巨磁电阻效应及其传感器的原理.doc

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1、巨磁阻效应及其传感器的原理和应用一、概述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。1、分类GMR材料按其结构可分为具有层间偶合特性的多层膜（例如Fe/Cr）、自旋阀

2、多层膜（例如FeMn/FeNi/Cu/FeNi）、颗粒型多层膜（例如Fe-Co）和钙钛矿氧化物型多层膜（例如AMnO3）等结构；其中自旋阀（spinvalve）多层膜又分为简单型和对称型两类；也有将其分为钉扎(pinning)和非钉扎型两类的。2、巨磁电阻材料的进展1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间偶合现象。1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现其Δr/r在4.2K低温下可达50%以上，由此提出了GMR效应的概念，在学术界引起了很大的反响。由此与之相关的研究工作相继展开

3、，陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层间偶合多层膜。自1988年发现GMR效应后仅3年，人们便研制出可在低磁场（10-2～10-6T）出现GMR效应的多层膜（如[CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]n）。1992年人们利用两种磁矫顽力差别大的材料（例如Co和Fe20Ni80）制成Co/Cu/Fe20Ni80/Cu多层膜，他们发现，当Cu层厚度大于5nm时，层间偶合较弱，此时利用磁场的强弱可改变磁矩的方向，以自旋取向的不同来控制膜电阻的大小，从而获得GMR效应，故称为自旋阀。与此同时，19

4、92年A.E.Berkowitz和Chien等人首次发现了Fe、Co与Cu、Ag分别形成二元合金颗粒膜中的磁电阻效应，在低温下其Δr/r可达（40~60）%。随后陆续出现了Fe-Ag、Fe-Cu、CoxAg1-x/Ag等颗粒多层膜。1993年人们在钙钛矿型稀土锰氧化物中发现了比GMR更大的磁电阻效应，即colossalmagneto-resistance（CMR）庞磁电阻效应，开拓了GMR研究的新领域。GMR效应的理论是复杂的，许多机理至今还不清楚；对于这些理论也分为层间交换偶合（IEC）、磁性多层膜的GMR、隧道磁电阻（TMR）等类型，详情可参阅有关文献。3、巨磁电阻传感器的进展在发现低磁

5、场GMR效应之后，1994年C.Tsang等研制出全集成化的GMR器件—自旋阀。同年，美国的IBM公司研制出利用自旋阀原理的数据读出磁头，它将磁盘记录密度提高了17倍，达5Gbit/6.45cm2（in2），目前已达11Gbit/6.45cm2（in2）。这种效应也开始用于制造角度、位置传感器；用于数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等领域。作为传感器它具有功耗小、可靠性高、体积小、价格便宜和更强的输出信号等优点。最近已研制出利用CMR效应的位置传感器。2000年7月在德国的德雷斯顿举行的第3届欧洲磁场传感器和驱动器学术会议上，关于GMR传感器的论文占论文总数的1/3以上，可见人们的关

6、注程度。样品膜结构结构形式Δρ/ρ（%）温度（K）备注[Fe（4.5）/Cr（12）]50多层2201.5   42300 [Co（15）/Cu（9）]30多层784.2   48300 [Co（8）/Cu（8.3）]60多层1154.2   654.2 [Co（10）/Cu（10）]100多层80300 Co（25）/Cu（19）/Co（4）/Cu（19）/Co（25）多层24.8300 Co（3）/Cu（19）/Co（25）对称自旋阀19300 Co90/Fe10（40）/Cu（25）/Co90Fe10（8）底部自旋阀7300Philips公司NiFe（100）/Cu（25）/Co（22

7、）顶部自旋阀。4.6300IBM公司CoFe/AgCu（15）/CoFe3层结构4-7300NVE公司Fe（60）Co（8）/Cu（23）/AAF/Cu（23）/Co（8）Fe（60）平行双自旋阀6300Siemens公司[Co（30）/Cu（50）/NiFe（30）/Cu（50）]15多层9.9300 [Co（15）/Cu（12）]n多层1704.2 [Co（12）/Cu（11）]180多层55300 NA