隧道磁电阻
隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用
隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用摘要本文概述了隧道磁电阻（TMR）效应的技术原理，着重介绍了基于TMR 效应的传感器的工作原理和性能特性，分析了其存在的优势和不足，展望了TMR 技术在电力系统中的应用前景。
关键词隧道磁电阻效应；传感器；电力系统0引言传感测量技术贯穿了电力系统发电、输电、变电、配电、用电和调度等主要环节，是实现电力系统智能化的必要条件[1]。
传感器技术的进步与材料学中新发现密切相关。
隧道磁电阻效应是近年新发现的物理现象，本文主要讨论隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用。
1磁电阻效应1.1巨磁电阻效应图1 Fe/Cr多层膜电阻与磁场的关系磁电阻效应是指由磁场引起的材料电阻率发生变化的现象，其变化大小的比率称为磁电阻变化率，记为MR=Δρ/ρ(H)=[ρ(0)-ρ(H)]/ρ(H)。
大多数磁性金属都存在磁电阻效应效应，但MR值很小，一般低于3%，因此实用性较低。
1988年，科学家在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应(Giant MagnetoResistance Effect，GMR效应)（图1）。
GMR效应的MR值接近50%，因此很快实现工业应用并成为大容量硬盘制造的关键技术。
2007年发现GMR效应的两位科学家获得了诺贝尔物理奖[2]。
GMR技术已应用于多种磁敏传感器中，但由于层间交换耦合导致饱和磁场较高，影响了基于GMR技术的传感器的敏感度。
1.2 隧道磁电阻效应随着GMR效应研究的深入，在铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层类型磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）（图2）中发现了隧道磁电阻效应（Tunnel MagnetoResistance Effect，TMR效应），其MR值可以达到400%。
ＴＭＲ效应来源于电子自旋相关的隧穿效应，即当两铁磁层平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，磁性隧道结为低阻态；若两磁性层反平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，这种状态的隧穿电流比较小，是高阻态。
第三讲自旋电子学课件
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
tmr磁传感器使用方法
tmr磁传感器使用方法【原创版4篇】《tmr磁传感器使用方法》篇1TMR(隧道磁电阻) 传感器是一种基于磁电阻效应的磁头传感器，可以测量磁场的强度和方向。
以下是一般性的TMR 磁传感器使用方法:1. 连接电路：将TMR 磁传感器的输出引脚连接到电路中，通常需要连接一个电源和一个输出电路，如示波器或数据采集器。
2. 校准传感器：在使用TMR 磁传感器之前，需要对其进行校准，以确保其输出准确。
校准可以通过使用已知的磁场强度进行，也可以使用特殊的校准设备。
3. 放置传感器：将TMR 磁传感器放置在需要测量磁场的位置，通常需要将其固定在稳定的支架上，以确保其位置不变。
4. 收集数据：将TMR 磁传感器的输出连接到数据采集器或示波器等设备上，收集传感器输出的数据。
可以根据需要对数据进行处理和分析。
5. 调整传感器：根据实际需要，可以对TMR 磁传感器进行调整，以优化其性能。
例如，可以调整传感器的灵敏度或阈值等参数。
不过，TMR 磁传感器的使用方法可能会因具体的应用场景而有所不同。
《tmr磁传感器使用方法》篇2TMR(隧道磁电阻) 传感器是一种基于磁电阻效应的磁头传感器，可以测量磁场的强度和方向。
下面是TMR 磁传感器的一般使用方法:1. 准备材料:TMR 磁传感器、磁铁、电源和示波器等。
2. 连接电路：将TMR 磁传感器连接到电路中，一般需要连接电源正负极和输出信号线。
注意连接时要注意正负极，避免连接错误。
3. 调整传感器：将磁铁放置在TMR 磁传感器的不同位置，观察传感器输出信号的变化。
通过调整磁铁的位置和方向，可以校准传感器的测量范围和灵敏度。
4. 测量磁场：将TMR 磁传感器放置在待测磁场的位置，记录传感器输出信号的变化。
根据传感器的输出信号和磁场的强度和方向之间的关系，可以计算出待测磁场的强度和方向。
5. 数据分析：通过对测量数据的分析，可以得到更多的信息，例如磁场的分布、变化规律等。
《tmr磁传感器使用方法》篇3TMR(隧道磁电阻) 传感器是一种基于磁电阻效应的磁头传感器，可以测量磁场的强度和方向。
隧道磁电阻效应中的两种不同的理论方法
首先报道在 铁磁体 绝缘体
铁磁体 结 构的 磁 性隧 道 结 Fe Ge Co 中 就发 现 了 TRM, 并给出了一个简单的计算 TMR 的公式 R = R AP - R P = 2 PP , R R AP 1+ PP
( 1)
. 1994 年, 在类钙钛
其中 R P 和 R AP 分别代表两铁磁层磁化方向平行和 反平行时的电阻, P 和 P 分别为两边铁磁层中传导 电子的自旋极化率 , P = ( N ( E F ) - N ( E F ) ) ( N ( E F ) + N ( E F ) ) , N ( E F ) 和 N ( E F ) 分别代表费 米面附近自旋向上和向下的电子密度 . 使用隧道哈 密顿方法可以得到 Julliere 的公式 . ( 1) 式与一些实 验符合得很好 , 后来的很多研究也是从此公式出发 或以此为基础发展出来的. 之后, Gu 等人
关键词: 隧道磁电阻, Slonczewski 模型 , 隧道哈密顿方法 , 势垒 PACC: 7210 Miyazaki 和 Tezuka 以及 Moodera 等人
[ 6] [ 7]
分别在 Fe
1 引
言
Al2 O3 Fe 和 CoFe Al2O3 Co 组成隧 道结中 获得了 较 高的 TMR. 由于研究表明 , TMR 与两边 铁磁层的自 旋极化率有关 , 于是两边的铁磁性金属被换成自旋 极化率更高的钙钛矿结构的物质如 La0 67 Sr0 33MnO3 , 因为锰氧化物具有几乎完全自旋极化的传导电子, TMR 大大增加 , Lu 等人 发现在由 La0 67 Sr0 33 MnO3 SrTiO3 La 0 67 Sr0 33 MnO3 组成的隧道结中, 在只有几十 个高斯的饱和外磁场下 , 磁电阻率高达 83% . 同时 对其颗粒膜也进行了研究 . 另外 , 铁磁 超导隧道 [ 10] 结中的 TMR 也是研究的一个热点 . 1975 年 , Julliere
磁电阻效应实验报告
一、实验目的1. 理解磁电阻效应的基本原理和现象。
2. 掌握磁电阻效应实验的基本操作和数据处理方法。
3. 分析磁电阻效应在不同材料中的表现，了解其应用前景。
二、实验原理磁电阻效应是指当金属或半导体材料受到磁场作用时，其电阻值发生变化的现象。
根据磁电阻效应的原理，本实验主要分为以下三个部分：1. 磁阻效应：当磁场垂直于电流方向时，电阻值随磁场强度的增加而增加。
2. 巨磁电阻效应（GMR）：在多层膜结构中，由于电子的隧穿效应，当相邻两层膜的磁化方向相反时，电阻值显著降低。
3. 隧道磁电阻效应（TMR）：在隧道结中，当电子隧穿穿过绝缘层时，电阻值随磁场强度的变化而变化。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：磁电阻效应实验仪、磁场发生器、电流表、电压表、信号发生器、示波器、计算机等。
2. 实验材料：磁阻材料、多层膜材料、隧道结材料等。
四、实验步骤1. 磁阻效应实验：（1）将磁阻材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析磁阻效应。
2. 巨磁电阻效应（GMR）实验：（1）将多层膜材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析巨磁电阻效应。
3. 隧道磁电阻效应（TMR）实验：（1）将隧道结材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析隧道磁电阻效应。
五、实验数据与结果1. 磁阻效应实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 1500.3 2000.4 2500.5 3002. 巨磁电阻效应（GMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 53. 隧道磁电阻效应（TMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 5六、实验分析与讨论1. 磁阻效应实验结果表明，随着磁场强度的增加，磁阻材料的电阻值逐渐增加。
稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻
。 此外关于稀磁半导 ， 现讨论稀磁半导体
体超晶格的研究也已经开始
［12 ］
超晶格中隧道磁电阻随势垒的个数和势垒强度的 稀磁半导体中的自旋极化 变化。最近的实验表明，
［3 ， 13 —17 ］ ， 其自旋相干长度超过 100 μm 因此将 输运，
2012 年 9 月 4 日收到 作者简介： 马 mail： majun@ live． com。 军。E-
［21 ］
。 而在各种磁隧道结中，
由稀磁半导体组成的磁隧道结成了理论和实验研 。 近来 有 报 导 指 出 在 温 度 为 8K 时，GaMnAs / AlAs / GaMnAs 隧道结中观察到的隧道磁电阻超过 70%
［7 ］
。 所以 GaMnAs 的能带可以
用图 1 来表示， 包括了自旋劈裂的轻空穴能带和重 分别为多数自旋重空穴 （ HH + ） 载流子能 空穴能带， 带、 少数自旋重空穴 （ HH － ） 载流子能带、 多数自旋 轻空 穴 （ LH + ） 载 流 子 能 带 和 少 数 自 旋 轻 空 穴 （ LH － ） 载流子能带。 本文的计算中将把轻空穴和 重空穴都考虑在内。
［22 ， 23 ］
图 3 所示。最左边和最右边是半无限大的 GaMnAs 中间 AlAs 和 GaMnAs 交替排列， 其中 AlAs 的厚度 GaMnAs 的厚度为 a。 图 2 和图 3 分别是指稀 为 b， 磁半导体的平行排列 （ P ） 构型和反平行排列 （ AP ） 构型， 其中的虚线框分别表示 P 构型和 AP 构型时 的最小周期结构。在图 2 中以最小周期的中点位坐 x2 、 x3 和 x4 分别为： － （ a + b ） / 标原点则， 图中的 x1 、 2、 － a /2、 a / 2 和 （ a + b ） / 2 ； 类似的在图 3 中的 x1 、 x2 、 x3 、 x4 、 x5 和 x6 分别为： － （ a + b ） 、 － （ a / 2 + b） 、 － a /2、 a /2 、 （ a / 2 + b ） 和（ a + b ） ， 从图 2 和图 3 中可以 看出如果反平行构型中有 n 个周期， 则平行构型中 有 2 n 个周期。所讨论的超晶格结构中所有的稀磁 半导体 （ GaMnAs ） 都 可 以 用 图 1 的 能 带 结 构 来 描 述。在相干隧穿模型中， 稀磁半导体超晶格的尺寸 可以认为在输运过程中自旋 要比自旋反转长度小， 是守恒的， 并忽略轻空穴向重空穴转变的过程。 因 此可以认为四种载流子的输运过程是彼此独立的 ， 并且在输运过程中要满足能量守恒和横向的动量
隧道磁电阻效应的物理原理
隧道磁电阻效应的物理原理隧道磁电阻（TMR）效应是一种特殊的磁电阻效应，它在隧穿结构中的两个磁性电极之间测量电流时观察到。
隧道磁电阻现象的发现和物理机制的解释对信息存储和传输领域具有重要意义。
隧道磁电阻效应的物理原理可以通过平行磁化的自旋极化电流通过两个磁性电极之间的绝缘材料而实现。
当两个磁电极的磁化方向相同时，电流可以通过绝缘材料，而当两个磁电极的磁化方向相反时，电流是隧穿的。
这种自旋极化电流随磁化方向的改变而改变，导致隧道磁电阻的变化。
隧道磁电阻效应的物理机制涉及到自旋极化和量子力学隧穿的原理。
自旋极化是指在磁场中自旋向上和向下的态分别具有不同的自旋密度。
在隧穿过程中，电子经过绝缘层，其自旋会沿着磁化方向来决定穿越壁的概率。
自旋向上的电子能够减小自旋向下的散射态，因此在磁化方向相同的情况下，电子更容易穿过绝缘层。
而当磁化方向相反时，电子更容易被散射，穿越壁的概率减小，从而导致电流的减小。
此外，该效应的物理机制还涉及到量子力学的隧穿效应。
隧穿是指粒子在经典力学下无法达到的能量大于势垒的区域，但在量子力学描述下，存在一定的概率穿越势垒。
绝缘层实际上形成了一个能垒，电子需要具有足够的能量才能穿过。
但是，由于磁电极的自旋极化导致了势垒的高度发生变化，因此穿越概率也发生改变。
这种自旋诱导的调控使得电流通过绝缘层的变化变得可能。
综上所述，隧道磁电阻效应的物理原理可以归结为两个方面。
首先，自旋极化使得磁化方向相同的电流更容易通过隧穿结构，而磁化方向相反的电流更容易被散射。
其次，量子力学的隧穿效应使得自旋调控下的隧道磁电阻变得可能。
这种物理原理的理解对于设计和优化隧道磁电阻器件具有重要意义，同时也为开发相关的应用提供了基础。
隧道磁阻技术(TMR)及其应用简介
隧道磁阻技术（TMR）及其应用简介（浙江巨磁智能技术有限公司Magtron段康靖）一、概述1、磁阻概念：材料的电阻会因外加磁场而增加或减少，电阻的变化量称为磁阻（Magnetoresistance）。
物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。
同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、异向磁阻（AMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。
2、磁阻应用：磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。
磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。
3、穿隧磁阻效应（TMR）：穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。
TMR效应由于具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势，从而展示出十分诱人的应用前景。
此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。
二、穿隧磁阻效应（TMR）的物理简释从经典物理学观点看来，铁磁层（F1）+绝缘层（I）+铁磁层（F2）的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通，而量子力学却可以完美解释这一现象。
当两层铁磁层的磁化方向互相平行，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，此时器件为低阻状态；当两层的磁铁层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，此时隧穿电流较小，器件为高阻状态。
隧道磁阻技术
隧道磁阻技术哎呀，说起隧道磁阻技术，这玩意儿可真是个神奇的东西。
你知道吗，我最近在实验室里捣鼓这玩意儿，搞得我头都大了。
不过，别急，我慢慢跟你说，咱们就像俩哥们儿聊天一样，轻松愉快。
首先，得给你解释一下，啥叫隧道磁阻技术。
这名字听起来挺高大上的，其实吧，就是用在硬盘里的一个东西。
硬盘，你知道吧，就是电脑里存数据的那玩意儿。
现在的硬盘，速度越来越快，容量也越来越大，这都得归功于隧道磁阻技术。
记得那天，我在实验室里，手里拿着一块小小的芯片，这就是隧道磁阻传感器。
它看起来就像一片薄薄的金属片，但是可别小瞧它，这小东西里面可是藏着大学问。
我得小心翼翼地把它放在显微镜下，这样才能看清楚它的庐山真面目。
你瞧，这芯片上，有一层薄薄的绝缘层，然后是一层磁性材料，再上面又是一层绝缘层。
这三层东西，就像三明治一样夹在一起。
但是，这可不是普通的三明治，这可是高科技的三明治。
当电流通过这三层结构时，磁性材料会改变电流的流动，这就是隧道磁阻效应。
我跟你说，这玩意儿可神奇了。
它能够检测到非常微弱的磁场变化，这对于硬盘读取数据来说，简直就是神器。
你想啊，硬盘里的数据，其实就是一些磁信号，这些信号非常微弱，没有这隧道磁阻传感器，我们怎么可能读得出来呢？那天，我还在实验室里做了个实验。
我把传感器放在一个磁场旁边，然后慢慢移动磁场，观察传感器的反应。
你猜怎么着？那传感器就像个听话的孩子，磁场一动，它就有反应。
我看着那些数据，心里那个激动啊，就像发现了新大陆一样。
但是，这玩意儿也有它的脾气。
你得小心翼翼地伺候它，温度啊，湿度啊，都得控制好。
要不然，它就给你闹脾气，数据读不出来，那可就麻烦大了。
所以啊，这隧道磁阻技术，虽然听起来高大上，其实就像是我们生活中的一个小伙伴，有时候挺给力，有时候又得哄着它。
不过，正是因为有了它，我们的硬盘才能这么给力，我们的电脑才能这么快。
好了，说了这么多，你是不是对隧道磁阻技术有点感觉了？这玩意儿虽然小，但是作用可不小。
新型磁性隧道结材料及其隧穿磁电阻效应
（ 中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 ，北 京 １ ０ ０ ０ ０ ０ ）
摘 要 ：典型 的磁性 隧道结是“ 三 明治 ” 结构 ，即由上下两个铁磁 电极以及 中间厚度 为 １ ｎ ｍ量 级的绝缘 势垒层构 成。 当外 加
磁场使两铁磁 电极的磁矩 由平行 态向反平行态 翻转 时 ，隧穿 电阻会发 生低电阻态 向高 电阻态的转变。 自从 １ ９ ９ ５年发现 室温隧 穿磁 电阻 （ Ｔ ＭＲ） 以来 ，非 晶势 垒的 Ａ Ｉ Ｏ 磁性隧道结在 磁性随机存储器 （ ＭＲＡ Ｍ） 和磁硬盘磁读 头（ Ｒ ｅ ａ ｄ Ｈ ｅ ａ ｄ ）中得 到了广泛 的 应用 ，２ ０ ０ ７年室温 下其 磁电阻 比值可 达到 ８ ０ ％ 。下一代 高速 、低功耗 、高性能 的 自旋电子学器件 的发 展 ，迫切需要更高 的室 温Ｔ ＭＲ比值和新型的调制结 构。２ ０ ０ １年通过第 一性 原理计算发现 ：由于 Ｍｇ Ｏ（ ０ ０ １ ） 势垒对不 同对称性 的 自旋极化 电子具有 自 旋过滤 （ Ｓ ｐ ｉ ｎ Ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ ） 效应 ， 单 晶外 延的 Ｆ ｅ （ ０ ０ １ ） ／ Ｍｇ Ｏ（ ０ ０ １ ） ／ Ｆ ｅ （ ｏ ０ １ ） 磁 性隧道结的 Ｔ ＭＲ比值 可超过 １ ０ ０ ０ ％ ，随后 ２ ０ ０ ４年 在单 晶或 多晶的 Ｍｇ Ｏ磁性隧道结 中获得室温约 ２ ０ ０ ％的 Ｔ ＭＲ比值 ，２ ０ ０ ８年更是在赝 自旋 阀结构 ｃ ｏ Ｆ ｅ Ｂ ／ Ｍｇ ０ ／ ｃ ｏ Ｆ ｅ Ｂ磁性 隧道结 中 获得高达 ６ ０ ４ ％ 的室温 Ｔ ＭＲ比值。伴随着新 势垒材料的不断发 现和各 种磁性隧道结结构 的优化 ，共振 隧穿 和 自旋依 赖 的库仑 阻塞磁 电阻等新效 应以及磁性传感器 、磁性随机存储 器和 自旋纳米振荡 器及微波检 测器等 新器件 逐渐成为 科学和 工业界所关
一文带你了解隧道磁阻技术(TMR)
一文带你了解隧道磁阻技术（TMR）
一、概述
1、磁阻概念：材料的电阻会因外加磁场而增加或减少，电阻的变化量称为磁阻（Magnetoresistance）。
物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。
同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、异向磁阻（AMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。
2、磁阻应用：磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。
磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。
3、穿隧磁阻效应（TMR）：穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。
TMR效应由于具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势，从而展示出十分诱人的应用前景。
此效应更是磁性随机存取内存与硬盘中的磁性读写头的科学基础。
二、穿隧磁阻效应（TMR）的物理简释
从经典物理学观点看来，铁磁层（F1）+绝缘层（I）+铁磁层（F2）的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通，而量子力学却可以完美解释这一现象。
当两层铁磁层的磁化方向互相平行，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中。
TMR技术在电流传感器中的应用
隧道磁电阻(TMR)技术在电流传感器中的应用电流传感器是在电气绝缘的状态下，利用电流所产生的磁场来检测电流值的一种介于高、低电压之间图1：开环式电流传感器磁平衡式或磁补偿式电流传感器。
图2：闭环式电流传感器其中的关键器件，对传感器性能优劣起着至关重要的作用。
目前市场上的电流传感器主要是采用传统的霍尔器件，由于半导体材质自身原因，霍尔器件的温度漂移量较大，一致性差，尤其在低温区变化剧烈，难以进行统一校准。
动态失调消除技术的采用可部分改善霍尔器件的温度漂移，但在电路中叠加了高频噪声干扰，造成电流传感器的输出信号失真，影响整机性能。
隧道磁电阻(TMR)器件是继霍尔器件、各向异性磁度和温度特性。
图3：霍尔传感器和TMR传感器比较图4：各种磁传感器灵敏度比较第1 页第 2 页图5：TMR 线性传感器采用SSIP-4封装图6：TMR 闭环电流传感器实物图基于TMR 的优异性能，闭环电流传感器可显著改善其温度漂移量。
替代后，无需任何温度补偿，电流传感器在-40~85C 的温度范围内的温度漂移总量即可由原来的1～2%降至0.1～0.2%。
在使用温度宽泛的场所如变频器、伺服器、电动车辆等应用时，TMR 闭环电流传感器可确保在任何地区、任何季节的电流测量的精准度；特别是在风能、太阳能等新能源行业中，电流传感器的温度漂移可直接导致逆变器输出电能中的直流成分的增加，不仅造成能源浪费，直流成分还会消耗在变压器绕组中，造成变压器过热。
电流传感器温度漂移的改善，将会给能源行业带来直接的经济效益和必要的安全性。
江苏多维科技有限公司生产的TMR2501、TMR2503、TMR2505线性传感器采用SSIP-4封装，在垂直方向测量磁场，与通行的霍尔器件完全兼容。
对闭环电流传感器来说，电流传感器厂家只需改变一下磁传感器的偏置电阻值，无需更改PCB 设计和产品结构既可直接替代霍尔器件。
图7：多维科技的TMR 闭环电流传感器江苏多维科技有限公司生产的TMR2101、TMR2102、TMR2103、TMR2701、TMR2703、TMR2705、TMR2905和TMR2922为平面方向测量磁场，配合使用纵向气隙磁芯。
tmr隧道磁阻电流
tmr隧道磁阻电流一、隧道磁阻（TMR）技术简介隧道磁阻（Tunneling Magnetoresistance，简称TMR）技术是一种基于磁性材料研究的纳米技术。
它通过两个磁性层之间的隧道效应，实现对磁通量的控制和测量。
隧道磁阻技术在磁随机存储器、磁传感器、磁头读写器等领域具有广泛的应用前景。
二、隧道磁阻电流原理隧道磁阻电流原理是基于阿尔伯特·迈斯纳效应。
当两个磁性层之间的磁化方向平行时，电子在两者之间的隧道效应较强，电流较大；当磁化方向垂直时，隧道效应较弱，电流较小。
通过检测电流变化，可以判断磁化方向的变化，从而实现对磁场的测量。
三、隧道磁阻电流应用领域1.磁随机存储器：利用隧道磁阻效应实现对数据的高密度存储和快速读取。
2.磁传感器：检测磁场变化，应用于地磁测量、生物磁场检测等领域。
3.磁头读写器：利用隧道磁阻效应实现对磁盘数据的读取和写入。
4.磁电阻：应用于磁敏电阻、磁传感器等磁场检测设备。
四、我国在隧道磁阻技术的研究进展我国在隧道磁阻技术领域取得了世界领先的成果。
科研人员成功研发了具有自主知识产权的隧道磁阻磁头、磁传感器等产品，并已应用于实际生产。
此外，我国还在积极开展隧道磁阻技术在量子计算、磁随机存储器等领域的应用研究。
五、隧道磁阻电流的未来发展趋势1.提高磁阻效应：通过材料选择、结构优化等方法，提高隧道磁阻效应，降低功耗。
2.集成化发展：隧道磁阻技术与其他磁性材料、器件的集成，实现小型化、低功耗的磁传感器等设备。
3.跨学科研究：隧道磁阻技术与其他学科的交叉研究，如生物学、量子计算等，开拓新的应用领域。
综上所述，隧道磁阻电流作为一种具有广泛应用前景的技术，在我国得到了广泛关注和研究。
隧道磁电阻
简化： 位垒 与坐标无关，T exp 2 h 2mV0 E X 2 X 1
（1）强入射、弱势垒 入射能量 E接近 V0、 绝缘层很窄 (X2-X1)→ 0。 那么，I → 0；T→1。 电子的穿透。 （2）弱入射、强势垒 反之。 那么，I → 很大；T→很小。电子受阻。
（注意：数值大小是 D d d D
）
Julliere公式（2）
比较“不同自旋态”隧穿电流的大小 ?
问： I >
I ？
这就是TMR效应
证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2倍） 假设 就有 当然
D D d d D d D d 2 D d
Julliere公式（5）
“保守的”Julliere的公式
TMR I I I
TMR 2P 1 P 1P 2 1P 2
例子，如果，以Fe和Co 作为电极，
p1 Fe 0.44, P2 Co 0.34
那么 TMR比率＝0。26
STM
将“M－I－M”结中绝缘体 (I） 换成“真空”，得STM。 将Julliere“FM－I－FM”结中绝缘体（I） 换成“真空”，得自旋极化的STM。
D D d d 2 D d 0
D d 2 0
不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的） 定义
TMR I I
I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2
隧穿磁阻效应的原理
隧穿磁阻效应的原理隧穿磁阻效应（TMR）是一种基于量子力学的现象，用于在纳米尺度上测量和控制磁场。
它是一种利用隧道效应的磁电阻效应，可以实现高灵敏度和低能耗的磁传感器。
本文将介绍隧穿磁阻效应的原理及其在磁传感器中的应用。
隧穿磁阻效应是指当电流通过两个磁性层之间的绝缘层时，由于自旋极化，电子的隧道自旋极化会导致电阻的变化。
这种自旋极化的隧穿效应被称为隧穿磁阻效应。
在隧穿磁阻效应中，两个磁性层的自旋方向可以平行或反平行，从而导致电阻的变化。
当两个磁性层的自旋方向平行时，电阻较低，而当自旋方向反平行时，电阻较高。
这种磁场依赖性的电阻变化可用来测量和控制磁场。
隧穿磁阻效应的原理是基于自旋极化和隧道效应的相互作用。
自旋极化是指电子的自旋方向与运动方向的关系。
在磁性材料中，自旋方向会受到磁场的影响而发生改变。
当电流通过两个磁性层之间的绝缘层时，自旋极化会导致电子在绝缘层中隧道传输。
根据隧道效应的原理，电子可以通过绝缘层中的势垒，从而实现电流的传输。
然而，当自旋方向平行时，电子的传输更容易，而当自旋方向反平行时，电子的传输更困难。
因此，隧穿磁阻效应会导致电阻的变化。
隧穿磁阻效应在磁传感器中有广泛的应用。
磁传感器是一种用于测量磁场大小和方向的装置。
传统的磁传感器通常使用霍尔效应或电感效应来测量磁场。
然而，这些方法存在一些限制，如灵敏度不高、能耗较大等。
相比之下，隧穿磁阻效应磁传感器具有更高的灵敏度和更低的能耗。
隧穿磁阻效应磁传感器通常由两个磁性层、一个绝缘层和一个导电层组成。
当磁场作用于磁性层时，磁性层的自旋方向会发生改变，从而导致电阻的变化。
通过测量电阻的变化，可以确定磁场的大小和方向。
隧穿磁阻效应磁传感器具有高灵敏度和低能耗的特点，可以应用于许多领域，如磁存储器、磁头、磁卡和磁传感器等。
隧穿磁阻效应是一种基于量子力学的磁电阻效应，可以用于测量和控制磁场。
它是利用自旋极化和隧道效应相互作用的原理实现的。
隧穿磁阻效应磁传感器具有高灵敏度和低能耗的特点，可以应用于各个领域。
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简化： 位垒 与坐标无关，T exp 2 h 2mV0 E X 2 X 1
（1）强入射、弱势垒 入射能量 E接近 V0、 绝缘层很窄 (X2-X1)→ 0。 那么，I → 0；T→1。 电子的穿透。 （2）弱入射、强势垒 反之。 那么，I → 很大；T→很小。电子受阻。
Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)结晶隧道结
界面的结构
大的原子为Fe 黑的原子为氧 小的为Mg
物理
(受限于空间的对称性、 能量、动量、自旋守恒) • 铁的费米面 多子 能带的对称性与 1 MgO 能隙（100）方向 的复能带相符
1
其他在费米能级的能带 对称性低于 能带 1
• 少子能带高于费米能级
1
将导致下列实验现象
• 两边电极自旋“平行”时， 电子从多子带Fermi面到另一个多子带Fermi面， （在对称性为 1的能带中） 电子流“很通畅”， 即D>> • 两边电极自旋“反平行”时， 电子从多子带Fermi面到另一个少子带Fermi面， （因能量、对称性不合） 电子流“极不通畅”，即d<< • 结果是 D>>>>d。 类似半（自旋）金属
隧穿电流 Simmons 公式！（1963）
应该计入 Fermi－Dirac 统计
Ef 2 2 3 N 1 4m h T Vr 2m dEx f 0 E r E x dEr 0 0 Ef 2 2 3 N 2 4m h T Vr 2m dEx f 0 E r E x eV dEr 0 0
隧穿磁电阻 (TMR) 效应
“FM－I－ FM” 结 发现
M Julliere （1975）； 再发现 T Miyazaki （1995） Moodera （1995）
GMR
TMR
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
TMR
物理
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示） 第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极
p2 D2 D2 D2 D2
简单代数运算，就得到 Julliere的公式，
TMR 2P 1 P 1P 2 1P 2
D D d d 2 D d 0
D d 2 0
不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的） 定义
TMR I I
Hale Waihona Puke I 分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
）
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2
非晶体隧道结？
• 在结晶MgO结中， Z－方向复数动量的虚部 在 点达到极小。 接近动量守恒。 • 在非晶体Al2O3结， 在Z－方向动量不守恒， 从而衰减严重。
谢谢！
结晶MgO隧道结 2001年Butler、张晓光等理论预言： 在完全结晶的磁隧道结 Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)中， 磁电阻比率 可以达到1000％。
(注：按另一种定义磁电阻比率为91％) （PhysRev B63，054416（2001））
Parkin等人报道实验值达到200％。
隧道磁电阻（TMR）效应
1 隧穿现象和 隧道磁电阻（TMR）效应
Julliere公式 结晶MgO隧道结(新)
2 3
隧穿现象
“M－I－M” 振荡波和衰减波 电子的穿透率
T J tran J in Vt t
2
Vi i
2
用 WBK 方法计算波函数
计算穿透率 T 结果：
自由电子平面波情况
x2 T exp 2 h 2mV E dx exp 2 I x1
（注意：数值大小是 D d d D
）
Julliere公式（2）
比较“不同自旋态”隧穿电流的大小 ?
问： I >
I ？
这就是TMR效应
证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2倍） 假设 就有 当然
D D d d D d D d 2 D d
（Nature Materials 3, 862(2004) 。
• TaN(10)/IrMn(250)/Co84Fe16(8)/30Co70Fe30(3)/MgO(3 .1)/Co84Fe16(15)/TaN(12.5)。单位为纳米。
日本 Shinji Yuasa 等人报道类似结果。
（Nature Materials 3, 868(2004) • MgO绝缘层断面的高分辨电子显微镜相片。 • 具有清晰的（001）MgO层结晶取向。
Julliere公式（5）
“保守的”Julliere的公式
TMR I I I
TMR 2P 1 P 1P 2 1P 2
例子，如果，以Fe和Co 作为电极，
p1 Fe 0.44, P2 Co 0.34
那么 TMR比率＝0。26
STM
将“M－I－M”结中绝缘体 (I） 换成“真空”，得STM。 将Julliere“FM－I－FM”结中绝缘体（I） 换成“真空”，得自旋极化的STM。
(1) → (2) 电子
(2) → (1) 电子
隧穿电流
J e N1 N 2
重要物理结论： 隧穿电流 ≈ 指数衰减部分×状态函数部分
其中，指数部分＝ F（势垒宽、高度，...） 状态部分＝ F（两个电极的性质,...）
几种隧穿现象的差别
不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (物理含义!) 名称 1 隧道效应 2 隧道磁电阻效应 3 扫描隧道显微镜STM 4 自旋极化STM 5 ......... 势垒 绝缘体 绝缘体 真 空 真 空 电极 简单金属－I －简单金属 铁磁金属－I －铁磁金属 简单金属－V－待测样品 铁磁金属－V－待测样品