物質(zhì)在一定磁場(chǎng)下電阻改變的現(xiàn)象，稱為磁阻效應(yīng)。磁性金屬和合金材料一般都有這種現(xiàn)象，巨磁阻傳感器就是基于這一原理而應(yīng)用于生活中。

一巨磁阻效應(yīng)

　　所謂磁阻效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，巨磁阻效應(yīng)在1988年由彼得?格林貝格(Peter Grünberg)和艾爾伯?費(fèi)爾(Albert Fert)分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。研究發(fā)現(xiàn)在磁性多層膜如Fe/Cr和Co/Cu中，鐵磁性層被納米級(jí)厚度的非磁性材料分隔開(kāi)來(lái)。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，這一現(xiàn)象稱為“巨磁阻效應(yīng)”。

　　巨磁阻效應(yīng)可以用量子力學(xué)解釋,每一個(gè)電子都能夠自旋,電子的散射率取決于自旋方向和磁性材料的磁化方向。自旋方向和磁性材料磁化方向相同，則電子散射率就低，穿過(guò)磁性層的電子就多，從而呈現(xiàn)低阻抗。反之當(dāng)自旋方向和磁性材料磁化方向相反時(shí)，電子散射率高，因而穿過(guò)磁性層的電子較少，此時(shí)呈現(xiàn)高阻抗。

　　如圖1所示，兩側(cè)藍(lán)色層代表磁性材料薄膜層，中間橘色層代表非磁性材料薄膜層。綠色箭頭代表磁性材料磁化方向，灰色箭頭代表電子自旋方向，黑色箭頭代表電子散射。左圖表示兩層磁性材料磁化方向相同，當(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過(guò)時(shí)，電子較容易通過(guò)兩層磁性材料，因而呈現(xiàn)低阻抗。而右圖表示兩層磁性材料磁化方向相反，當(dāng)一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電子通過(guò)時(shí)，電子較容易通過(guò)，但較難通過(guò)第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，因而呈現(xiàn)高阻抗。

圖1 巨磁阻效應(yīng)示意圖

二巨磁阻傳感器應(yīng)用

01巨磁阻傳感器應(yīng)用于硬盤

　　巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭，極大的提高了磁盤記錄密度，極大提高了硬盤的容量，同時(shí)縮小了硬盤的體積。目前硬盤最大容量已經(jīng)達(dá)到4TB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于應(yīng)用巨磁阻效應(yīng)前的硬盤。

02巨磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)

　　這是采用納米制造技術(shù)，把沉積在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成圖形陣列，形成存儲(chǔ)單元，以相對(duì)兩磁性層的平行磁化狀態(tài)和反平行磁化狀態(tài)分別代表信息“1”和“0”;與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器一樣，是用電檢測(cè)由磁化狀態(tài)變化產(chǎn)生的電阻值之差進(jìn)行信息讀出的一種新型磁存儲(chǔ)器。MRAM潛在的重要優(yōu)點(diǎn)是非易失性，抗輻射能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)。這些是DRAM、SRAM等半導(dǎo)體存儲(chǔ)器所不具備的性能。同時(shí)，它又兼有后者具有的大容量、高速存取、低成本、高集成度等特點(diǎn)。因此，MRAM不僅被軍事和宇航業(yè)界所看重，而且在迅速普及的數(shù)碼照相、移動(dòng)電話及多媒體信息處理等廣闊的民用市場(chǎng)中得到應(yīng)用。正因?yàn)槿绱?，美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)界都十分重視這項(xiàng)新技術(shù)，正投巨資加快產(chǎn)品的商業(yè)化

03角度、位置傳感器

　　用于數(shù)控機(jī)床，汽車測(cè)速，非接觸開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器等領(lǐng)域。具有功耗小，可靠性高，體積小，價(jià)格便宜和更強(qiáng)的輸出信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。

04基于GMR傳感器陣列的生物檢測(cè)

　　GMR傳感器比電子傳感器更靈敏、可重復(fù)性強(qiáng)，具有更寬的工作溫度、工作電壓和抗機(jī)械沖擊、震動(dòng)的優(yōu)異性能，而且GMR傳感器的工作點(diǎn)也不會(huì)隨時(shí)間推移而發(fā)生偏移。GMR傳感器的制備成本和檢測(cè)成本低，對(duì)樣本的需求量很小。由GRM傳感器組成的陣列，還可以結(jié)合現(xiàn)有的IC工藝，提高整體設(shè)備的集成度，進(jìn)行多目標(biāo)的檢測(cè)，同時(shí)，對(duì)比傳統(tǒng)的熒光檢測(cè)法，磁性標(biāo)記沒(méi)有很強(qiáng)的環(huán)境噪聲，標(biāo)記本身不會(huì)逐漸消退，也不需要昂貴的光學(xué)掃描設(shè)備以及專業(yè)的操作人員。

05巨磁阻傳感器應(yīng)用于軍事領(lǐng)域

　　GMR傳感器芯片在軍事裝備上也有廣泛的應(yīng)用，比如：超微磁場(chǎng)探測(cè)器，地磁場(chǎng)探測(cè)傳感器，航天磁場(chǎng)方位傳感器。

三巨磁阻傳感器發(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(shí)代，自旋極化輸運(yùn)給人類帶來(lái)的也許又是一片廣闊的天地。磁電子學(xué)給予人類以夢(mèng)想和希望，同時(shí)也給予我們更多、更大的挑戰(zhàn)。事實(shí)上人類對(duì)于自旋極化輸運(yùn)的了解還處于一個(gè)非常膚淺的階段，對(duì)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(wú)論在基礎(chǔ)研究還是在應(yīng)用開(kāi)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。GMR效應(yīng)是磁電子學(xué)的主要內(nèi)容之一，是一項(xiàng)方興未艾的事業(yè)，其發(fā)展必定帶來(lái)人類技術(shù)文明的進(jìn)一步發(fā)展。由GMR效應(yīng)作成的實(shí)用器件對(duì)電子信息的貢獻(xiàn)是不言而喻的。

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