GMR效應

　　一、GMR效應的簡介

　　2007年諾貝爾物理學獎分別授予來自德國于利希亥姆霍茲研究中心的彼得·格林貝格爾(Peter Gruenberg)和來自法國巴黎第十一大學的阿爾貝·費爾(Albert Fert)教授。這兩位獲獎者在上世紀80年代獨立進行巨磁阻（GMR）研究，因相繼發(fā)現巨磁阻效應而雙雙榮獲本年度諾貝爾物理學獎。外部磁場通過巨磁阻效應可使磁性材料薄層的電阻發(fā)生巨大變化。GMR效應的發(fā)現為結構緊湊的計算機硬盤的全新讀取磁頭的開發(fā)鋪平了道路，可將個人計算機、便攜式音樂播放器（MP3播放器）和攝像機的硬盤存儲容量提高至數吉字節(jié)。

　　GMR效應是由幾納米厚的多層金屬膜的磁場產生的電阻變化導致的。簡單來說，該金屬膜由具備固定的穩(wěn)定磁化方向（參考方向）的參考層和磁化方向由外部磁場決定（如指南針）的傳感層構成。傳感層和參考層通過僅為幾個原子厚的銅層隔開，從而產生GMR效應。施加的磁場和傳感器參考層之間的角度決定了金屬膜的電阻變化。

　　二、GMR效應的發(fā)展狀況

　　巨磁電阻效應自發(fā)現以來即引起各國企業(yè)界及學術界的高度重視，GMR效應已成為當前凝聚態(tài)物理5個熱點之一。1994年，美國的NVE公司首先實現巨磁電阻（GMR）效應的產業(yè)化，并銷售巨磁電阻磁場傳感器。1998年，美國的IBM公司成功地把GMR效應應用在計算機硬盤驅動器上，研制出巨磁電阻（GMR）磁頭。巨磁電阻（GMR）磁頭的應用帶動了計算機產業(yè)的迅速發(fā)展，打破了信息高速公路圖像傳遞存儲的瓶頸，目前存儲密度已高達56GB/平方英寸。世界GMR磁頭的市場總額每年400億美元。更令人可喜的是，2001年美國的摩托羅拉公司宣布成功研制出GMR磁隨機讀取存儲器，這種存儲器將預示1000億美元的市場容量。隨著人們對GMR效應深入的研究和開發(fā)利用，一門以研究電子自旋作用為主同時開發(fā)相關特殊用途器件的新學科—自旋子學逐漸興起起來。最近，美國自然科學基金會（NSF）提出：自旋子學科的發(fā)展及應用將預示著第四次工業(yè)革命的到來。通過香山科學會議，我國制定了GMR高技術研究開發(fā)計劃，并把GMR效應的研究及應用開發(fā)列為我國將要重點發(fā)展的七個領域之一。但是由于技術、資金及設備等諸多因素，GMR的研究在國內還局限于實驗室的水平。

GMR磁場傳感器的優(yōu)勢所在

　　GMR磁場傳感器和光電等傳感器相比，具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點。這些都是現有傳統(tǒng)傳感器所不能相比的。另一方面，在制造成本上，GMR磁場傳感器并不高于其它普通傳感器，甚至大大低于某些傳感器。

GMR磁場傳感器的工作原理

　　磁電阻（GMR）效應是1988年發(fā)現的一種磁致電阻效應，由于相對于傳統(tǒng)的磁電阻效應大一個數量級以上，因此名為巨磁電阻(Giant Magnetoresistanc)，簡稱GMR。　　1. 巨磁電阻（GMR）原理，見圖一。

　　巨磁電阻（GMR）效應來自于載流電子的不同自旋狀態(tài)與磁場的作用不同，因而導致的電阻值的變化。這種效應只有在納米尺度的薄膜結構中才能觀測出來。賦以特殊的結構設計這種效應還可以調整以適應各種不同的性能需要。

　　反鐵磁耦合時（外加磁場為0）處于高阻態(tài)的導電輸出特性，電阻：R1/2

　　外加磁場使該磁性多層薄膜處于飽和狀態(tài)時（相鄰磁性層磁矩平行分布），而電阻處于低阻態(tài)的導電輸出特性，電阻：R2*R3/（R2+R3），R2>R1>R3

　　圖1、利用兩流模型來解釋GMR的機制

　　2. 巨磁電阻（GMR）傳感器原理，見圖二。

　　巨磁電阻（GMR）傳感器將四個巨磁電阻（GMR）構成惠斯登電橋結構，該結構可以減少外界環(huán)境對傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度。工作時圖中“電流輸入端”接5V~20V的穩(wěn)壓電壓，“輸出端”在外磁場作用下即輸出電壓信號。

　　圖2（1）：惠斯凳電橋在磁場傳感器應用中的原理

　　圖2（2）：惠斯凳電橋中R1和R2在外加磁場作用下的變化情況

　　3. 巨磁電阻（GMR）傳感器性能，見圖三，表一。

　　圖三所示為巨磁電阻（GMR）傳感器在外場中的性能曲線，表明該傳感器在±200Oe的磁場范圍類有較好的線性。

　　圖3：巨磁電阻（GMR）在外加磁場下的性能曲線

　　表一 各公司巨磁電阻（GMR）傳感器性能對照

　　4.產品使用說明

　　a . 巨磁電阻（GMR）傳感器作為一種有源器件，其工作必須提供5~20V的直流電源。而且該電源的穩(wěn)定性直接影響傳感器的測試精度，因此要求以穩(wěn)壓電源提供；使用中也應避免過電壓供電；

　　b .巨磁電阻（GMR）傳感器作為一種高精度的磁敏傳感器，對使用磁環(huán)境也有一定的要求，其型號選用應根據使用環(huán)境的磁場大小來決定；

　　c. 巨磁電阻（GMR）傳感器對磁場的靈敏度與方向有關。其外形結構上標注的敏感軸為傳感器對磁場最為靈敏的方向，

　　參見圖四。當不平行時，靈敏度降低，其關系為

　　Sθ=S0COSθ

　　其中Sθ為磁場方向與傳感器敏感軸間的夾角為θ時的靈敏度，S0為磁場方向與傳感器敏感軸平行時的靈敏度。

　　圖4 巨磁電阻（GMR）傳感器外形結構及接線圖

　　d. 對于輸出特性相對于外磁場為偶函數時，則將傳感器作為測量使用時需要外加偏置磁場。理想情況偏置磁場的大小為傳感器保持線性范圍磁場的1/2。

GMR磁場傳感器的應用分析

　　1、GMR磁場傳感器可用來導航及用于高速公路的車輛監(jiān)控系統(tǒng)　　地球是一個大磁鐵，地球表面的磁場大約為0.5Oe，地磁場平行地球表面并始終指向北方。利用GMR薄膜可做成用來探測地磁場的高級羅盤。當可以同時探測平面內磁場X和Y方向分量的GMR磁場傳感器固定在交通工具上，瞬間航向與地球北極的夾角可通過GMR傳感器的X和Y方向的電壓相對改變而確定下來。圖3顯示這種傳感器的具體工作原理。GMR磁場傳感器隨輪船的方向改變而改變其和地磁場的夾角，相對來說，也可以等效為地磁場的方向在改變。我們已研制出能夠探測磁場X和Y方向分量的集成GMR傳感器。此傳感器可作為羅盤并應用在各種交通工具上作為導航裝置。美國的NVE公司已經把GMR傳感器用在車輛的交通控制系統(tǒng)。我們知道，各種不同的車輛（物體）在外界都有其自身特征的磁場分布。通過用GMR弱場傳感器可探測各種車輛的磁場分布進而確定該車輛的型號。利用GMR傳感器不僅可探測靜止車輛的狀況進而用在交通燈處的交通控制和停車場處停車位置的監(jiān)控，而且也可探測移動車輛的情況。具體來說，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計算和區(qū)別通過傳感器的車輛。如果同時分開放置兩個GMR傳感器，還可以探測出通過車輛的速度和車輛的長度，當然GMR也可用在公路的收費亭，從而實現收費的自動控制。另外高靈敏度和低磁場的傳感器可以用在航空、航天及衛(wèi)星通信技術上。大家知道，在軍事工業(yè)中隨著吸波技術的發(fā)展，軍事物件可以通過覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無論如何都會產生磁場，因此通過GMR磁場傳感器可以把隱蔽的物體找出來。當然，GMR磁場傳感器可以應用在衛(wèi)星上，用來探測地球表面上的物體和底下的礦藏分布。

　　磁場傳感器的導航原理

　　2、GMR磁場傳感器可來探測DC、AC電流及用作隔離器和電子線路中的反饋系統(tǒng)（開關電源）

　　眾所周知，通電導線周圍將產生磁場，其磁場的強弱與通電電流的大小成正比。若將GMR磁場傳感器及環(huán)形軟磁集磁通器放置在通電導線附近，則由GMR傳感器的輸出電壓可以測量導線中通過的電流。我們已利用反鐵磁耦合的FeNi/FeCo/Cu的多層膜和集成的永磁薄膜作為偏場，并研制出線性測量范圍正負200Oe的惠斯通電橋傳感器。利用這種傳感器可探測電流高達10,000安培的直流和交流。目前有三種辦法可用來探測電流：電阻短路的辦法，其缺點在于引入一電壓降和這種方法不能提供上下級的隔離。電流轉換器則基于安培定理，但是其僅僅用來探測直流。GMR磁場傳感器不僅可用來探測直流和交流而且還可保證上下級隔離。隨著半導體集成技術的發(fā)展，目前已把GMR薄膜傳感器和集成線路板結合在一起，從而實現了小型化、集成化，提高了靈敏度和降低了成本。另外電流探測原理，目前已經用作隔離器、開關電源和無刷直流電機系統(tǒng)。隔離器主要是把高電壓及高電流情況下的初級信號通過電壓/頻率轉換并傳給下一級，在下一級再通過頻率/電壓轉換成為電壓或電流信號，因此上下級而不相互干擾。這種探測電流大小的隔離器已被葡萄牙的一家公司所采用。至于開關電源，我們利用兩次沉積自旋閥多層膜的辦法，已研制出可探測微安級的交直流及探測磁場范圍在正負20Oe的GMR磁場傳感器。并且與西班牙的一所大學合作，成功地把這種傳感器用在開關電源線路中作為反饋系統(tǒng)，可改善其頻率輸出特性高達1MHz。至于在無刷直流電機的應用：大家知道，有刷直流電機是用接觸碳刷或金屬片做整流子供電，使轉子旋轉。這種接觸式整流子因摩擦給電機帶來非常不好的影響，比如使用壽命短、噪音大、有火花、產生干擾電磁波等。如果用GMR傳感器代替電機的摩擦整流子，那么就可以避免因電刷摩擦而帶來的影響，而且還可以實現電機高速旋轉及其調速和穩(wěn)速的目的。因此，它的穩(wěn)定性和可靠性都非常高。另外，這種無刷電機轉矩-重量比較大，速度轉矩特性的線性度比較好。圖.給出了測量電流的原理圖。

　　3、GMR傳感器可用來測量微小的位移及其相關的應用

　　磁場傳感器來探測被測物體的位移的原理是通過利用一永磁鐵作為參照物，參照物相對于磁傳感器的運動可等效為磁敏器件在均勻梯度的磁場中的移動，因此磁場傳感器的輸出則反映著磁場傳感器或永磁鐵的位移量。下圖給出一圓柱磁鋼及其周圍的磁場分布。我們已研制出一種能同時探測X—Y方向位移的磁場傳感器。由于采用集成技術，可使該磁場傳感器小型化，同時提高了精度。這種傳感器已成功運用在機器人及機械手的控制系統(tǒng)，并使其智能化和拿取、放置物體。另外也使機器人具有識別物體的功能。這種位移傳感器也可用在電梯及相應的升降系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)。此外，可以用GMR位移傳感器改造某些傳統(tǒng)的工業(yè)儀表，擴大其應用范圍。例如，浮子流量計是一種得到廣泛應用的非電量儀表，如果改用磁性浮子和外配一個GMR磁位移傳感器，就能制成一個有電壓輸出的數字型位移傳感器。在汽車發(fā)動機中，為了實現電子點火，往往需要精密堅固的位移傳感器來測量發(fā)動機主軸的準確轉角，決定點火時間。以前多用霍爾元件，現在完全可以用GMR替代，從而提高工作溫度范圍和降低磁場觸發(fā)磁場的強度。GMR位移傳感器也可用在精密機床上來提高機械加工的精度。活塞在氣缸中的運動情況也可以通過GMR位移傳感器給探測出來。

　　4、GMR角度位移及角速度傳感器和相關應用

　　為了測量一物體的轉動角度的大小，往往可以通過探測磁鋼因轉動而造成其磁場的方向相對于固定的GMR磁場傳感器的改變，我們研制出的可探測平面內磁場方向和大小的GMR磁場傳感器可以探測相對其轉動的磁鋼的轉動角度。當一塊磁鐵固定在轉動輪子的邊沿而GMR磁場傳感器固定在輪子的旁邊并保持一定的距離時，參考磁鐵隨輪子而轉動，每當輪子轉動一圈，就會使產生一電壓脈沖輸出。下圖給出角速度傳感器的原理圖。我們利用集成技術已研制出專用來測量角速度即轉速的數字式自旋閥GMR磁傳感器。該磁敏傳感器可探測各種情況下的角速度。該類GMR磁場傳感器可用在各種遠程抄表系統(tǒng)，在這里包括了煤氣、水、電表的數字式的處理。隨著自動化水平的提高，對于數字式的各種儀表的需求量越來越大。我們已與遼寧萬恒科技有限公司建立了聯(lián)系。該公司需要大量數字式GMR磁傳感器應用在遠程抄表系統(tǒng)。在汽車（摩托）工業(yè)中，GMR磁場傳感器可用在剎車系統(tǒng)（ABS），通過探測角速度進而起到制動作用。不久我國將加入世貿組織（WTO），因此汽車（摩托車）的防爆剎車系統(tǒng)的研制和利用的確是勢在必行。至于電機馬達行業(yè)，為了得到穩(wěn)定轉速的工作狀態(tài)，轉速的測量和控制需要用GMR傳感器來測量角速度并通過反饋系統(tǒng)可得到穩(wěn)定的角速度輸出。同時，GMR角速度傳感器也可用在洗衣機行業(yè)。隨著機算機的存儲密度的提高，對伺服系統(tǒng)的要求也在提高，對于磁盤轉速的控制的精度也在提高，因此磁場角速度傳感器將會應用在該領域。另外，利用GMR薄膜材料可研制出各種用途的磁性編碼器。磁性編碼器的優(yōu)點在于不易受塵埃、結露、影響、對潮濕氣體和污染不敏感，同時其結構簡單緊湊，可高速運轉，而且其響應速度快（納秒級），體積比光學式編碼器小，而成本更低，且易將多個元件精確地集成，比用光學元件和半導體霍爾磁敏元件更容易構成新功能器件和多功能器件。由于磁性編碼器具有上述諸多優(yōu)點，因而近年來在高精度測量控制領域中的應用不斷增加，其市場需求量每年以20-30%的速度增長。在高速度、高精度、小型化、集成化及長壽命的要求下，在激烈的市場競爭中，磁性編碼器以其突出特點而獨具優(yōu)勢，成為發(fā)展高技術的關鍵。

　　5、GMR醫(yī)用及生物磁場傳感器

　　人體之中存在著各種形式的機械運動，它們是機體完成必要的生理功能的前提和保證，因此檢測這些生物機械運動，無論對基礎醫(yī)學還是對臨床醫(yī)學來講，都具有十分重要的意義。以前，由于必須利用體積大和功率高、價格貴的超導量子磁強計而局限在方面醫(yī)學的發(fā)展。高靈敏度及集成化的GMR磁敏傳感器的出現為這些機械運動和病變部位的非接觸式的探測提供了方便，并推動其發(fā)展。下面介紹幾種特殊在此方面的應用。磁性生物傳感器的原理如下圖所示：首先各種各樣的細胞、蛋白質、抗體、病原體、病毒、DNA可以用納米級的磁性小顆粒來標記，也就是首先是這些被探測的對象磁性化，進而在用高靈敏度的GMR磁場傳感器來探測它們的具體位置。這種也可用于醫(yī)學及臨床分析、DNA分析、環(huán)境污染監(jiān)測等領域。高靈敏度的GMR傳感器也可用在用來腦電圖、心機圖等的高精度的儀器設備上，來診斷類似于腦腫瘤病變的問題。利用GMR磁場傳感器可以檢測眼球運動、眼瞼運動的方法，這有助于定量評價和研究困倦、視力疲勞現象，和診斷某些眼科疾病。

　　6、GMR磁敏傳感器在磁性介質的探測和在磁性油墨鑒偽點鈔機中的應用

　　磁場傳感器可以探測不同的磁性介質。在這種應用中，磁性介質攜帶著要被探測的信息。磁性介質是有非磁性的基體和磁性材料組成，磁性材料放置在基體內或基體的表面。當攜帶著信息的磁性介質掃過GMR磁場傳感器時，則特有的信息被探測出來。傳感器的輸出依賴于磁性介質的性能、工作縫隙的距離和傳感器的靈敏度。目前主要用在磁性墨跡的識別、磁性編碼的讀出、細小磁性微粒的探測、介質磁性簽字的鑒別。

　　7、GMR磁敏加速度傳感器

　　加速度傳感器是通過測量被加速運動物體的慣性力來確定加速度的測量裝置。根據牛頓定律，被加速物體有一種慣性力，其大小等于它的質量和加速度的乘積，而其方向與加速度方向相反。由于這種慣性力的存在，使被加速系統(tǒng)中懸掛的彈性片發(fā)生彎曲，其彎曲量可由GMR磁敏器件進行測量，從而得到系統(tǒng)的加速度。

GMR磁場傳感器的發(fā)展狀況

　　GMR磁場傳感器由于其靈敏度高、熱穩(wěn)定性好、探測磁場范圍寬而完全可取代霍爾及磁阻（AMR）元件，進而廣泛應用在信息、電機、電子電力、能源管理、汽車、磁信息讀寫及工業(yè)自動控制等領域。　　磁場傳感器通過探測交直流磁場，交直流電流，位移及角速度等物理量而運用于信息、自動化控制及電力電子等行業(yè)。信息產業(yè)部“十五”規(guī)劃和二00五年遠景目標明確指出：“加入世貿（WTO）后，對于我國基本上還是‘外殼產業(yè)’的信息產品制造業(yè)來說，將面臨嚴峻的考驗和挑戰(zhàn)”。如何擁有自主知識產權，掌握核心技術是每個企業(yè)急需解決的問題。

來源：捷配電子