得存储单 字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘 的存储能力得到大幅度的提高。１９９８年，美国的ＩＢＭ公 司成功地把ＧＭＲ效应应用在计算机硬盘驱动器上，研制 出巨磁阻（ＧＭＲ）磁头。到目前为止，巨磁阻技术已经 成为全世界几乎所有电脑、数码相机、ＭＰ３播放器的标 准技术。 巨磁阻（ＧＭＲ）磁头的应用带动了计算机产业的迅 速发展，打破了信息高速公路图像传递存储的瓶颈，目 前存储密度已高达５６ＧＢ／平方英寸。世界ＧＭＲ磁头的市场 总额每年４００亿美元。更令人可喜的是，美国的摩托罗 拉公司宣布成功研制出ＧＭＲ磁随机读取存储器（ＭＲＡＭ）， 这种存储器将预示１０００亿美元的市场容量。 在１９９０年至１９９５年间，硬盘采用ＴＦＩ读／写技术。 ＴＦＩ磁头实际上是绕线的磁芯。磁盘在绕线的磁芯下通 过时会在磁头上产生感应电压。ＴＦＩ读磁头之所以会达 到它的能力极限，是因为在提高磁灵敏度的同时，它的 写能力却减弱了。 ９０年代中期，希捷公司推出了使用ＡＭＲ磁头的硬盘。 ＡＭＲ磁头使用ＴＦＩ磁头来完成写操作，但用薄条的磁性材 料来作为读元件。在有磁场存在的情况下，薄条的电阻 会随磁场而变化，进而产生很强的信号。硬盘译解由于 磁场极性变化而引起的薄条电阻变化，提高了读灵敏度。 ＡＭＲ磁头进一步提高了面密度，而且减少了元器件数量。 由于ＡＭＲ薄膜的电阻变化量有一定的限度，所以ＡＭＲ磁头 的灵敏度也存在极限。 ＧＭＲ磁头继承了ＴＦＩ磁头和ＡＭＲ磁头中采用的读／写技 术。但它的读磁头对于磁盘上的磁性变化表现出更高的 灵敏度。ＧＭＲ传感器的灵敏度比ＡＭＲ磁头大３倍，所以能 够提高硬盘的面密度和性能。ＧＭＲ磁头工作原理是依赖 于自旋的电子散射。为了说明ＧＭＲ磁头的工作过程，引 入了自旋阀（ＳＶ）这个术语。如图３所示就是ＧＭＲ读磁头 薄膜结构。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｇｉ ａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉ ｓｔａｎｃｅ， ＧＭＲ， Ｍａｇｎｅｔ ｉ ｃ Ｈｅａｄ， Ｓｅｎｓｏｒ， Ｉｓｏｌａｔｏｒ
１概述 ２００７年度的诺贝尔物理学奖已经揭晓，将授予两位 物理学家：来自法国Ｐａｒｉｓ—Ｓｕｄ大学的Ａｌｂｅｒｔ Ｆｅｒｔ以及 德国尤里希研究中心（Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍ Ｊｕｌｉｃｈ）的 Ｐｅｔｅｒ Ｇｒｕｎｂｅｒｇ，以表彰他们对于发现巨磁阻效应所作 出的贡献。他们于１９８８年独立作出的发现给现代信息技 术带来了巨大的飞跃。 巨磁阻效应是指当铁磁材料（Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）和 非磁性金属（Ｎｏｎ—Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｅｔａｌ）层交替组合成的材 料在足够强的磁场中时电阻突然巨幅下降的现象。特别 值得注意的是，如果相邻材料中的磁化方向平行的时候， 电阻会变得很低；而当磁化方向相反的时候电阻则会变 得很大。电阻值的这种变化是由于不同自旋的电子在单 层磁化材料中散射性质不同而造成的。原理如图１所示。
、．／‘ ‘＼
１ Ｎ磁 钢Ｓ ●
ｌ
— ＧＭＲ
图３ ＧＭＲ效席传慝器的原理
ＧＭＲ效应传感器是用来在很大范围内测量或传感磁 场强度。ＧＭＲ系列传感器直接检测磁场，而不是磁场的 变化率。因此，它可以做直流场传感器。ＧＭＲ效应传感 器对于磁场中的小变化很敏感，这一点使得它能够准确 的测量线性系统或者转动系统的位置和位移。传感器元 件本身尺寸很好这样加强了它对位置的敏感度，这点在 几个小磁场的合磁场的应用中或者大磁场梯度的应用中 很有用。导体在通电情况下存在磁场这使得这些设备还 可以作为电路传感器或电流检测器。
Ｃｈｅｎ Ｗｅｉｐｉｎｇ
Ｔｒｏｏｐｓ＃９５９８９
＾ｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ （ＧＭＲ） ｅｆｆｅｃｔ． Ｓｏｍｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓ锄ｐｌｅｓ ａｎｄ ｎｏｔｅｓ ｕｓｉｎｇ ＧＭＲ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
薄膜 绝缘层
■
蓼叫｛载势 ■
图９ ＧＭＲ效应隔离器的设计参考
５小结 巨磁阻效应的发现带来了信息产业的飞速发展，获 得诺贝尔奖金当之无愧。它也为电子设计带来了更丰富 的资源，如何充分利用ＧＭＲ效应值得认真思考。现在利 用ＧＭＲ效应研制出来的传感器、耦合器等新型器件越来 越多，这些器件所带来的功耗减少、成本减少等优点可 以在先阶段得到充分利用。
与普通的数字信号耦合器相比，ＧＭＲ效应耦合器件 体积更小，功耗更小，每通道的成本也更低。另外由于 使用了基于磁场发生线圈的无源前端，使前后端可以使 用不同的电平。例如ＩＬ７００／ＩＬ２００系列芯片就可以使用
万方数据
巨磁阻效应及其应用
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
以ＮＶＥ公司的从或ＡＡＨ系列传感器为例来实现一个电 流过载的检测电路。通过ＧＭＲ效应传感器检测一条线路 所产生的磁场就可以将磁场强度转化成相应的电流和电 压值．这首先需要建立磁场强度和ＧＭＲ效应传感器之间的 数据联系。
从传感器在出厂的封装时设定了磁场的最强敏感方 向轴是顺着芯片方向的，因此待测线路的方向必须与该 轴线方向成９０。。如图４所示。
图７ ６ＭＲ效应实现电流过载检测的参考电路
４ ＧＭＲ隔离耦合器 ＧＭＲ效应另外一个重要的用途就是实现数字信号的 耦合。过去出于安全考虑对不同数字信号网络进行隔离 时，通常是用电容技术或者光电耦合技术。现在利用 ＧＭＲ效应构成的惠斯通电桥可以构建一个基本的耦合电 路，其基本原理如图８所示。这样的耦合电路封装到集 成电路芯片中，就构成了尺寸比现有光电耦合器件还小 的数字耦合器。ＮＶＥ公司的ＩＬ系列芯片的就能够实现单 通、双通道、４通道、ＣＭＯＳ兼容和漏极开路等多种形式 的数字耦合，还有专门针对ＲＳ一４８５和ＲＳ一４２２网络的隔离 芯片。
采用磁控溅射法制备了两种结构多层膜材料，结构I. Ta/缓冲层/[CoFe/Cu]n /CoFe/Ta，结构II. Ta/NiFeCo/[NiFeCo/CoFe/Cu/CoFe]n/NiFeCo/Ta。
结果表明，结构I的磁电阻性能与缓冲层材料、各子层厚度以及退火处理有关：缓冲层材料决定着多层膜的磁滞大小；缓冲层厚度、磁性层和非磁性 层厚度与多层膜GMR值存在优化关系；退火处理能改善多层膜的磁电阻性能。进一步研究表明，采用优化结构8nm厚的缓冲层NiFeCo，1.55nm厚CoFe磁性 层，2.4nm厚Cu非磁性层，结构I获得GMR值7.6％，磁滞23.5Oe；退火处理后，GMR值提高到11.9％，磁滞下降到10Oe。对于结构II，当Cu层厚度小于 3.5nm，几乎观察不到磁电阻变化。
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６ ＡＡ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：
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： Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）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磁头传感器耦合器
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅ８ ｆｏｒ Ｇｉａｎｔ ＭａｇｎｅｔＯ Ｒｅ８ｉｓｔａｎｃｅ Ｅｆｆｅｃｔ
比起ＡＭＲ（异性磁阻）系列传感器或霍尔效应传感 器，ＧＭＲ 系列传感器有比较大的输出，并且能在超出 ＡＭＲ传感器工作范围的情况下正常工作。另外，强磁场 不会使ＧＭＲ系列传感器快速反转或者使输出反向，但是 这在ＡＭＲ传感器中可能会出现。强磁场ＧＭＲ系列传感器 不会造成任何损害。
ＧＭＲ效应传感器频率响应范围是ＤＣ’ｌＭＨｚ，对匀强 场会产生输出。这点是它们和电感传感器区分，因为电 感传感器只对磁场中的变化产生反应。高敏感度的ＧＭＲ （巨磁阻）材料使得传感器具有很大的电阻。一般传感 器中的电阻是５ｋＱ。有一些专用的低功率设备的电阻是 大于等于３０ｋ Ｑ。传感器也可以被制作成在零场强时有一 内置偏移，这一点使得可以在某个指定的场强值的输出 提供一个零点输出。
■
图８ ＧＭＲ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
图２ ＧＭＲ读磁头薄膜结构
这种结构使自由层的磁化角度（自旋）的变化转变 成电阻值的变化和电压输出的变化，所以称之为自旋阀。 为了可靠稳定的工作，这些１．５纳米厚的薄层必须有很 高的晶体质量和极少的物理与磁性缺陷，否则就难以承
万方数据
应用设计
受严酷的硬盘工作温度条件。
３ ＧＭＲ传感器 ＧＭＲ效应传感器基于多层金属薄膜的磁阻效应，采用 真空（溅射）蒸镀、多层金属薄膜工艺技术制成。巨磁阻 效应传感器与传统的金属薄膜磁阻元件不同，对弱磁场 下灵敏度高，对磁场强度的方向变化非常敏感。巨磁阻 效应器件的阻值随磁场强度的方向的变化关系为 Ｒ＝Ｒ０＋？Ｏ．５５△Ｒ（１一ｃｏｓ ａ） 式中Ｒ０为巨磁阻器件在无磁场下电阻值，△Ｒ为在 有磁场下的电阻变化值，ａ指磁场强度的空间方向，其 值为０～３６０。其原理示意图见图．
陈伟平， Chen Weபைடு நூலகம்ping 95989部队
电子技术 ELECTRONIC TECHNOLOGY 2007，36(11) 0次
相似文献(10条)
1.学位论文 郑金平 多层膜巨磁电阻材料及其在磁微球检测中的应用 2007
GMR-生物传感器是以标记分析样（如DNA，蛋白或细胞）的超顺磁性磁微球为载体，利用金属多层膜结构的磁阻效应检测磁化磁微球的偶极场在水平 面内磁场分量的一类生物传感器。与荧光标记等传统生物传感器相比，它有着显著的优势：灵敏度高，信噪比高，IC兼容，可望成为集成度高、非专业 人员操作、便携式、价格低廉的新型生物检测器件。目前，GMR-生物传感器已成为分子识别和疾病诊断领域中竞相研究的热点之一。本文制备了GMR多层 膜材料，研究了影响多层膜磁电阻性能的相关因素，并对优化的多层膜结构，采用微细加工工艺制备了GMR-磁微球检测器件，主要结果有：
万方数据
应用设计
５Ｖ和３．３Ｖ两种电压及混合电压驱动。图９就是一个使用 ＩＬ７１７的参考电路。ＩＬ７１７实现了隔离，同时ＡＤｃ使用５Ｖ 的电平而控制器使用的是３．３ Ｖ的电平。ＩＬ７ｘｘ系列：笆＝片 还有一个独特之处那就是不需要锁存器即可实现当控制 端掉电时，输出端保持最后状态的功能。这在某些故障 安全的应用场合非常有用，减少了很多额外的设计。
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
供更强的信号，二是该技术可以与现代的集成电路技术
完美融合，ＧＭＲ效应器件可以封装到芯片里，从而提供更 小、更快且相对便宜的数字隔离器、传感器等。
Ｈ＝—．ｌ＿（—ｃｏ—ｓ ｅ－：＇栅＋—ｃｏ—ｓｅ—．—，二）
在计算过程中ａ的值可以由ＮＶＥ公司的数据表查询获 得。另外磁场强度与从系列传感器的电压变化的关系也 是通过该公司的计算工具包获得。详细计算过程可参考 ｈｔｔｐ：／／Ｗｗｗ．ｎｖｅ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌＴｏｏｌｓ．ｈｔｍ，在此不再 赘述。假设通过上述计算可以知道一个１０Ａ的电流强度 可以与ＮＶＥ公司的从００２—２传感器搭配。相应的参考检测 电路如图７所示。图中当被测线路的电流强度为１０Ａ时， ＡＡ００２—２传感器大约产生２００ｍｖ左右的输出，经过 ＩＮＡｌｌ８放大后导致ＬＥＤ点亮。该电路仅仅作为样本说明 ＧＭＲ效应传感器是如何实现电流测量的，在实际工程设 计中可以根据需要灵活设置ＧＭＲ传感器。
下面介绍一下巨磁阻效应在电子技术方面的一些应用。
２磁存储技术 巨磁阻效应自从被发现以来主要被用于开发研制用 于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头。这使得存储单 字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘 的存储能力得到大幅度的提高。１９９８年，美国的ＩＢＭ公 司成功地把ＧＭＲ效应应用在计算机硬盘驱动器上，研制 出巨磁阻（ＧＭＲ）磁头。到目前为止，巨磁阻技术已经 成为全世界几乎所有电脑、数码相机、ＭＰ３播放器的标 准技术。 巨磁阻（ＧＭＲ）磁头的应用带动了计算机产业的迅 速发展，打破了信息高速公路图像传递存储的瓶颈，目 前存储密度已高达５６ＧＢ／平方英寸。世界ＧＭＲ磁头的市场 总额每年４００亿美元。更令人可喜的是，美国的摩托罗 拉公司宣布成功研制出ＧＭＲ磁随机读取存储器（ＭＲＡＭ）， 这种存储器将预示１０００亿美元的市场容量。 在１９９０年至１９９５年间，硬盘采用ＴＦＩ读／写技术。 ＴＦＩ磁头实际上是绕线的磁芯。磁盘在绕线的磁芯下通 过时会在磁头上产生感应电压。ＴＦＩ读磁头之所以会达 到它的能力极限，是因为在提高磁灵敏度的同时，它的 写能力却减弱了。 ９０年代中期，希捷公司推出了使用ＡＭＲ磁头的硬盘。 ＡＭＲ磁头使用ＴＦＩ磁头来完成写操作，但用薄条的磁性材 料来作为读元件。在有磁场存在的情况下，薄条的电阻 会随磁场而变化，进而产生很强的信号。硬盘译解由于 磁场极性变化而引起的薄条电阻变化，提高了读灵敏度。 ＡＭＲ磁头进一步提高了面密度，而且减少了元器件数量。 由于ＡＭＲ薄膜的电阻变化量有一定的限度，所以ＡＭＲ磁头 的灵敏度也存在极限。 ＧＭＲ磁头继承了ＴＦＩ磁头和ＡＭＲ磁头中采用的读／写技 术。但它的读磁头对于磁盘上的磁性变化表现出更高的 灵敏度。ＧＭＲ传感器的灵敏度比ＡＭＲ磁头大３倍，所以能 够提高硬盘的面密度和性能。ＧＭＲ磁头工作原理是依赖 于自旋的电子散射。为了说明ＧＭＲ磁头的工作过程，引 入了自旋阀（ＳＶ）这个术语。如图３所示就是ＧＭＲ读磁头 薄膜结构。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｇｉ ａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉ ｓｔａｎｃｅ， ＧＭＲ， Ｍａｇｎｅｔ ｉ ｃ Ｈｅａｄ， Ｓｅｎｓｏｒ， Ｉｓｏｌａｔｏｒ
１概述 ２００７年度的诺贝尔物理学奖已经揭晓，将授予两位 物理学家：来自法国Ｐａｒｉｓ—Ｓｕｄ大学的Ａｌｂｅｒｔ Ｆｅｒｔ以及 德国尤里希研究中心（Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍ Ｊｕｌｉｃｈ）的 Ｐｅｔｅｒ Ｇｒｕｎｂｅｒｇ，以表彰他们对于发现巨磁阻效应所作 出的贡献。他们于１９８８年独立作出的发现给现代信息技 术带来了巨大的飞跃。 巨磁阻效应是指当铁磁材料（Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）和 非磁性金属（Ｎｏｎ—Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｅｔａｌ）层交替组合成的材 料在足够强的磁场中时电阻突然巨幅下降的现象。特别 值得注意的是，如果相邻材料中的磁化方向平行的时候， 电阻会变得很低；而当磁化方向相反的时候电阻则会变 得很大。电阻值的这种变化是由于不同自旋的电子在单 层磁化材料中散射性质不同而造成的。原理如图１所示。
、．／‘ ‘＼
１ Ｎ磁 钢Ｓ ●
ｌ
— ＧＭＲ
图３ ＧＭＲ效席传慝器的原理
ＧＭＲ效应传感器是用来在很大范围内测量或传感磁 场强度。ＧＭＲ系列传感器直接检测磁场，而不是磁场的 变化率。因此，它可以做直流场传感器。ＧＭＲ效应传感 器对于磁场中的小变化很敏感，这一点使得它能够准确 的测量线性系统或者转动系统的位置和位移。传感器元 件本身尺寸很好这样加强了它对位置的敏感度，这点在 几个小磁场的合磁场的应用中或者大磁场梯度的应用中 很有用。导体在通电情况下存在磁场这使得这些设备还 可以作为电路传感器或电流检测器。
Ｃｈｅｎ Ｗｅｉｐｉｎｇ
Ｔｒｏｏｐｓ＃９５９８９
＾ｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ （ＧＭＲ） ｅｆｆｅｃｔ． Ｓｏｍｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓ锄ｐｌｅｓ ａｎｄ ｎｏｔｅｓ ｕｓｉｎｇ ＧＭＲ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
薄膜 绝缘层
■
蓼叫｛载势 ■
图９ ＧＭＲ效应隔离器的设计参考
５小结 巨磁阻效应的发现带来了信息产业的飞速发展，获 得诺贝尔奖金当之无愧。它也为电子设计带来了更丰富 的资源，如何充分利用ＧＭＲ效应值得认真思考。现在利 用ＧＭＲ效应研制出来的传感器、耦合器等新型器件越来 越多，这些器件所带来的功耗减少、成本减少等优点可 以在先阶段得到充分利用。
与普通的数字信号耦合器相比，ＧＭＲ效应耦合器件 体积更小，功耗更小，每通道的成本也更低。另外由于 使用了基于磁场发生线圈的无源前端，使前后端可以使 用不同的电平。例如ＩＬ７００／ＩＬ２００系列芯片就可以使用
万方数据
巨磁阻效应及其应用
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
以ＮＶＥ公司的从或ＡＡＨ系列传感器为例来实现一个电 流过载的检测电路。通过ＧＭＲ效应传感器检测一条线路 所产生的磁场就可以将磁场强度转化成相应的电流和电 压值．这首先需要建立磁场强度和ＧＭＲ效应传感器之间的 数据联系。
从传感器在出厂的封装时设定了磁场的最强敏感方 向轴是顺着芯片方向的，因此待测线路的方向必须与该 轴线方向成９０。。如图４所示。
图７ ６ＭＲ效应实现电流过载检测的参考电路
４ ＧＭＲ隔离耦合器 ＧＭＲ效应另外一个重要的用途就是实现数字信号的 耦合。过去出于安全考虑对不同数字信号网络进行隔离 时，通常是用电容技术或者光电耦合技术。现在利用 ＧＭＲ效应构成的惠斯通电桥可以构建一个基本的耦合电 路，其基本原理如图８所示。这样的耦合电路封装到集 成电路芯片中，就构成了尺寸比现有光电耦合器件还小 的数字耦合器。ＮＶＥ公司的ＩＬ系列芯片的就能够实现单 通、双通道、４通道、ＣＭＯＳ兼容和漏极开路等多种形式 的数字耦合，还有专门针对ＲＳ一４８５和ＲＳ一４２２网络的隔离 芯片。
采用磁控溅射法制备了两种结构多层膜材料，结构I. Ta/缓冲层/[CoFe/Cu]n /CoFe/Ta，结构II. Ta/NiFeCo/[NiFeCo/CoFe/Cu/CoFe]n/NiFeCo/Ta。
结果表明，结构I的磁电阻性能与缓冲层材料、各子层厚度以及退火处理有关：缓冲层材料决定着多层膜的磁滞大小；缓冲层厚度、磁性层和非磁性 层厚度与多层膜GMR值存在优化关系；退火处理能改善多层膜的磁电阻性能。进一步研究表明，采用优化结构8nm厚的缓冲层NiFeCo，1.55nm厚CoFe磁性 层，2.4nm厚Cu非磁性层，结构I获得GMR值7.6％，磁滞23.5Oe；退火处理后，GMR值提高到11.9％，磁滞下降到10Oe。对于结构II，当Cu层厚度小于 3.5nm，几乎观察不到磁电阻变化。
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６ ＡＡ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：