磁阻效應(yīng)應(yīng)用

磁阻效應(yīng)廣泛用于磁傳感、磁力計、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、抗干擾能力強等優(yōu)點在工業(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)用價值。

2007年諾貝爾物理學(xué)獎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。

材料的電阻會因為外加磁場而增加或減少，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)量的馳豫時時間與方向無關(guān)，則縱向磁感強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)電子在行進中會偏折，使得路徑變成沿曲線前進，如此將使電子行進路徑長度增加，使電子碰撞機率增大，進而增加材料的電阻。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較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(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，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，與自旋有關(guān)的散射最強，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)個數(shù)量級的變化。其產(chǎn)生的機制與巨磁阻效應(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),其磁場強度是基本保持不變的,因此可以將沒有擾動的地球磁場強度作為參考磁場強度。如果具有一定鐵磁性的物體進入?yún)⒖即艌鰰r,就會對之前穩(wěn)定的地球磁場產(chǎn)生干擾,從而磁場強度會發(fā)生變化。當(dāng)一輛車具有比較大的鐵磁特性時,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)可以進一步獲取更多更詳細的交通基礎(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。在達到穩(wěn)態(tài)時，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)。

一定條件下，導(dǎo)電材料的電阻值R隨磁感應(yīng)強度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，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）為零磁場時的電阻率，設(shè)磁電阻在磁感應(yīng)強度為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。

實驗證明，當(dāng)金屬或半導(dǎo)體處于較弱磁場中時，一般磁阻傳感器電阻相對變化率ΔR/R（0）正比于磁感應(yīng)強度B的平方，而在強磁場中ΔR/R（0）與磁感應(yīng)強度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)(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動時，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。因為在此情形下，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動，但橫向磁阻一般不為零。在橫向磁場下，作漂移運動的載流子同時受到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)弛豫時間與能量無關(guān)時，橫向磁阻為零。