巨磁的原理及应用

前言
    
“科学技术是第一生产力”，科学技术的发展，总是促进人类文明一次次飞速的进步。人类进入20年代末的时候，一门新的学科——磁电子学又产生于科学技术的全面发展中。它吸取最新科技发展的精华，融合磁学与微电子学之所长，发展其所不及，给人类技术文明发展又揭开了一页新的篇章。

一 、巨磁电阻效应简介

磁电子学是一门以研究介观尺度范围内自旋极化电子的输运特性以及基于它的这些独特性质而设计、开发的在新的机理下工作的电子器件为主要内容的一门交叉学科。它研究的对象包括载流电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。

电子既是电荷的负载体，同时又是自旋的负载体。以研究、控制和应用半导体中数目不等的电子和空穴（即多数载流子和少数载流子）的输运特性为主要内容的微电子学是二十世纪人类最伟大的创造之一。但在这里自旋状态是不与考虑的，电子的输运过程仅利用它的荷电性由电场来控制。是否可以利用电子的自旋来操纵它的输运过程呢？这正是磁电子学所要研究的主要内容。

对巨磁电阻效应的研究就是磁电子学的一个重要内容。磁场作用于磁性多层膜中导电电子的自旋，导致膜电阻发生很大的变化。这种变化可以通过测量电阻或以电压方式反映出来。根据这种特点可以在许多领域得到应用。

二 、巨磁电阻效应的应用
    
科技服务于人类。科学技术只有同应用相结合才能发挥其“第一生产力”的作用并同时拥有强大的生命力。磁电子学的产生是巨大应用前景促进的结果，同时从其产生之初即为应用服务。到目前磁电子学的研究仍在世界范围轰轰烈烈地进行，它的应用已发展到计算机磁头、巨磁电阻传感器、磁随机存贮器等许多领域，随着对CMR、TMR原理的进一步研究和认识，必将开拓更为广阔的应用前景。鉴于磁电子学技术的新颖性和复杂性，对于磁电子学的研究仍在持续不断地进行，其应用现在还仅限于巨磁电阻（GMR）范围，以下对此作较为详尽的介绍。其新的应用日新月异，还望大家拭目以待。

1．巨磁电阻（GMR）传感器的应用

1）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3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。
    


2）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4.给出了测量电流的原理图。



3）GMR传感器可用来测量微小的位移及其相关的应用
         
GMR磁场传感器来探测被测物体的位移的原理是通过利用一永磁铁作为参照物，参照物相对于磁传感器的运动可等效为磁敏器件在均匀梯度的磁场中的移动，因此磁场传感器的输出则反映着磁场传感器或永磁铁的位移量。图5给出一圆柱磁钢及其周围的磁场分布。我们已研制出一种能同时探测X—Y方向位移的磁场传感器。由于采用集成技术，可使该磁场传感器小型化，同时提高了精度。这种传感器已成功运用在机器人及机械手的控制系统，并使其智能化和拿取、放置物体。另外也使机器人具有识别物体的功能。这种位移传感器也可用在电梯及相应的升降系统作为控制系统。此外，可以用GMR位移传感器改造某些传统的工业仪表，扩大其应用范围。例如，浮子流量计是一种得到广泛应用的非电量仪表，如果改用磁性浮子和外配一个GMR磁位移传感器，就能制成一个有电压输出的数字型位移传感器。在汽车发动机中，为了实现电子点火，往往需要精密坚固的位移传感器来测量发动机主轴的准确转角，决定点火时间。以前多用霍尔元件，现在完全可以用GMR替代，从而提高工作温度范围和降低磁场触发磁场的强度。GMR位移传感器也可用在精密机床上来提高机械加工的精度。活塞在气缸中的运动情况也可以通过GMR位移传感器给探测出来。