巨磁電阻（GMR）傳感器芯片技術(shù)背景簡介

GMR技術(shù)

1988年，法國巴黎大學(xué)Fert研究小組在納米結(jié)構(gòu)的磁性多層膜中，發(fā)現(xiàn)膜電阻隨外加磁場發(fā)生巨大變化的現(xiàn)象，較傳統(tǒng)的磁各向異性磁電阻（AMR）大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，稱之為巨磁電阻（GMR）效應(yīng)。其物理機(jī)制與傳導(dǎo)電子自旋散射相關(guān)。

由于GMR效應(yīng)潛在的巨大實(shí)用價(jià)值，激起了世界范圍的研究熱潮。如今不僅GMR效應(yīng)龐磁電阻(CMR）、隧道結(jié)磁電阻（TMR）、巨磁阻抗（GMI）等各種磁效應(yīng)的研究都十分踴躍，并逐步在實(shí)用化方面取得一些成就。

伴隨以上效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和廣泛研究，導(dǎo)致了一門新學(xué)科的產(chǎn)生，即磁電子學(xué)。該學(xué)科目前已有較多的研究領(lǐng)域，僅就與GMR效應(yīng)相關(guān)的內(nèi)容而言，即有OMR（正常磁電阻）、PMR（順行磁電阻）、GMR（巨磁電阻）、CMR（龐磁電阻）、TMR（隧道結(jié)效應(yīng)磁電阻）等，以及與電感、阻抗相關(guān)的GMI（巨磁阻抗）效應(yīng)，內(nèi)容十分豐富，性能特點(diǎn)十分突出。人們期待磁電子學(xué)將成為微電子學(xué)的取代者。

巨磁電阻（GMR）傳感器芯片主要是利用具有巨磁電阻效應(yīng)的磁性納米金屬多層薄膜材料通過半導(dǎo)體集成工藝與集成電路相兼容的一類元器件。巨磁電阻效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來即引起各國企業(yè)界及學(xué)術(shù)界的高度重視，GMR效應(yīng)已成為當(dāng)前凝聚態(tài)物理5個(gè)熱點(diǎn)之一。

1994年，美國的NVE公司首先實(shí)現(xiàn)巨磁電阻（GMR）效應(yīng)的產(chǎn)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(yīng)應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器上，研制出巨磁電阻（GMR）磁頭。

巨磁電阻（GMR）磁頭的應(yīng)用帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，打破了信息高速公路圖像傳遞存儲(chǔ)的瓶頸，目前存儲(chǔ)密度已高達(dá)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(jī)讀取存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器將預(yù)示1000億美元的市場容量。

隨著人們對(duì)GMR效應(yīng)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(shí)開發(fā)相關(guān)特殊用途器件的新學(xué)科---自旋子學(xué)逐漸興起起來。美國自然科學(xué)基金會(huì)（NSF）提出：自旋子學(xué)科的發(fā)展及應(yīng)用將預(yù)示著第四次工業(yè)革命的到來。

通過香山科學(xué)會(huì)議，我國制定了GMR高技術(shù)研究開發(fā)計(jì)劃，并把GMR效應(yīng)的研究及應(yīng)用開發(fā)列為我國將要重點(diǎn)發(fā)展的七個(gè)領(lǐng)域之一。但是由于技術(shù)、資金及設(shè)備等諸多因素，GMR的研究在國內(nèi)還局限于實(shí)驗(yàn)室的水平。

巨磁電阻(GMR)傳感器芯片由于其靈敏度高、熱穩(wěn)定性好而完全可取代霍爾及磁阻（AMR）元件，進(jìn)而廣泛應(yīng)用在信息、電機(jī)、電子電力、能源管理、汽車、磁信息讀寫及工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域。