磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理

一定條件下，導(dǎo)電材料的電阻值R隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化規(guī)律稱為磁阻效應(yīng)。如圖1所示，當(dāng)半導(dǎo)體處于磁場中時(shí)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的載流子將受洛侖茲力的作用，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩端產(chǎn)生積聚電荷并產(chǎn)生霍耳電場。如果霍耳電場作用和某一速度載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，那么小于或大于該速度的載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場方向運(yùn)動的載流子數(shù)量將減少，電阻增大，表現(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng)。若將圖1中a端和b端短路，則磁阻效應(yīng)更明顯。通常以電阻率的相對改變量來表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ（0）表示。其中ρ（0）為零磁場時(shí)的電阻率，設(shè)磁電阻在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中電阻率為ρ（B），則Δρ=ρ（B）-ρ（0）。由于磁阻傳感器電阻的相對變化率ΔR/R（0）正比于Δρ/ρ（0），這里ΔR=R（B）-R（0），因此也可以用磁阻傳感器電阻的相對改變量ΔR/R（0）來表示磁阻效應(yīng)的大小。

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)金屬或半導(dǎo)體處于較弱磁場中時(shí)，一般磁阻傳感器電阻相對變化率ΔR/R（0）正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方，而在強(qiáng)磁場中ΔR/R（0）與磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線性關(guān)系。磁阻傳感器的上述特性在物理學(xué)和電子學(xué)方面有著重要應(yīng)用。

處于磁場中的磁阻器件和一個(gè)外接電阻串聯(lián)，接在恒流源的分壓電路中，通過對R的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)磁阻器件中電流的大小，電壓表聯(lián)接1或2可以分別監(jiān)測外接電阻的電壓和磁阻器件的電壓。

磁阻效應(yīng)廣泛用于磁傳感、磁力計(jì)、電子羅盤、位置和角度傳感器、車輛探測、GPS導(dǎo)航、儀器儀表、磁存儲(磁卡、硬盤)等領(lǐng)域。

磁阻器件由于靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測、導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測量等。

其中最典型的銻化銦（InSb）傳感器是一種價(jià)格低廉、靈敏度高的磁阻器件磁電阻，有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予來自法國國家科學(xué)研究中心的物理學(xué)家艾爾伯·費(fèi)爾和來自德國尤利希研究中心的物理學(xué)家皮特·克魯伯格，以表彰他們發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)的貢獻(xiàn)。

材料的電阻會因?yàn)橥饧哟艌龆黾踊驕p少，則稱電阻的變化稱為磁阻（MR）。磁阻效應(yīng)是1857年由英國物理學(xué)家威廉·湯姆森發(fā)現(xiàn)的，它在金屬里可以忽略，在半導(dǎo)體中則可能由小到中等。從一般磁阻開始，磁阻發(fā)展經(jīng)歷了巨磁阻（GMR）、龐磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直沖磁阻（BMR）和異常磁阻（EMR）。

若外加磁場與外加電場垂直，稱為橫向磁阻效應(yīng)；若外加磁場與外加電場平行，稱為縱向磁阻效應(yīng)。一般情況下，載流子的有效質(zhì)量的馳豫時(shí)時(shí)間與方向無關(guān)，則縱向磁感強(qiáng)度不引起載流子偏移，因而無縱向磁阻效應(yīng)。

磁阻效應(yīng)主要分為：常磁阻，巨磁阻，超巨磁阻，異向磁阻，穿隧磁阻效應(yīng)等

常磁阻(OrdinaryMagnetoresistance,OMR)

對所有非磁性金屬而言，由于在磁場中受到洛倫茲力的影響，傳導(dǎo)電子在行進(jìn)中會偏折，使得路徑變成沿曲線前進(jìn)，如此將使電子行進(jìn)路徑長度增加，使電子碰撞機(jī)率增大，進(jìn)而增加材料的電阻。磁阻效應(yīng)最初于1856年由威廉·湯姆森，即后來的開爾文爵士發(fā)現(xiàn)，但是在一般材料中，電阻的變化通常小于5%，這樣的效應(yīng)后來被稱為“常磁阻”(ordinarymagnetoresistance,OMR)。

巨磁阻(GiantMagnetoresistance,GMR)

所謂巨磁阻效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時(shí)較之無外磁場作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。

超巨磁阻(ColossalMagnetoresistance,CMR)

超巨磁阻效應(yīng)（也稱龐磁阻效應(yīng)）存在于具有鈣鈦礦(Perovskite)ABO3的陶瓷氧化物中。其磁阻變化隨著外加磁場變化而有數(shù)個(gè)數(shù)量級的變化。其產(chǎn)生的機(jī)制與巨磁阻效應(yīng)(GMR)不同，而且往往大上許多，所以被稱為“超巨磁阻”。 如同巨磁阻效應(yīng)(GMR)，超巨磁阻材料亦被認(rèn)為可應(yīng)用于高容量磁性儲存裝置的讀寫頭。不過，由于其相變溫度較低，不像巨磁阻材料可在室溫下展現(xiàn)其特性，因此離實(shí)際應(yīng)用尚需一些努力。

異向磁阻(Anisotropicmagnetoresistance,AMR)

有些材料中磁阻的變化，與磁場和電流間夾角有關(guān)，稱為異向性磁阻效應(yīng)。此原因是與材料中s軌域電子與d軌域電子散射的各向異性有關(guān)。由于異向磁阻的特性，可用來精確測量磁場。

穿隧磁阻效應(yīng)(Tunnel Magnetoresistance,TMR)

穿隧磁阻效應(yīng)是指在鐵磁-絕緣體薄膜(約1納米)-鐵磁材料中，其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對方向變化的效應(yīng)。此效應(yīng)首先于1975年由MichelJulliere在鐵磁材料(Fe)與絕緣體材料(Ge)發(fā)現(xiàn)；室溫穿隧磁阻效應(yīng)則于1995年，由TerunobuMiyazaki與Moodera分別發(fā)現(xiàn)。此效應(yīng)更是磁性隨機(jī)存取內(nèi)存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)與硬盤中的磁性讀寫頭(readsensors)的科學(xué)基礎(chǔ)。

地球磁場擾動的檢測工作原理

在地球磁場的一定范圍內(nèi),其磁場強(qiáng)度是基本保持不變的,因此可以將沒有擾動的地球磁場強(qiáng)度作為參考磁場強(qiáng)度。如果具有一定鐵磁性的物體進(jìn)入?yún)⒖即艌鰰r(shí),就會對之前穩(wěn)定的地球磁場產(chǎn)生干擾,從而磁場強(qiáng)度會發(fā)生變化。當(dāng)一輛車具有比較大的鐵磁特性時(shí),其在靜止或在行駛過程中,都會對穩(wěn)定的地磁場產(chǎn)生擾動,但這種擾動相對參考磁場來講是比較大的。根據(jù)這樣的磁場擾動特性,物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)可以采用可以檢測磁場擾動的傳感器對這種擾動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析,就能夠獲取車輛的行駛狀態(tài)和基本參數(shù),通過交通工程學(xué)可以進(jìn)一步獲取更多更詳細(xì)的交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這就是地球磁場擾動的檢測工作原理。

磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，某—速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加。或者說，沿外加電場方向運(yùn)動的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。

磁阻效應(yīng)(Magnetoresistance Effects)的定義：是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。金屬或半導(dǎo)體的載流子在磁場中運(yùn)動時(shí)，由于受到電磁場的變化產(chǎn)生的洛倫茲力作用，產(chǎn)生了磁阻效應(yīng)。

磁阻效應(yīng)是指電阻在磁場中增加的現(xiàn)象。磁阻效應(yīng)在半導(dǎo)體中尤為顯著。效應(yīng)的大小通常用電阻的改變量和電阻本身的比值來量度：

在磁場中，由于Lorentz力的作用，一般來說載流子的運(yùn)動將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是產(chǎn)生磁阻效應(yīng)的原因。但在等能面為球形的簡單能帶的情形下，縱向磁阻為零。因?yàn)樵诖饲樾蜗?，漂移速度與磁場平行. 磁場的存在并不改變載流子的漂移運(yùn)動，但橫向磁阻一般不為零。在橫向磁場下，作漂移運(yùn)動的載流子同時(shí)受到Lorentz力和由Hall電場產(chǎn)生的靜電力的作用。這兩種力的作用在總體上相互抵消，使橫向電流為零。 但在動量弛豫時(shí)間依賴于能量的情形下，不同能量的載流子有不同的平均(漂移)速度，所受Lorentz力的大小并不相同。只是某一特定能量(平均速度)的載流子所受Lorentz力與靜電力完全抵消。高于和低于此能量(平均速度)者，所受合力分別指向相反的方向，使載流子的漂移運(yùn)動向兩邊偏轉(zhuǎn)。 這將導(dǎo)至電流減小，即導(dǎo)至橫向磁阻效應(yīng)。但應(yīng)指出在簡單能帶情形下，當(dāng)弛豫時(shí)間與能量無關(guān)時(shí)，橫向磁阻為零。