巨磁（GMR)的原理和應(yīng)用
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前言
“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，總是促進(jìn)人類文明一次次飛速的進(jìn)步。人類進(jìn)入20年代末的時(shí)候，一門新的學(xué)科――磁電子學(xué)又產(chǎn)生于科學(xué)技術(shù)的全面發(fā)展中。它吸取最新科技發(fā)展的精華，融合磁學(xué)與微電子學(xué)之所長(zhǎng)，發(fā)展其所不及，給人類技術(shù)文明發(fā)展又揭開(kāi)了一頁(yè)新的篇章。
一、巨磁電阻效應(yīng)簡(jiǎn)介
磁電子學(xué)是一門以研究介觀尺度范圍內(nèi)自旋極化電子的輸運(yùn)特性以及基于它的這些獨(dú)特性質(zhì)而設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的在新的機(jī)理下工作的電子器件為主要內(nèi)容的一門交叉學(xué)科。它研究的對(duì)象包括載流電子的自旋極化、自旋相關(guān)散射、自旋弛豫以及與此相關(guān)的性質(zhì)及其應(yīng)用等。
電子既是電荷的負(fù)載體，同時(shí)又是自旋的負(fù)載體。以研究、控制和應(yīng)用半導(dǎo)體中數(shù)目不等的電子和空穴（即多數(shù)載流子和少數(shù)載流子）的輸運(yùn)特性為主要內(nèi)容的微電子學(xué)是二十世紀(jì)人類最偉大的創(chuàng)造之一。但在這里自旋狀態(tài)是不與考慮的，電子的輸運(yùn)過(guò)程僅利用它的荷電性由電場(chǎng)來(lái)控制。是否可以利用電子的自旋來(lái)操縱它的輸運(yùn)過(guò)程呢？這正是磁電子學(xué)所要研究的主要內(nèi)容。
對(duì)巨磁電阻效應(yīng)的研究就是磁電子學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容。磁場(chǎng)作用于磁性多層膜中導(dǎo)電電子的自旋，導(dǎo)致膜電阻發(fā)生很大的變化。這種變化可以通過(guò)測(cè)量電阻或以電壓方式反映出來(lái)。根據(jù)這種特點(diǎn)可以在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。
二、巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用
科技服務(wù)于人類。科學(xué)技術(shù)只有同應(yīng)用相結(jié)合才能發(fā)揮其“第一生產(chǎn)力”的作用并同時(shí)擁有強(qiáng)大的生命力。磁電子學(xué)的產(chǎn)生是巨大應(yīng)用前景促進(jìn)的結(jié)果，同時(shí)從其產(chǎn)生之初即為應(yīng)用服務(wù)。到目前磁電子學(xué)的研究仍在世界范圍轟轟烈烈地進(jìn)行，它的應(yīng)用已發(fā)展到計(jì)算機(jī)磁頭、巨磁電阻傳感器、磁隨機(jī)存貯器等許多領(lǐng)域，隨著對(duì)CMR、TMR原理的進(jìn)一步研究和認(rèn)識(shí)，必將開(kāi)拓更為廣闊的應(yīng)用前景。鑒于磁電子學(xué)技術(shù)的新穎性和復(fù)雜性，對(duì)于磁電子學(xué)的研究仍在持續(xù)不斷地進(jìn)行，其應(yīng)用現(xiàn)在還僅限于巨磁電阻（GMR）范圍，以下對(duì)此作較為詳盡的介紹。其新的應(yīng)用日新月異，還望大家拭目以待。
1．巨磁電阻（GMR）傳感器的應(yīng)用
1）GMR磁場(chǎng)傳感器可用來(lái)導(dǎo)航及用于高速公路的車輛監(jiān)控系統(tǒng)
地球是一個(gè)大磁鐵，地球表面的磁場(chǎng)大約為0.5Oe，地磁場(chǎng)平行地球表面并始終指向北方。利用GMR薄膜可做成用來(lái)探測(cè)地磁場(chǎng)的高級(jí)羅盤。當(dāng)可以同時(shí)探測(cè)平面內(nèi)磁場(chǎng)X和Y方向分量的GMR磁場(chǎng)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(guò)GMR傳感器的X和Y方向的電壓相對(duì)改變而確定下來(lái)。圖3顯示這種傳感器的具體工作原理。GMR磁場(chǎng)傳感器隨輪船的方向改變而改變其和地磁場(chǎng)的夾角，相對(duì)來(lái)說(shuō)，也可以等效為地磁場(chǎng)的方向在改變。我們已研制出能夠探測(cè)磁場(chǎng)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(yīng)用在各種交通工具上作為導(dǎo)航裝置。美國(guó)的NVE公司已經(jīng)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(chǎng)分布。通過(guò)用GMR弱場(chǎng)傳感器可探測(cè)各種車輛的磁場(chǎng)分布進(jìn)而確定該車輛的型號(hào)。利用GMR傳感器不僅可探測(cè)靜止車輛的狀況進(jìn)而用在交通燈處的交通控制和停車場(chǎng)處停車位置的監(jiān)控，而且也可探測(cè)移動(dòng)車輛的情況。具體來(lái)說(shuō)，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計(jì)算和區(qū)別通過(guò)傳感器的車輛。如果同時(shí)分開(kāi)放置兩個(gè)GMR傳感器，還可以探測(cè)出通過(guò)車輛的速度和車輛的長(zhǎng)度，當(dāng)然GMR也可用在公路的收費(fèi)亭，從而實(shí)現(xiàn)收費(fèi)的自動(dòng)控制。另外高靈敏度和低磁場(chǎng)的傳感器可以用在航空、航天及衛(wèi)星通信技術(shù)上。大家知道，在軍事工業(yè)中隨著吸波技術(shù)的發(fā)展，軍事物件可以通過(guò)覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無(wú)論如何都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此通過(guò)GMR磁場(chǎng)傳感器可以把隱蔽的物體找出來(lái)。當(dāng)然，GMR磁場(chǎng)傳感器可以應(yīng)用在衛(wèi)星上，用來(lái)探測(cè)地球表面上的物體和底下的礦藏分布。
2）GMR磁場(chǎng)傳感器可來(lái)探測(cè)DC、AC電流及用作隔離器和電子線路中的反饋系統(tǒng)（開(kāi)關(guān)電源）
眾所周知，通電導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與通電電流的大小成正比。若將GMR磁場(chǎng)傳感器及環(huán)形軟磁集磁通器放置在通電導(dǎo)線附近，則由GMR傳感器的輸出電壓可以測(cè)量導(dǎo)線中通過(guò)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(chǎng)，并研制出線性測(cè)量范圍正負(fù)200Oe的惠斯通電橋傳感器。利用這種傳感器可探測(cè)電流高達(dá)10,000安培的直流和交流。目前有三種辦法可用來(lái)探測(cè)電流：電阻短路的辦法，其缺點(diǎn)在于引入一電壓降和這種方法不能提供上下級(jí)的隔離。電流轉(zhuǎn)換器則基于安培定理，但是其僅僅用來(lái)探測(cè)直流。GMR磁場(chǎng)傳感器不僅可用來(lái)探測(cè)直流和交流而且還可保證上下級(jí)隔離。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，目前已把GMR薄膜傳感器和集成線路板結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)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(cè)原理，目前已經(jīng)用作隔離器、開(kāi)關(guān)電源和無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)。隔離器主要是把高電壓及高電流情況下的初級(jí)信號(hào)通過(guò)電壓/頻率轉(zhuǎn)換并傳給下一級(jí)，在下一級(jí)再通過(guò)頻率/電壓轉(zhuǎn)換成為電壓或電流信號(hào)，因此上下級(jí)而不相互干擾。這種探測(cè)電流大小的隔離器已被葡萄牙的一家公司所采用。至于開(kāi)關(guān)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(cè)微安級(jí)的交直流及探測(cè)磁場(chǎng)范圍在正負(fù)20Oe的GMR磁場(chǎng)傳感器。并且與西班牙的一所大學(xué)合作，成功地把這種傳感器用在開(kāi)關(guān)電源線路中作為反饋系統(tǒng)，可改善其頻率輸出特性高達(dá)1MHz。至于在無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用：大家知道，有刷直流電機(jī)是用接觸碳刷或金屬片做整流子供電，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種接觸式整流子因摩擦給電機(jī)帶來(lái)非常不好的影響，比如使用壽命短、噪音大、有火花、產(chǎn)生干擾電磁波等。如果用GMR傳感器代替電機(jī)的摩擦整流子，那么就可以避免因電刷摩擦而帶來(lái)的影響，而且還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)及其調(diào)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(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩-重量比較大，速度轉(zhuǎn)矩特性的線性度比較好。圖4.給出了測(cè)量電流的原理圖。
3）GMR傳感器可用來(lái)測(cè)量微小的位移及其相關(guān)的應(yīng)用
GMR磁場(chǎng)傳感器來(lái)探測(cè)被測(cè)物體的位移的原理是通過(guò)利用一永磁鐵作為參照物，參照物相對(duì)于磁傳感器的運(yùn)動(dòng)可等效為磁敏器件在均勻梯度的磁場(chǎng)中的移動(dòng)，因此磁場(chǎng)傳感器的輸出則反映著磁場(chǎng)傳感器或永磁鐵的位移量。圖5給出一圓柱磁鋼及其周圍的磁場(chǎng)分布。我們已研制出一種能同時(shí)探測(cè)X―Y方向位移的磁場(chǎng)傳感器。由于采用集成技術(shù)，可使該磁場(chǎng)傳感器小型化，同時(shí)提高了精度。這種傳感器已成功運(yùn)用在機(jī)器人及機(jī)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(jī)器人具有識(shí)別物體的功能。這種位移傳感器也可用在電梯及相應(yīng)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(kuò)大其應(yīng)用范圍。例如，浮子流量計(jì)是一種得到廣泛應(yīng)用的非電量?jī)x表，如果改用磁性浮子和外配一個(gè)GMR磁位移傳感器，就能制成一個(gè)有電壓輸出的數(shù)字型位移傳感器。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了實(shí)現(xiàn)電子點(diǎn)火，往往需要精密堅(jiān)固的位移傳感器來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)角，決定點(diǎn)火時(shí)間。以前多用霍爾元件，現(xiàn)在完全可以用GMR替代，從而提高工作溫度范圍和降低磁場(chǎng)觸發(fā)磁場(chǎng)的強(qiáng)度。GMR位移傳感器也可用在精密機(jī)床上來(lái)提高機(jī)械加工的精度。活塞在氣缸中的運(yùn)動(dòng)情況也可以通過(guò)GMR位移傳感器給探測(cè)出來(lái)。
4）GMR角度位移及角速度傳感器和相關(guān)應(yīng)用
為了測(cè)量一物體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小，往往可以通過(guò)探測(cè)磁鋼因轉(zhuǎn)動(dòng)而造成其磁場(chǎng)的方向相對(duì)于固定的GMR磁場(chǎng)傳感器的改變，我們研制出的可探測(cè)平面內(nèi)磁場(chǎng)方向和大小的GMR磁場(chǎng)傳感器可以探測(cè)相對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鋼的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。當(dāng)一塊磁鐵固定在轉(zhuǎn)動(dòng)輪子的邊沿而GMR磁場(chǎng)傳感器固定在輪子的旁邊并保持一定的距離時(shí)，參考磁鐵隨輪子而轉(zhuǎn)動(dòng)，每當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，就會(huì)使產(chǎn)生一電壓脈沖輸出。圖6給出角速度傳感器的原理圖。我們利用集成技術(shù)已研制出專用來(lái)測(cè)量角速度即轉(zhuǎn)速的數(shù)字式自旋閥GMR磁傳感器。該磁敏傳感器可探測(cè)各種情況下的角速度。該類GMR磁場(chǎng)傳感器可用在各種遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，在這里包括了煤氣、水、電表的數(shù)字式的處理。隨著自動(dòng)化水平的提高，對(duì)于數(shù)字式的各種儀表的需求量越來(lái)越大。我們已與遼寧萬(wàn)恒科技有限公司建立了聯(lián)系。該公司需要大量數(shù)字式GMR磁傳感器應(yīng)用在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。在汽車（摩托）工業(yè)中，GMR磁場(chǎng)傳感器可用在剎車系統(tǒng)（ABS），通過(guò)探測(cè)角速度進(jìn)而起到制動(dòng)作用。不久我國(guó)將加入世貿(mào)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(shì)在必行。至于電機(jī)馬達(dá)行業(yè)，為了得到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的測(cè)量和控制需要用GMR傳感器來(lái)測(cè)量角速度并通過(guò)反饋系統(tǒng)可得到穩(wěn)定的角速度輸出。同時(shí)，GMR角速度傳感器也可用在洗衣機(jī)行業(yè)。隨著機(jī)算機(jī)的存儲(chǔ)密度的提高，對(duì)伺服系統(tǒng)的要求也在提高，對(duì)于磁盤轉(zhuǎn)速的控制的精度也在提高，因此磁場(chǎng)角速度傳感器將會(huì)應(yīng)用在該領(lǐng)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(diǎn)在于不易受塵埃、結(jié)露、影響、對(duì)潮濕氣體和污染不敏感，同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而且其響應(yīng)速度快（納秒級(jí)），體積比光學(xué)式編碼器小，而成本更低，且易將多個(gè)元件精確地集成，比用光學(xué)元件和半導(dǎo)體霍爾磁敏元件更容易構(gòu)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(diǎn)，因而近年來(lái)在高精度測(cè)量控制領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷增加，其市場(chǎng)需求量每年以20-30%的速度增長(zhǎng)。在高速度、高精度、小型化、集成化及長(zhǎng)壽命的要求下，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，磁性編碼器以其突出特點(diǎn)而獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，成為發(fā)展高技術(shù)的關(guān)鍵。
5）GMR醫(yī)用及生物磁場(chǎng)傳感器
人體之中存在著各種形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，它們是機(jī)體完成必要的生理功能的前提和保證，因此檢測(cè)這些生物機(jī)械運(yùn)動(dòng)，無(wú)論對(duì)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)還是對(duì)臨床醫(yī)學(xué)來(lái)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(jià)格貴的超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)而局限在方面醫(yī)學(xué)的發(fā)展。高靈敏度及集成化的GMR磁敏傳感器的出現(xiàn)為這些機(jī)械運(yùn)動(dòng)和病變部位的非接觸式的探測(cè)提供了方便，并推動(dòng)其發(fā)展。下面介紹幾種特殊在此方面的應(yīng)用。磁性生物傳感器的原理如圖7所示：首先各種各樣的細(xì)胞、蛋白質(zhì)、抗體、病原體、病毒、DNA可以用納米級(jí)的磁性小顆粒來(lái)標(biāo)記，也就是首先是這些被探測(cè)的對(duì)象磁性化，進(jìn)而在用高靈敏度的GMR磁場(chǎng)傳感器來(lái)探測(cè)它們的具體位置。這種也可用于醫(yī)學(xué)及臨床分析、DNA分析、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。高靈敏度的GMR傳感器也可用在用來(lái)腦電圖、心機(jī)圖等的高精度的儀器設(shè)備上，來(lái)診斷類似于腦腫瘤病變的問(wèn)題。利用GMR磁場(chǎng)傳感器可以檢測(cè)眼球運(yùn)動(dòng)、眼瞼運(yùn)動(dòng)的方法，這有助于定量評(píng)價(jià)和研究困倦、視力疲勞現(xiàn)象，和診斷某些眼科疾病。
6）GMR磁敏傳感器在磁性介質(zhì)的探測(cè)和在磁性油墨鑒偽點(diǎn)鈔機(jī)中的應(yīng)用
GMR磁場(chǎng)傳感器可以探測(cè)不同的磁性介質(zhì)。在這種應(yīng)用中，磁性介質(zhì)攜帶著要被探測(cè)的信息。磁性介質(zhì)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(nèi)或基體的表面。當(dāng)攜帶著信息的磁性介質(zhì)掃過(guò)GMR磁場(chǎng)傳感器時(shí)，則特有的信息被探測(cè)出來(lái)。傳感器的輸出依賴于磁性介質(zhì)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(shí)別、磁性編碼的讀出、細(xì)小磁性微粒的探測(cè)、介質(zhì)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(guò)測(cè)量被加速運(yùn)動(dòng)物體的慣性力來(lái)確定加速度的測(cè)量裝置。根據(jù)牛頓定律，被加速物體有一種慣性力，其大小等于它的質(zhì)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(jìn)行測(cè)量，從而得到系統(tǒng)的加速度。
2．GMR讀出磁頭在計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用
由于利用了SPIN-VALVEGMR材料而研制的新一代硬盤讀出磁頭，已經(jīng)把存儲(chǔ)密度提高到目前（2000年）的560億位/平方英寸，并且GMR磁頭已占領(lǐng)磁頭市場(chǎng)的百分之九十到九十五。現(xiàn)在磁記錄存儲(chǔ)密度已超過(guò)所有的存儲(chǔ)方式。正是利用GMR材料，才使得存儲(chǔ)密度在最近幾年內(nèi)每年的增長(zhǎng)速度達(dá)到3―4倍。隨著低電阻高信號(hào)的TMR的獲得，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)密度到1000億位/平方英寸，將是近一兩年的目標(biāo)。
3．GMR在隨機(jī)存儲(chǔ)（MRAM）中的應(yīng)用
利用SPIN-VAVLE，TMR材料和半導(dǎo)體集成技術(shù)正在研制一種新的計(jì)算隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片，由于0和1狀態(tài)的設(shè)置的原理來(lái)源于磁性材料特有的磁滯效應(yīng)，因此在突然斷電時(shí)也不會(huì)丟失信息。半導(dǎo)體的非易失存儲(chǔ)器是以極微小的電容器，是利用存儲(chǔ)一份電荷來(lái)保存信息。如果斷電，這份電荷就要耗盡，信息就會(huì)丟失。另外采用GMR的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器將比半導(dǎo)體的非易失存儲(chǔ)器速度快而廉價(jià)，美國(guó)的IBM和摩托羅拉及歐洲的菲利普、西門子和INESC都在加緊研究。
4．GMR在各種邏輯元件和全金屬計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用
利用GMR材料可研制出磁性二極管、三極管和各種邏輯元件。目前正在把磁性GMR多層膜和半導(dǎo)體材料集成在一起，主要是利用電子的自旋注入（SPIN―INJECTION）來(lái)開(kāi)發(fā)新的磁性器件。全金屬的計(jì)算機(jī)將成為可能。
三、發(fā)展前景
人類利用電子的荷電性在半導(dǎo)體芯片上創(chuàng)造了今天的信息時(shí)代，自旋極化輸運(yùn)給人類帶來(lái)的也許又是一片廣闊的天地。磁電子學(xué)給予人類以夢(mèng)想和希望，同時(shí)也給予我們更多、更大的挑戰(zhàn)。事實(shí)上人類對(duì)于自旋極化輸運(yùn)的了解還處于一個(gè)非常膚淺的階段，對(duì)新出現(xiàn)的新現(xiàn)象、新效應(yīng)的理解基本上還是一種“拼湊式”的、半經(jīng)典的唯象理論。作為磁學(xué)和微電子學(xué)的交叉學(xué)科，磁電子學(xué)將無(wú)論在基礎(chǔ)研究還是在應(yīng)用開(kāi)發(fā)上都將是凝聚態(tài)物理學(xué)工作者和電子工程技術(shù)人員大顯身手的新領(lǐng)域。
磁電子學(xué)是一項(xiàng)方興未艾的事業(yè)，其發(fā)展必定帶來(lái)人類技術(shù)文明的進(jìn)一步發(fā)展。深圳華夏磁電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司志在建立一個(gè)磁電子學(xué)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展平臺(tái)，廣泛的吸引國(guó)內(nèi)外磁電子學(xué)人才，促進(jìn)磁電子學(xué)在國(guó)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在磁傳感器芯片生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)磁隨機(jī)存貯器、全金屬計(jì)算機(jī)等高精尖磁電子產(chǎn)品，樹(shù)立一個(gè)新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化同步發(fā)展的典范。
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評(píng)論