巨磁电阻传感器的基本原理知识

磁电阻（GMR）效应是1988年发现的一种磁致电阻效应，由于相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上，因此名为巨磁电阻（Giant Magnetoresistanc），简称GMR。

对于物质磁电阻特性的研究由来已久，早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化，通常用电阻变化率Δr/r描述。研究发现，一般金属导体的Δr/r很小，只有约10-5%；对于磁性金属或合金材料（例如坡莫合金），Δr/r可达（3~5）%。所谓巨磁电阻（GMR）效应，是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小，而Δr/r急剧增大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。利用这一效应制成的传感器称为GMR传感器。

所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化。人们*早于1856年发现了铁磁多晶体的各相异性磁电阻效应，但由于科学发展水平及技术条件的局限，数值不大的各向异性磁电阻效应并未引起人们太多关注。直到1988年，法国和德国科学家相继发现（Fe/Cr）多层膜的磁电阻效应比坡莫合金的各相异性磁电阻效应约大一个数量级，立即引起了全世界的轰动，该发现也使得他们获得了2007年的诺贝尔物理奖。

目前，对于磁性多层膜材料的巨磁阻效应，通常用二流体模型进行定性解释，其基本原理如下图所示。

（a）反铁磁耦合时电阻处于高阻态的输运特性 （b） 外加磁场作用下电阻处于低阻态的输运特性

二流体模型中，铁磁金属中的电流由自旋向上和向下的电子分别传输，自旋磁矩方向与区域磁化方向平行的传导电子所受的散射小，因而电阻率低。当磁性多层膜相邻磁层的磁矩反铁磁耦合时，自旋向上、向下的传导电子在传输过程中分别接受周期性的强、弱散射，因而均表现为高阻态Ra；当多层膜中的相邻磁层在外加磁场作用下趋于平行时，自旋向上的传导电子受到较弱的散射作用，构成了低阻通道Rc，而自旋向下的传导电子则因受到强烈的散射作用形成高阻通道Rb，因一半电子处于低阻通道，所以此时的磁性多层膜表现为低阻状态。这就是磁性多层膜巨磁电阻效应的起因。

而典型的巨磁电阻传感器由四个阻值相同的电阻构成惠斯通电桥结构，如图2所示。R1和R3由高导磁率的材料（坡莫合金层）覆盖屏蔽，对外磁场无响应，电阻R2和R4则受外部磁场变化影响。

（c） 典型的巨磁电阻传感器结构示意图

采用电桥结构的目的是能够更加灵敏地反映出电阻的变化，也就能够更加灵敏地反引出磁场的变化。

巨磁阻传感器发展前景

人类利用电子的荷电性在半导体芯片上创造了今天的信息时代，自旋极化输运给人类带来的也许又是一片广阔的天地。磁电子学给予人类以梦想和希望， 同时也给予我们更多、更大的挑战。事实上人类对于自旋极化输运的了解还处于一个非常肤浅的阶段，对新出现的新现象、新效应的理解基本上还是一种“拼凑式” 的、半经典的唯象理论。作为磁学和微电子学的交叉学科，磁电子学将无论在基础研究还是在应用开发上都将是凝聚态物理学工作者和电子工程技术人员大显身手的 新领域。GMR效应是磁电子学的主要内容之一，是一项方兴未艾的事业，其发展必定带来人类技术文明的进一步发展。由GMR效应作成的实用器件对电子信息的 贡献是不言而喻的。

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