巨磁阻效应及其应用.pdf

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1、万方数据应用设计巨磁阻效应及其应用陈伟平95989部队摘要：文章主要介绍了巨磁阻效应(GMR：GiantMagnetoResistance)的基本原理，也介绍了相应的应用的实现原理和方法，给出了利用GMR效应器件在电子设计的应用参考。关键词：巨磁阻效应GMR磁头传感器耦合器ApplicationNote8forGiantMagnetORe8istanceEffectChenWeipingTroops#95989^bstract：ThispaperdescribesthebasicprincipleandapplicationmethodsofGiantMagnetoResistance(GMR

2、)effect．Someapplications锄plesandnotesusingGMRinelectronicsdesignareintroduced．Keywords：GiantMagnetoResistance，GMR，MagneticHead，Sensor，Isolator1概述2007年度的诺贝尔物理学奖已经揭晓，将授予两位物理学家：来自法国Paris—Sud大学的AlbertFert以及德国尤里希研究中心(ForschungszentrumJulich)的PeterGrunberg，以表彰他们对于发现巨磁阻效应所作出的贡献。他们于1988年独立作出的发现给现代信息技术带来了巨大的

3、飞跃。巨磁阻效应是指当铁磁材料(Ferromagnetic)和非磁性金属(Non—MagneticMetal)层交替组合成的材料在足够强的磁场中时电阻突然巨幅下降的现象。特别值得注意的是，如果相邻材料中的磁化方向平行的时候，电阻会变得很低；而当磁化方向相反的时候电阻则会变得很大。电阻值的这种变化是由于不同自旋的电子在单层磁化材料中散射性质不同而造成的。原理如图1所示。平行磁化方向(低阻态)相反磁化方向(高阻态)图1巨磁阻效应原理相比传统的光电耦合和容性隔离等隔离手段，巨磁阻效应发展出了新的隔离技术。GMR效应至少有两个比较明显的优势：一是GMR效应所产生的大幅电阻变化可以提供更强的信号，二是该

4、技术可以与现代的集成电路技术完美融合，GMR效应器件可以封装到芯片里，从而提供更小、更快且相对便宜的数字隔离器、传感器等。下面介绍一下巨磁阻效应在电子技术方面的一些应用。2磁存储技术巨磁阻效应自从被发现以来主要被用于开发研制用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头。这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。1998年，美国的IBM公司成功地把GMR效应应用在计算机硬盘驱动器上，研制出巨磁阻(GMR)磁头。到目前为止，巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术。巨磁阻(GMR)磁头的应用带动了计算机产业的迅速发展，打破了信息高

5、速公路图像传递存储的瓶颈，目前存储密度已高达56GB／平方英寸。世界GMR磁头的市场总额每年400亿美元。更令人可喜的是，美国的摩托罗拉公司宣布成功研制出GMR磁随机读取存储器(MRAM)，这种存储器将预示1000亿美元的市场容量。在1990年至1995年间，硬盘采用TFI读／写技术。TFI磁头实际上是绕线的磁芯。磁盘在绕线的磁芯下通过时会在磁头上产生感应电压。TFI读磁头之所以会达到它的能力极限，是因为在提高磁灵敏度的同时，它的写能力却减弱了。90年代中期，希捷公司推出了使用AMR磁头的硬盘。AMR磁头使用TFI磁头来完成写操作，但用薄条的磁性材料来作为读元件。在有磁场存在的情况下，薄条的电

6、阻会随磁场而变化，进而产生很强的信号。硬盘译解由于磁场极性变化而引起的薄条电阻变化，提高了读灵敏度。AMR磁头进一步提高了面密度，而且减少了元器件数量。由于AMR薄膜的电阻变化量有一定的限度，所以AMR磁头的灵敏度也存在极限。GMR磁头继承了TFI磁头和AMR磁头中采用的读／写技术。但它的读磁头对于磁盘上的磁性变化表现出更高的灵敏度。GMR传感器的灵敏度比AMR磁头大3倍，所以能够提高硬盘的面密度和性能。GMR磁头工作原理是依赖于自旋的电子散射。为了说明GMR磁头的工作过程，引入了自旋阀(SV)这个术语。如图3所示就是GMR读磁头薄膜结构。图2GMR读磁头薄膜结构这种结构使自由层的磁化角度(自

7、旋)的变化转变成电阻值的变化和电压输出的变化，所以称之为自旋阀。为了可靠稳定的工作，这些1．5纳米厚的薄层必须有很高的晶体质量和极少的物理与磁性缺陷，否则就难以承万方数据应用设计受严酷的硬盘工作温度条件。3GMR传感器GMR效应传感器基于多层金属薄膜的磁阻效应，采用真空(溅射)蒸镀、多层金属薄膜工艺技术制成。巨磁阻效应传感器与传统的金属薄膜磁阻元件不同，对弱磁场下灵敏度高，对磁场强度的方向变化非常