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，發(fā)展其所不及，給人類技術(shù)文明發(fā)展又揭開了一頁新的篇章。
一、巨磁電阻效應(yīng)簡介
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、開發(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)過程僅利用它的荷電性由電場來控制。是否可以利用電子的自旋來操縱它的輸運(yùn)過程呢？這正是磁電子學(xué)所要研究的主要內(nèi)容。
對巨磁電阻效應(yīng)的研究就是磁電子學(xué)的一個重要內(nèi)容。磁場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。這種變化可以通過測量電阻或以電壓方式反映出來。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?？茖W(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CMR、TMR原理的進(jìn)一步研究和認(rèn)識，必將開拓更為廣闊的應(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磁場傳感器可用來導(dǎo)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(dāng)可以同時探測平面內(nèi)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(yīng)用在各種交通工具上作為導(dǎo)航裝置。美國的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分布。通過用GMR弱場傳感器可探測各種車輛的磁場分布進(jìn)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(jìn)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(dāng)然GMR也可用在公路的收費(fèi)亭，從而實現(xiàn)收費(fèi)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(shù)上。大家知道，在軍事工業(yè)中隨著吸波技術(shù)的發(fā)展，軍事物件可以通過覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無論如何都會產(chǎn)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(dāng)然，GMR磁場傳感器可以應(yīng)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。
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(guān)電源）
眾所周知，通電導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，其磁場的強(qiáng)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(dǎo)線附近，則由GMR傳感器的輸出電壓可以測量導(dǎo)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(fù)200Oe的惠斯通電橋傳感器。利用這種傳感器可探測電流高達(dá)10,000安培的直流和交流。目前有三種辦法可用來探測電流：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的隔離。電流轉(zhuǎn)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(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。另外電流探測原理，目前已經(jīng)用作隔離器、開關(guān)電源和無刷直流電機(jī)系統(tǒng)。隔離器主要是把高電壓及高電流情況下的初級信號通過電壓/頻率轉(zhuǎn)換并傳給下一級，在下一級再通過頻率/電壓轉(zhuǎn)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(guān)電源，我們利用兩次沉積自旋閥多層膜的辦法，已研制出可探測微安級的交直流及探測磁場范圍在正負(fù)20Oe的GMR磁場傳感器。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的影響，而且還可以實現(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(guān)的應(yīng)用
GMR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(yùn)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。圖5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(shù)，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(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，浮子流量計是一種得到廣泛應(yīng)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(shù)字型位移傳感器。在汽車發(fā)動機(jī)中，為了實現(xiàn)電子點(diǎn)火，往往需要精密堅固的位移傳感器來測量發(fā)動機(jī)主軸的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)角，決定點(diǎn)火時間。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觸發(fā)磁場的強(qiáng)度。GMR位移傳感器也可用在精密機(jī)床上來提高機(jī)械加工的精度。活塞在氣缸中的運(yùn)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(guān)應(yīng)用
為了測量一物體的轉(zhuǎn)動角度的大小，往往可以通過探測磁鋼因轉(zhuǎn)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(nèi)磁場方向和大小的GMR磁場傳感器可以探測相對其轉(zhuǎn)動的磁鋼的轉(zhuǎn)動角度。當(dāng)一塊磁鐵固定在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，每當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動一圈，就會使產(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)已研制出專用來測量角速度即轉(zhuǎn)速的數(shù)字式自旋閥GMR磁傳感器。該磁敏傳感器可探測各種情況下的角速度。該類GMR磁場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。隨著自動化水平的提高，對于數(shù)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(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磁場傳感器可用在剎車系統(tǒng)（ABS），通過探測角速度進(jìn)而起到制動作用。不久我國將加入世貿(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(jī)行業(yè)。隨著機(jī)算機(jī)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(zhuǎn)速的控制的精度也在提高，因此磁場角速度傳感器將會應(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、對潮濕氣體和污染不敏感，同時其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而且其響應(yīng)速度快（納秒級），體積比光學(xué)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(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)，因而近年來在高精度測量控制領(lǐng)域中的應(yīng)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(diǎn)而獨(dú)具優(yōu)勢，成為發(fā)展高技術(shù)的關(guān)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(jī)械運(yùn)動，它們是機(jī)體完成必要的生理功能的前提和保證，因此檢測這些生物機(jī)械運(yùn)動，無論對基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)還是對臨床醫(yī)學(xué)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(dǎo)量子磁強(qiáng)計而局限在方面醫(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(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可以用納米級的磁性小顆粒來標(biāo)記，也就是首先是這些被探測的對象磁性化，進(jìn)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(xué)及臨床分析、DNA分析、環(huán)境污染監(jiān)測等領(lǐng)域。高靈敏度的GMR傳感器也可用在用來腦電圖、心機(jī)圖等的高精度的儀器設(shè)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(yùn)動、眼瞼運(yùn)動的方法，這有助于定量評價和研究困倦、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)的探測和在磁性油墨鑒偽點(diǎn)鈔機(jī)中的應(yīng)用
GMR磁場傳感器可以探測不同的磁性介質(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(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別、磁性編碼的讀出、細(xì)小磁性微粒的探測、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測量被加速運(yùn)動物體的慣性力來確定加速度的測量裝置。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)行測量，從而得到系統(tǒng)的加速度。
2．GMR讀出磁頭在計算機(jī)信息存儲中的應(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)磁頭市場的百分之九十到九十五。現(xiàn)在磁記錄存儲密度已超過所有的存儲方式。正是利用GMR材料，才使得存儲密度在最近幾年內(nèi)每年的增長速度達(dá)到3―4倍。隨著低電阻高信號的TMR的獲得，實現(xiàn)存儲密度到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（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算隨機(jī)存儲器芯片，由于0和1狀態(tài)的設(shè)置的原理來源于磁性材料特有的磁滯效應(yīng)，因此在突然斷電時也不會丟失信息。半導(dǎo)體的非易失存儲器是以極微小的電容器，是利用存儲一份電荷來保存信息。如果斷電，這份電荷就要耗盡，信息就會丟失。另外采用GMR的磁隨機(jī)存儲器將比半導(dǎo)體的非易失存儲器速度快而廉價，美國的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）來開發(fā)新的磁性器件。全金屬的計算機(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)造了今天的信息時代，自旋極化輸運(yùn)給人類帶來的也許又是一片廣闊的天地。磁電子學(xué)給予人類以夢想和希望，同時也給予我們更多、更大的挑戰(zhàn)。事實上人類對于自旋極化輸運(yùn)的了解還處于一個非常膚淺的階段，對新出現(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)將無論在基礎(chǔ)研究還是在應(yīng)用開發(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)是一項方興未艾的事業(yè)，其發(fā)展必定帶來人類技術(shù)文明的進(jìn)一步發(fā)展。深圳華夏磁電子技術(shù)開發(fā)有限公司志在建立一個磁電子學(xué)在國內(nèi)的發(fā)展平臺，廣泛的吸引國內(nèi)外磁電子學(xué)人才，促進(jìn)磁電子學(xué)在國內(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，開發(fā)生產(chǎn)磁隨機(jī)存貯器、全金屬計算機(jī)等高精尖磁電子產(chǎn)品，樹立一個新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化同步發(fā)展的典范。
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