巨磁电阻效应及其应用 20xx年7月27日 来源:《国际电子变压器》20xx年7月刊 作者：
余声明
1 前言
磁性金属和合金一般都有磁电阻效应，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻发生改变的现象。所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧变化而比常规磁电阻要大一个数量级以上的效应，是近十多年来发现的一种新现象。
在过去十多年中，已经发现了三种技术上可行的磁电阻：“巨磁电阻”（Giant Magneto-Resistive，GMR）、“超巨磁电阻”（Colossal Magneto-Resistance，CMR）和“穿隧磁电阻”（Tunneling Magneto-Resistive，TMR）。它们都具有三层结构：上下两层为磁性层引发电子自旋、产生磁场的层级；中间为非磁性层，其功能是产生变化的电阻。不同类型的磁电阻的非磁性层所使用的材料有所不同：GMR使用的是金属铜，CMR使用的是稀土锰氧化物，TMR则是使用氧化铝。
本文只就GMR效应、器件与应用作一论述。
2 巨磁电阻效应
19xx年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间耦合现象。19xx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Δρ/ρ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，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效应的层间耦合多层膜。19xx年后的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]等结构 ，此后更掀起了GMR效应的研发热潮。
GMR是一个量子力学效应，它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的。这种结构由铁磁材料和非磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。三层结构的与自旋有关的输运性质如图1所示，上下两层为铁磁材料，中间夹层是非磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的。现在可以制造出对小的磁场就能得到很大电阻变化的材料，并且可以在室温下工作。
巨磁电阻效应从发现到器件的商品应用也是一个迅速转化的过程。现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域，还出现了许多GMR 器件，如磁盘驱动器的读写磁头和随机存储器（RAM）等。
磁电子新技术的实用化，源于纳米磁性材料和纳米制造技
术的成功开发。发现GMR效应后，在应用电子随机自旋度的道路上迈开了第一步。最近10多年来，对自旋输运电子技术的应用开发取得迅速的进展，收到明显的经济效益和社会效益。19xx年，美国NVE公司开始制造和销售GMR电桥元件，19xx年推出制作在半导体芯片上的数字式GMR传感器；19xx年IBM公司开发成功自旋阀（SV）GMR读出磁头并正式上市，使硬磁盘驱动器（HDD）的面记录密度提高到20Gbpi。据统计，目前这种磁头已占领磁记录磁头市场份额的95％，每季度的产值可达10亿美元。20xx年，富士通公司开发出记录密度达56.3Gbpi的SV GMR磁头；19xx年，西门子公司开发的旋转检测GMR传感器上市；从19xx年至20xx年，美国的IBM、摩托罗拉，德国的Infineon等公司先后研制成功实用的MRAM芯片。
美国国防部高级研究计划局（DARPA）于19xx年创立了一个联合企业，并拟订了一个正式的DARPA计划——“Spintronics"（自旋电子技术）。该项计划的核心内容是应用GMR效应，开发各种磁传感器和非易失存储器。同时，还拥有开发GMR以外的其他器件的特许权，其中包括自旋相关隧道结构及实用的磁性氧化物。DARPA计划排定日程，将在以后的几年内制造出1MbitMRAM芯片，开发出实用的军用和民用磁传感器和磁存储器。同时，着手Spin - FET、Spin -LED自旋共振隧道效应器件、自旋相关器件和
自旋量子化器件等多种新型磁电子器件的研究与开发。 目前磁电子技术的实用化进程可以说是日新月异。 3 巨磁电阻器件
运用GMR效应制成了许多实用的磁电子器件，它是近几年才出现的新型高技术产品，是采用纳米制造技术把微小尺寸的磁性元件与传统的半导体器件结合在一起，得到全新的或者高功能的器件，它们是：
3.1 SV-GMR磁头和传感器
构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀（SpinValve）元件。它的基本结构是由钉扎磁性层（例如Co）、Cu间隔层和自由磁性层（例如NiFe等易磁化层）组成的多层膜。钉扎层的磁矩固定不变，由于钉扎层的磁矩与自由磁层的磁矩之间的夹角发生变化会导致SV-GMR元件的电阻值改变，进而使读出电流发生变化。为了提高SV元件的灵敏度，必须把自由磁层做得很薄。但是，这样又将导致界面传导电子的不规则反射而降低电阻的变化率。因此，后来又增设了一层氧化物，使电子成镜面反射，故而又把这种元件叫做“镜面SV元件”。从20xx年起，GMR磁头制造商正式采用镜面SV元件。据报告，用这种镜面SV GMR磁头，可以读出100Gbpi面记录信息。
19xx年，在用绝缘隧道势垒层代替SV元件中的Cu间隔层时，发现了室温自旋相关隧道（SDT）效应，称为隧道结磁
电阻（TMR）效应。目前，由这种现象感生电阻的变化率已高达40％，是GMR效应的数倍至10倍，较之GMR元件，检测灵敏度有很大的提高。现在正在积极研究和开发这种TMR元件。
实际上，磁头是一种检测磁场强弱、把磁信号变换成电信号的磁传感器。使用软磁合金薄膜，利用其磁电阻（MR）效应工作的磁传感器，除了用作磁记录读出磁头外，还在检测电流、位置、位移、旋转角度等方面获得了广泛的应用。运用SV-GMR元件的磁传感器，检测灵敏度比使用MR元件的器件高1至数个量级，更容易集成化，封装尺寸更小，可靠性更高。它不仅可以取代以前的MR传感器，还可以制成传感器阵列，实现智能化，用来表述通行车辆，飞机机翼、建筑防护装置或管道系统中隐蔽缺陷的特征，跟踪地磁场的异常现象等。还有人提出可以作为抗体和生物标本检验的传感元件，应用范围较之MR传感器显著扩大。当前，GMR传感器已在液压汽缸位置传感、真假纸币识别、轴承编码、电流检测与控制、旋转位置检测、车辆通行情况检测等领域得到应用。在军事上，GMR传感器有着更加重要的应用价值。美国军方正在研制高g军火用捷联式（Strop Down）MEMS传感器，用在制导、导航和控制（GN＆C）或时空位置信息（TSPI）中，为测评部门进行飞行中的诊断和用于惯性测量（IMU）。按陆军的“加固次小型化遥测装置
和传感系统（HSTSS）”计划，将提供一大宗商品性成品和组装技术，用于诊断高g和高自旋军火，如火炮、导弹、坦克等。ARL完成了MEMS压力、加速度、角速度和磁场传感器的若干地面和飞行实验。用磁场传感器可以推断与磁场相关的角速度，且简便易行。19xx年，ARL用遥测装置和MR磁场传感器（如测自旋速率的Honeywell1002,SCSA50型），检测120mm动能飞弹。在他们新近开发的遥测精密跟踪插塞(20×35mm）中，使用了新的GMR传感器，成功地用于105mm动能训练飞弹试验。
3.2 巨磁电阻随机存取存储器（MRAM）
这是采用纳米制造技术，把沉积在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成图形阵列，形成存储单元，以相对两磁性层的平行磁化状态和反平行磁化状态分别代表信息“1”和“0”；与半导体存储器一样，是用电检测由磁化状态变化产生的电阻值之差进行信息读出的一种新型磁存储器。给导体图形加上脉冲电流，只使两磁性层中的一层（自由磁层）磁化反转，完成信息写入。在用SV-GMR膜作存储单元时，由于其中一磁性层的磁化被反铁磁性层（钉扎层）固定在一个方向上，所以，存储器只用另一层的磁化反转工作。这样，在读出时一旦记录的信息被消去（破坏读出），只要把两磁性层做成厚度不同或者矫顽力值不同的准SV-GMR膜，通过调节工作电流，就能够以各磁性层单独地
磁化反转达到非破坏读出。为了有选择地将信息写入2元排列的存储单元群，使用由字线和位线电流产生的合成磁场来实现。目前认为，读信息时单元选择最有希望的是CMOS-FET电路；它基本上是用磁性体代替DRAM中的电容器构成的。在实际的MRAM中，尚需加上位地址指定编码电路、施加脉冲电流的驱动电路及读出用传感放大电路等。
MRAM潜在的重要优点是非易失性，抗辐射能力强、寿命长。这些是DRAM、SRAM等半导体存储器所不具备的性能。同时，它又兼有后者具有的大容量、高速存取、低成本、高集成度等特点。因此，MRAM不仅被军事和宇航业界所看重，而且在迅速普及的数码照相、移动电话及多媒体信息处理等广阔的民用市场中得到应用。正因为如此，美、日、欧等发达国家和地区及高新技术产业界都十分重视这项新技术，正投巨资加快产品的商业化。据Infineon公司报告，他们将在20xx年使256MbMRAM芯片商品化。日本行家估计，1Gb的产品将在20xx年～20xx年上市。
3.3 量子化磁盘（QMD）
QMD的基本概念是在非磁性盘基中独立地埋入若干单畴磁性元件，每个元件都有精确规定的形状和预先指定的位置。最重要的是，这些元件有强的磁化。这种磁化和MRAM一样，是不加外磁场的磁化，并且只有两个稳定的状态：数量相等而方向相反的状态。每个单畴元件的磁化方向代表一个
二进制信息位“0”或者“1”。根据磁化方向，QMD可以有两种模式：垂直磁化QMD和横向磁化QMD。前者用磁柱，后者用磁条带。这些磁性柱子或条带，采用X射线或电子束平版印刷，辅以反应离子刻蚀而成。最近，还开发出一种高效低成本的nanoimprit lithography印刷术。开关（转换）磁化方向需要的磁场，通过精心设计的元件尺寸和形状来控制。
和传统的HDD比较，QMD有如下几个优点：每位的磁化会自行量子化；量化写入过程，可以消除对写入头高精度定位的要求；细小而平滑的分立转变层，允许高密度数据堆积，存储密度在100Gbpi以上，而开关噪声可接近零；有内置的读/写位置精密跟踪机构；克服了现有磁存储器存在的超顺磁性极限的一大缺点。nanoimpritlithography印刷术的开发成功，为QMD的商品化开辟了光明的前景。 当然巨磁阻器件还不止这些，其它不再论及。
4 GMR效应的应用
4.1 巨磁电阻（GMR）传感器
a.GMR磁场传感器可用来导航及用于高速公路的车辆监控系统
地球是一个大磁铁，地球表面的磁场大约为0.5Oe，地磁场平行地球表面并始终指向北方。利用GMR薄膜可做成用来探测地磁场的高级罗盘。当可以同时探测平面内磁场X和Y
方向分量的GMR磁场传感器固定在交通工具上，瞬间航向与地球北极的夹角可通过GMR传感器的X和Y方向的电压相对改变而确定下来。图2显示这种传感器的具体工作原理。GMR磁场传感器随轮船的方向改变而改变其和地磁场的夹角，相对来说，也可以等效为地磁场的方向在改变。我们已研制出能够探测磁场X和Y方向分量的集成GMR传感器。此传感器可作为罗盘并应用在各种交通工具上作为导航装置。美国的NVE公司已经把GMR传感器用在车辆的交通控制系统。我们知道，各种不同的车辆（物体）在外界都有其自身特征的磁场分布。通过用GMR弱场传感器可探测各种车辆的磁场分布进而确定该车辆的型号。利用GMR传感器不仅可探测静止车辆的状况进而用在交通灯处的交通控制和停车场处停车位置的监控，而且也可探测移动车辆的情况。具体来说，放置在高速公路边的GMR传感器可以计算和区别通过传感器的车辆。如果同时分开放置两个GMR传感器，还可以探测出通过车辆的速度和车辆的长度，当然GMR也可用在公路的收费亭，从而实现收费的自动控制。另外高灵敏度和低磁场的传感器可以用在航空、航天及卫星通信技术上。大家知道，在军事工业中随着吸波技术的发展，军事物件可以通过覆盖一层吸波材料而隐蔽，但是它们无论如何都会产生磁场，因此通过GMR磁场传感器可以把隐蔽的物体找出来。当然，GMR磁场传感器可以应
用在卫星上，用来探测地球表面上的物体和底下的矿藏分布。
b.GMR磁场传感器可来探测DC、AC电流及用作隔离器和电子线路中的反馈系统（开关电源）
众所周知，通电导线周围将产生磁场，其磁场的强弱与通电电流的大小成正比。若将GMR磁场传感器及环形软磁集磁通器放置在通电导线附近，则由GMR传感器的输出电压可以测量导线中通过的电流。我们已利用反铁磁耦合的FeNi/FeCo/Cu的多层膜和集成的永磁薄膜作为偏场，并研制出线性测量范围正负200Oe的惠斯通电桥传感器。利用这种传感器可探测电流高达10,000安培的直流和交流。目前有三种办法可用来探测电流：电阻短路的办法，其缺点在于引入一电压降和这种方法不能提供上下级的隔离。电流转换器则基于安培定理，但是其仅仅用来探测直流。GMR磁场传感器不仅可用来探测直流和交流而且还可保证上下级隔离。随着半导体集成技术的发展，目前已把GMR薄膜传感器和集成线路板结合在一起，从而实现了小型化、集成化，提高了灵敏度和降低了成本。另外电流探测原理，目前已经用作隔离器、开关电源和无刷直流电机系统。隔离器主要是把高电压及高电流情况下的初级信号通过电压/频率转换并传给下一级，在下一级再通过频率/电压转换成为电压或电流信号，因此上下级而不相互干扰。这种探
测电流大小的隔离器已被葡萄牙的一家公司所采用。至于开关电源，我们利用两次沉积自旋阀多层膜的办法，已研制出可探测微安级的交直流及探测磁场范围在正负20Oe的GMR磁场传感器。并且与西班牙的一所大学合作，成功地把这种传感器用在开关电源线路中作为反馈系统，可改善其频率输出特性高达1MHz。至于在无刷直流电机的应用：大家知道，有刷直流电机是用接触碳刷或金属片做整流子供电，使转子旋转。这种接触式整流子因摩擦给电机带来非常不好的影响，比如使用寿命短、噪音大、有火花、产生干扰电磁波等。如果用GMR传感器代替电机的摩擦整流子，那么就可以避免因电刷摩擦而带来的影响，而且还可以实现电机高速旋转及其调速和稳速的目的。因此，它的稳定性和可靠性都非常高。另外，这种无刷电机转矩-重量比较大，速度转矩特性的线性度比较好。图3给出了测量电流的原理图。
c.GMR医用及生物磁场传感器
人体之中存在着各种形式的机械运动，它们是机体完成必要的生理功能的前提和保证，因此检测这些生物机械运动，无论对基础医学还是对临床医学来讲，都具有十分重要的意义。以前，由于必须利用体积大和功率高、价格贵的超导量子磁强计而限制了在医学中的发展。高灵敏度及集成化的GMR磁敏传感器的出现为这些机械运动和病变部位的
非接触式的探测提供了方便，并推动其发展。下面介绍几种特殊在此方面的应用。磁性生物传感器的原理如图4所示：首先各种各样的细胞、蛋白质、抗体、病原体、病毒、DNA可以用纳米级的磁性小颗粒来标记，也就是首先是这些被探测的对象磁性化，进而在用高灵敏度的GMR磁场传感器来探测它们的具体位置。这种也可用于医学及临床分析、DNA分析、环境污染监测等领域。高灵敏度的GMR传感器也可用在脑电图、心电图等的高精度的仪器设备上，来诊断类似于脑肿瘤病变的问题。利用GMR磁场传感器可以检测眼球运动、眼睑运动的方法，这有助于定量评价和研究困倦、视力疲劳现象，和诊断某些眼科疾病。
其它还有很多，不一一列举。
4.2 GMR读出磁头在计算机信息存储中的应用
由于利用了SPIN-VALVE GMR材料而研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密度提高到目前（20xx年）的560亿位/平方英寸，并且GMR磁头已占领磁头市场的百分之九十到九十五。现在磁记录存储密度已超过所有的存储方式。正是利用GMR材料，才使得存储密度在最近几年内每年的增长速度达到3—4倍。随着低电阻高信号的TMR的获得，实现存储密度到1000亿位/平方英寸，将是近一两年的目标。
4.3 GMR在随机存储（MRAM）中的应用
利用SPIN-VAVLE，TMR材料和半导体集成技术正在研制一
种新的计算随机存储器芯片，由于0和1状态的设置的原理来源于磁性材料特有的磁滞效应，因此在突然断电时也不会丢失信息。半导体的非易失存储器是以极微小的电容器，是利用存储一份电荷来保存信息。如果断电，这份电荷就要耗尽，信息就会丢失。另外采用GMR的磁随机存储器将比半导体的非易失存储器速度快而廉价，美国的IBM和摩托罗拉及欧洲的菲利普、西门子和INESC都在加紧研究。
4.4 GMR在各种逻辑元件和全金属计算机中的应用
利用GMR材料可研制出磁性二极管、三极管和各种逻辑元件。目前正在把磁性GMR多层膜和半导体材料集成在一起，主要是利用电子的自旋注入（SPIN—INJECTION）来开发新的磁性器件。全金属的计算机将成为可能。
4.5 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。
5 结束语
GMR效应是磁电子学的主要内容之一，磁落千丈 zz电子学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。