《巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用探究》10000字（論文）

巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用研究緒論 11 巨磁電阻效應(yīng) 31.1巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 31.2巨磁電阻效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制 31.2.1電阻形成的微觀機(jī)制 31.2.2鐵磁性金屬材料的電阻 51.2.3巨磁阻效應(yīng)成因的簡(jiǎn)單解釋 52 巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用 62.1巨磁電阻效應(yīng)在信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用 62.1.1應(yīng)用于硬盤的緣由 72.1.2硬盤的工作原理 72.1.3傳統(tǒng)磁頭與巨磁電阻磁頭的比較 82.1.4巨磁電阻技術(shù)在硬盤應(yīng)用上的發(fā)展歷程 82.2巨磁電阻傳感器的應(yīng)用 92.2.1巨磁電阻傳感器測(cè)磁場(chǎng) 92.2.2巨磁電阻傳感器測(cè)電流 102.2.3巨磁電阻傳感器測(cè)角度和角速度 102.2.4巨磁電阻傳感器測(cè)位移 11總結(jié) 12參考文獻(xiàn) 13摘要隨著巨磁電阻效應(yīng)的被發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)其可應(yīng)用的范圍開展一系列的研究，進(jìn)而研制出基于此效應(yīng)的磁頭、傳感器等產(chǎn)品。人們總結(jié)道：磁電阻磁頭的發(fā)明推動(dòng)了“大容量、小型化”信息時(shí)代的巨大革命，開辟了信息時(shí)代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的新篇章！而基于巨磁電阻效應(yīng)研制出來的傳感器相較于傳統(tǒng)的磁阻傳感器有著更為顯著的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、響應(yīng)快、可靠性好等，正因?yàn)槿绱耍诟哽`敏度微型磁傳感器領(lǐng)域中逐漸嶄露頭角。無論是磁頭又或是傳感器，正是因?yàn)樗麄儙Ыo我們生活中的諸多便利，使得巨磁電阻效應(yīng)在生活中的應(yīng)用越來越廣泛。本文在分析巨磁電阻效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制的基礎(chǔ)上，從查閱和分析文獻(xiàn)資料出發(fā)，對(duì)基于巨磁電阻效應(yīng)的信息儲(chǔ)存應(yīng)用以及傳感器應(yīng)用方面來研究巨磁電阻效應(yīng)對(duì)我們生活產(chǎn)生的巨大影響，這是物理和實(shí)際應(yīng)用的一次極其完美的結(jié)合?！娟P(guān)鍵詞】巨磁電阻效應(yīng)磁頭傳感器緒論巨磁電阻效應(yīng)從20世紀(jì)80年代被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有三十多年了，在評(píng)價(jià)巨磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)意義的方面上，諾貝爾評(píng)委會(huì)主席佩爾·卡爾松的發(fā)言或許更具有代表性，他用兩張圖片的對(duì)比向我們展示了這個(gè)效應(yīng)給我們生活帶來的巨大改變：一張圖片是占滿了整間屋子體積的電腦，另一張則是如今隨處可見的、手掌般大小的硬盤。巨磁電阻效應(yīng)的橫空出世，意味著我們可以很方便的利用很小的磁性變化，獲得一個(gè)巨大的電阻變化的相應(yīng)，直接就反映為電流信號(hào)的變化，因而通過巨磁電阻效應(yīng)，非常高效的將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這直接推動(dòng)了大容量、小型化的信息時(shí)代的巨大革命。正是如此，單位面積介質(zhì)存儲(chǔ)的信息量呈膨脹式地增長，徹底解放了我們的筆記本電腦、手機(jī)、硬盤、U盤一切與數(shù)據(jù)讀寫存儲(chǔ)有關(guān)的東西。1994年，IBM公司研發(fā)出第一款應(yīng)用巨磁電阻磁頭的硬盤，這一款硬盤徹徹底底地打破了從前小容量硬盤的現(xiàn)象，將磁盤記錄密度整整地提高了17倍；1997年，NVE公司最先推出了基于巨磁電阻效應(yīng)的半導(dǎo)體數(shù)字式傳感器，隨后IBM公司也推出了相關(guān)的讀出磁頭產(chǎn)品硬盤的容量從4GB大幅提升到600GB。要知道，這距離巨磁電阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，才剛剛過去了9年！隨后的幾年時(shí)間里面，各大公司紛紛推出了相關(guān)的電子產(chǎn)品，完全的開辟了信息時(shí)代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的新篇章！正是因?yàn)槿澜缙髽I(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)巨磁電阻效應(yīng)的研究頗為重視，因此巨磁電阻效應(yīng)不僅僅帶來的是信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，在電子設(shè)計(jì)這一方面它也起著毋庸置疑的推動(dòng)作用?，F(xiàn)如今，研發(fā)出了許多基于巨磁電阻效應(yīng)的新型器件，大家更為了解的有傳感器、耦合器等。巨磁電阻效應(yīng)傳感器是一類新的磁電阻傳感器，它比傳統(tǒng)的磁阻傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、可靠性好、無磁滯、測(cè)量范圍寬、抗惡劣環(huán)境好、體積小等優(yōu)點(diǎn)[1]。與此同時(shí)，人們普遍注重的花費(fèi)成本方面，巨磁電阻傳感器往往相較于其他普通的傳感器會(huì)更低。它可以測(cè)量的范圍也十分的廣泛，比如磁場(chǎng)、電流、角度和角速度、位移等物理量均可以利用它來進(jìn)行測(cè)量[2]。在種種的對(duì)比之下，巨磁電阻傳感器的優(yōu)勢(shì)也就更為突出了起來，因此它在高靈敏度微型磁傳感器領(lǐng)域中逐漸嶄露頭角，被市場(chǎng)廣為應(yīng)用。巨磁電阻傳感器作為傳感器產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要部分，得到了全球范圍內(nèi)大多數(shù)國家的重點(diǎn)關(guān)注，甚至是將這一產(chǎn)業(yè)作為國家的一個(gè)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，與此同時(shí)，我國也將其提升到國家戰(zhàn)略高度。巨磁電阻效應(yīng)的出現(xiàn)，在基礎(chǔ)理論方面引起了劃時(shí)代的發(fā)展。對(duì)于物理、材料科學(xué)等學(xué)科都起到了極大的推動(dòng)作用。隨著人們繼續(xù)對(duì)巨磁電阻效應(yīng)深入的研究，自旋電子學(xué)作為一門新興學(xué)科逐漸被廣泛接受并學(xué)習(xí)，這一門學(xué)科結(jié)合了磁學(xué)和微電子學(xué)這兩者的特點(diǎn)，使其在微電子世界中發(fā)揮著主導(dǎo)作用[3]。同時(shí)也相繼也帶動(dòng)了其他新的學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)如今，國內(nèi)外對(duì)于巨磁電阻效應(yīng)及其與之相關(guān)產(chǎn)品正在處于不斷地研究當(dāng)中，我國的專業(yè)人士對(duì)于巨磁阻多層膜、巨磁阻顆粒膜、磁膜隨機(jī)存儲(chǔ)器、薄膜磁頭等都進(jìn)行著細(xì)致的研究，并且取得的研究成果也十分的可觀，國外的研究人員也在不斷地對(duì)巨磁電阻材料以及傳感器進(jìn)行深入的研究，對(duì)目前有限的傳感技術(shù)在一些應(yīng)用范圍進(jìn)行不斷的研究突破。巨磁電阻效應(yīng)巨磁電阻效應(yīng)(GiantMagnetoresistance)是一種量子力學(xué)效應(yīng),是磁阻效應(yīng)的一種，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[4]。這種結(jié)構(gòu)物質(zhì)的電阻值與鐵磁性材料薄膜層的磁化方向有關(guān)，兩層磁性材料磁化方向相反情況下的電阻值，明顯大于磁化方向相同時(shí)的電阻值，電阻在很弱的外加磁場(chǎng)下具有很大的變化量[5]。1.1巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1988年，法國物理學(xué)家阿爾貝?費(fèi)爾(AlbertFert)在巴黎的研究所發(fā)現(xiàn)在鐵、鉻相間的多層膜電阻中，只需要微弱的磁場(chǎng)變化就可以導(dǎo)致電阻的急劇變化，且這個(gè)變化的幅度比一般情況下要高十幾倍，這種效應(yīng)被其命名為巨磁阻效應(yīng)(GiantMagnetoresistance)。巧的是就在此前的三個(gè)月，德國尤利希國家研究中心物理學(xué)家彼得?格林貝格爾(PeterGrünberg)團(tuán)隊(duì)也在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。并于2007年10月9日，科學(xué)界的最高盛典-瑞典皇家科學(xué)院因這兩位歐洲教授分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而將諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予給他們[6]。瑞典皇家科學(xué)院在評(píng)價(jià)這項(xiàng)成就時(shí)表示，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)主要獎(jiǎng)勵(lì)“用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項(xiàng)技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越小”。1.2巨磁電阻效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制所謂巨磁電阻（GiantMagnetoresistance）效應(yīng)，是指一類特殊人造磁性材料的電阻率隨外磁場(chǎng)的改變而發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象，此類人造磁性材料一般采用的是層狀結(jié)構(gòu)，圖1中展示的是一種最簡(jiǎn)單的可觀察到巨磁電阻效應(yīng)的此類材料。F11F11MMFF21圖1具有GMR效應(yīng)的人造材料圖中的材料是由三層薄膜構(gòu)成的，其中的F1和F2是由同種鐵磁材料（比如Fe、Co、Ni等）制成的薄膜，兩者是完全相同的，并且都被磁化了，中間的M則是非鐵磁質(zhì)金屬（比如Cr、Cu、Ag等）制成的薄膜。1.2.1電阻形成的微觀機(jī)制固體物理學(xué)告訴我們，在金屬中，一方面是擺脫各原子束縛從而在整個(gè)金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的共有化電子，另一方面是原子失去電子后形成的各原子實(shí)，它們?cè)诳臻g中排列成晶格。關(guān)于共有化電子的運(yùn)動(dòng)，理論上一般采用以下幾條近似設(shè)定:1)認(rèn)為共有化電子之間無相互作用；2)各共有化電子在運(yùn)動(dòng)過程中都頻繁地與原子實(shí)發(fā)生碰撞，而在相繼兩次碰撞的間隙，電子作的是勻速直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的電子相當(dāng)于沒有受到任何外力作用，是自由電子。由設(shè)定2)可知，僅當(dāng)電子與原子實(shí)碰撞時(shí)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)才會(huì)發(fā)生改變。由于這種碰撞非常頻繁，導(dǎo)致電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也在頻繁地發(fā)生改變，因此在足夠長的時(shí)間內(nèi)去看電子的運(yùn)動(dòng)，就可認(rèn)為它是無規(guī)則的。以上表明，設(shè)定2)與一般認(rèn)為的、共有化電子在金屬內(nèi)部作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)是一致的。共有化電子在相繼兩次碰撞之間所走過的距離被稱作為自由程，常用λ來表示。利用統(tǒng)計(jì)理論可以計(jì)算出電子的平均自由程，研究表明一般與電子在單位時(shí)間內(nèi)的碰撞次數(shù)成反比，即與電子的碰撞頻繁程度有下面的關(guān)系：碰撞越頻繁，則就越小。由于共有化電子作的是無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，朝各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的概率都相同，因此經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均之后即可發(fā)現(xiàn)，共有化電子的運(yùn)動(dòng)不會(huì)在金屬內(nèi)部形成宏觀的電流。但是若給金屬施加外部電場(chǎng)，則會(huì)導(dǎo)致與其它方向相比，共有化電子有更大的概率會(huì)沿著與電場(chǎng)相反的方向運(yùn)動(dòng)。這樣，統(tǒng)計(jì)平均之后即可發(fā)現(xiàn)，共有化電子在做逆著電場(chǎng)方向的定向運(yùn)動(dòng)，從而形成宏觀電流。需要強(qiáng)調(diào)的是，外場(chǎng)作用下出現(xiàn)的定向運(yùn)動(dòng)只是統(tǒng)計(jì)平均的結(jié)果。實(shí)際上在此運(yùn)動(dòng)中，共有化電子仍舊會(huì)與原子實(shí)發(fā)生頻繁的碰撞。每一次碰撞都會(huì)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，從而在一定程度上破壞電子的定向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電子在外場(chǎng)作用下的持續(xù)加速過程被打斷，進(jìn)而限制宏觀電流的強(qiáng)度。若從能量的角度來看，電子的每次碰撞，都會(huì)有一部分定向運(yùn)動(dòng)能量被轉(zhuǎn)化為原子實(shí)的運(yùn)動(dòng)能量，也就是晶格振動(dòng)能，從而導(dǎo)致金屬內(nèi)能增加。而電子的定向運(yùn)動(dòng)能量來自外部提供的電能，因此可有，存在外加電場(chǎng)時(shí)，因共有化電子與原子實(shí)之間的碰撞，導(dǎo)致外部提供的電能，除了有一部分被化作電子定向運(yùn)動(dòng)的能量形成電流之外，剩下的一部分則被轉(zhuǎn)化為金屬的內(nèi)能，使金屬溫度升高。由上述討論，再結(jié)合與電阻相關(guān)聯(lián)的能量上的轉(zhuǎn)化情況，即可得出結(jié)論，正是微觀上共有化電子與原子實(shí)之間的頻繁碰撞形成了宏觀上的電阻。并且，對(duì)于給定形狀的金屬物體，其內(nèi)部共有化電子與原子實(shí)之間的碰撞越頻繁，該物體的電阻就會(huì)越大。共有化電子與原子實(shí)之間的頻繁碰撞也常被說成，共有化電子受到了晶格的散射，或者進(jìn)一步簡(jiǎn)單地稱作為電子散射（electronscattering）。于是，共有化電子與原子實(shí)的碰撞越頻繁，也就等價(jià)為電子散射越強(qiáng)。而前面給出的結(jié)論也可分別等價(jià)地表述為：①金屬的電阻是由其內(nèi)部電子散射導(dǎo)致的；②電子散射是通過影響金屬電阻率來影響其電阻的；③電子散射越強(qiáng)，金屬的電阻率就越大，因此給定形狀大小的金屬導(dǎo)體的電阻也就越大。1.2.2鐵磁性金屬材料的電阻考慮已被磁化的一塊鐵磁性金屬材料，因?yàn)榱孔恿W(xué)理論中的空間量子化的緣故，其內(nèi)部共有化電子的自旋方向只能與其內(nèi)部的磁場(chǎng)方向平行（將此類電子簡(jiǎn)稱作自旋平行電子）或者反平行（將此類電子簡(jiǎn)稱作自旋反平行電子）。并且，如果將此材料接入到電路中，那么能流過此材料的外部導(dǎo)線中的電子也只能是自旋平行電子或自旋反平行電子，其它自旋方向的電子不能通過。自旋平行電子與自旋反平行電子在材料中的散射情況是不同的。自旋平行電子的散射要遠(yuǎn)弱于自旋反平行電子的。這意味著，對(duì)自旋平行電子而言，材料的電阻非常小，而對(duì)自旋反平行電子而言，材料的電阻很大。于是，串聯(lián)有磁化鐵磁性金屬材料的電路中，其電流主要是由自旋平行電子形成的。在圖2中，自旋方向與材料中磁場(chǎng)方向平行的“自旋平行電子”在經(jīng)過材料時(shí)受到的散射較弱，因此對(duì)此類電子而言，材料的電阻值較小，它們形成較強(qiáng)的電流。與之相反，“自旋反平行電子”的自旋方向與材料中的磁場(chǎng)方向是反平行的，導(dǎo)致此類電子在材料中受到很強(qiáng)的散射，因此對(duì)它們而言，材料的電阻非常大，從而所形成的電流也很弱。圖2兩類電子流經(jīng)磁化鐵磁性金屬材料的不同狀況1.2.3巨磁阻效應(yīng)成因的簡(jiǎn)單解釋現(xiàn)在考慮在圖2所示的電路中再串聯(lián)一個(gè)磁化鐵磁性金屬材料。此時(shí)，兩類電子在電路里面的流動(dòng)狀況可表示為下面的圖3：(a)兩材料中的磁場(chǎng)方向平行(b)兩材料中的磁場(chǎng)方向反平行圖3在兩塊磁化鐵磁性金屬材料串聯(lián)而成的電路中兩類電子流經(jīng)兩塊材料的狀況在圖3(a)中，兩塊材料中的磁場(chǎng)方向彼此平行，并皆與“自旋向上電子”的自旋方向平行，因此“自旋向上電子”在兩塊材料中受到的散射都較弱，即電阻值都較小，從而可以形成較強(qiáng)的電流。反之，“自旋向下電子”的自旋方向與兩塊材料中的磁場(chǎng)方向皆相反，因此該類電子在兩塊材料中所受到的散射都非常強(qiáng)，使得對(duì)它們而言，兩塊材料的電阻都很大，導(dǎo)致它們只能形成較弱的電流。在圖3(b)中，兩塊材料中的磁場(chǎng)方向彼此反平行。這會(huì)導(dǎo)致，無論是“自旋向上電子”，還是“自旋向下電子”都會(huì)在其中一塊材料內(nèi)部受到很強(qiáng)的散射。于是，對(duì)兩類電子而言，整個(gè)串聯(lián)電路的電阻值都非常大。因此，圖3(b)所示的情形下，電路中的電流是非常弱的。由以上對(duì)圖3的分析可知，若固定材料1中的磁場(chǎng)不變，那么我們可以通過人為調(diào)節(jié)材料2中的磁場(chǎng)方向來極大地改變整個(gè)串聯(lián)電路的電阻值。比如，先磁化材料2，使其內(nèi)部的磁場(chǎng)方向與材料1中的反平行（見圖3(b)），之后再人為將材料2中的磁場(chǎng)方向調(diào)節(jié)到反方向上，即使之與材料1中的磁場(chǎng)方向平行（見圖3(a)），那么我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)串聯(lián)電路的電阻值就會(huì)從原來的較大值改變?yōu)楝F(xiàn)在的較小值。當(dāng)然，由于“自旋向下電子”在材料1中的電阻值進(jìn)而在整個(gè)電路中的電阻值總是很大，因此上述的能夠通過改變材料2中磁場(chǎng)方向來改變的電阻只是對(duì)圖中的“自旋向上電子”而言的。在以上做法中，我們通過改變材料中磁場(chǎng)的方向來極大的改變了電路中的電阻值，這實(shí)際上也對(duì)巨磁電阻效應(yīng)的成因作了一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋。巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用2.1巨磁電阻效應(yīng)在信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用隨著時(shí)代的發(fā)展，信息的存儲(chǔ)對(duì)于人類社會(huì)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用，硬盤（HDD）就是在信息時(shí)代需要的驅(qū)使下所產(chǎn)生的一個(gè)技術(shù)產(chǎn)品，這種人造的信息存儲(chǔ)技術(shù)相較于人腦的存儲(chǔ)容量更大、也相較于普通的紙質(zhì)類存儲(chǔ)技術(shù)更為長久。硬盤是我們現(xiàn)在隨處可見的計(jì)算機(jī)中最主要的存儲(chǔ)設(shè)備，我們?cè)谟脖P中存儲(chǔ)著計(jì)算機(jī)內(nèi)的大部分軟件，而硬盤磁頭就是硬盤讀取數(shù)據(jù)不可或缺的一部分，磁頭的技術(shù)好壞直接影響到硬盤的存儲(chǔ)密度。巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為硬盤磁頭的升級(jí)起著極大的推動(dòng)作用，在減小硬盤體積的同時(shí)還大幅地提高了硬盤的存儲(chǔ)容量。美國物理研究所的發(fā)言人舍韋（P.Schewe）教授這樣贊譽(yù)巨磁電阻效應(yīng)的科學(xué)貢獻(xiàn)：“這是物理和實(shí)際應(yīng)用的一次極其完美的結(jié)合，我?guī)缀醪豢上胂笕魏我豁?xiàng)應(yīng)用能超過磁盤工業(yè)帶來的巨大沖擊，我們每個(gè)人都有三五個(gè)與此相關(guān)的產(chǎn)品?！盵7]2.1.1應(yīng)用于硬盤的緣由在體積巨大的計(jì)算機(jī)面前，人們開始思考縮小計(jì)算機(jī)體積的解決辦法，為了足夠的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量硬盤體積只能增大，這時(shí)候人們需要一個(gè)減小硬盤體積但不會(huì)減小硬盤存儲(chǔ)容量的方法。硬盤中的磁頭是通過磁場(chǎng)的變化來讀取數(shù)據(jù)，由于想要縮小硬盤的體積，這就必將會(huì)影響硬盤中所記錄的磁信號(hào)，硬盤中所記錄的磁信號(hào)會(huì)變得越來越微弱，這就要求必須這種微弱的磁信號(hào)仍然能被敏感地感受到并讀取出來。此時(shí)被發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻效應(yīng)恰好就滿足了這一個(gè)需求，非常弱小的磁信號(hào)變化就能導(dǎo)致巨大的電阻變化，這從客觀上便解決了需要減小體積但不影響存儲(chǔ)容量的難題，可巨磁電阻效應(yīng)帶來的益處不僅只是減小了硬盤的體積，他在減小體積的同時(shí)還能增大硬盤的存儲(chǔ)容量，人們便立即利用巨磁電阻效應(yīng)制造出新型磁頭，使越來越弱的磁信號(hào)也能被讀出來并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。正是如此，巨磁電阻效應(yīng)帶來了“大容量、小型化”的信息時(shí)代。2.1.2硬盤的工作原理計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)信息是通過磁介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。硬盤主要由若干個(gè)磁盤片和磁頭組成，每一個(gè)磁盤片都有一個(gè)磁頭與之相對(duì)應(yīng)。磁盤片是一個(gè)以主軸為軸心可以旋轉(zhuǎn)并且表面涂有磁介質(zhì)的圓形薄片，表面的這層磁介質(zhì)在顯微鏡的觀察下是數(shù)量眾多、體積很小的磁顆粒，若干個(gè)磁顆粒組成一個(gè)記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即“0”或“1”。在磁頭的作用下這些磁顆粒的極性會(huì)受到改變。磁頭實(shí)際上是一個(gè)被線圈纏繞的磁芯。當(dāng)磁頭固定且磁盤片繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁頭就會(huì)在磁盤片上劃出一個(gè)圓形軌跡，這個(gè)我們無法觀察到的圓形軌跡被稱之為磁道，磁道是用來存儲(chǔ)信息的，在同一個(gè)磁盤片上有著多個(gè)磁道，相鄰磁道間隔有一定的距離，并且每個(gè)磁盤片都有相同數(shù)量的磁道。磁盤片上的每一個(gè)磁道又被分為若干個(gè)弧段，每個(gè)弧段對(duì)應(yīng)的就是一個(gè)扇區(qū)，因此每個(gè)磁道又有多個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)是磁盤讀取和寫入數(shù)據(jù)的單位。硬盤在正常工作時(shí)，有寫入和讀取數(shù)據(jù)兩種功能，但這兩種功能是完全不同的操作，因此在硬盤中采用兩種不同的磁頭來兼顧這不同的功能。對(duì)于寫入數(shù)據(jù)，我們采用磁感應(yīng)磁頭，它可以通過改變磁盤片上的磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)這一功能，對(duì)于讀取數(shù)據(jù)采用的是磁阻磁頭，通過感應(yīng)旋轉(zhuǎn)的磁盤片上磁場(chǎng)的變化實(shí)現(xiàn)這一功能。由于巨磁阻磁頭相較于磁阻磁頭性能更佳，我們借助巨磁電阻效應(yīng)制造更靈敏的讀出磁頭，其能夠清晰讀出較弱的磁信號(hào)，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。2.1.3傳統(tǒng)磁頭與巨磁電阻磁頭的比較由于人們對(duì)硬盤容量的需求越來越大，為了提高硬盤存儲(chǔ)的容量，巨磁電阻磁頭應(yīng)運(yùn)而生。在巨磁電阻磁頭之前，磁頭技術(shù)還經(jīng)歷了3個(gè)重要的發(fā)展階段：薄膜感應(yīng)(TFI)磁頭、磁阻(MR)磁頭、各向異性磁阻(AMR)磁頭。薄膜感應(yīng)(TFI)磁頭是最早應(yīng)用于硬盤的磁頭，也是硬盤中可以實(shí)現(xiàn)寫入和讀取二合一的磁頭，正因?yàn)樗瑫r(shí)兼顧兩種功能，這也同時(shí)成為了這種磁頭無法繼續(xù)發(fā)展下去的原因，當(dāng)它提高感受磁信號(hào)變化的能力時(shí)，改變磁場(chǎng)的能力就減弱了。換而言之，使用薄膜感應(yīng)磁頭時(shí)，提高其讀取能力，寫入能力就會(huì)減弱[8]。因?yàn)橛脖P的容量就會(huì)一直無法得到提升，所以這種磁頭逐漸淡入硬盤的應(yīng)用中。磁阻(MR)磁頭是在薄膜感應(yīng)磁頭的局限性下所設(shè)計(jì)的一款只用于讀取數(shù)據(jù)的磁頭。磁阻磁頭相當(dāng)于當(dāng)今眾多磁頭的鼻祖，它是通過電阻的變化來感應(yīng)信號(hào)幅度，而不是通過感受電流的變化，正式這一個(gè)小小的改變使得磁阻磁頭對(duì)信號(hào)感受更加敏銳，同時(shí)也使得它獲取磁信號(hào)的準(zhǔn)確性得到提高。薄膜感應(yīng)磁頭讀取數(shù)據(jù)要求磁道密度不能太大[9]。但磁阻磁頭讀取數(shù)據(jù)就不受磁道寬度的限制，因此可以通過磁道寬度的減小來提高磁道密度，從而使的磁盤面的密度增加以提高硬盤的容量。各向異性磁阻(AMR)磁頭是在磁阻磁頭的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一款磁盤面密度更大的磁頭，并且它的使用還可以減少其他元器件的數(shù)量。各向異性磁阻磁頭的工作原理是通過感受磁場(chǎng)的變化來影響自己電阻的變化，但是它的電阻變化量存在有限度，因此雖然它在硬盤中的應(yīng)用可以相較于磁阻磁頭而言能提高靈敏度，但還是存在有極限。巨磁電阻(GMR)磁頭基于巨磁電阻反應(yīng)的特性，在與以上三種磁頭感受相同的磁場(chǎng)變化是，它可以引起更大的電阻變化，巨磁電阻磁頭更好的材料和多層薄膜結(jié)構(gòu)，因此相較于其他三種磁頭，他的靈敏度更高、存儲(chǔ)密度更大。對(duì)于普通薄膜磁電阻而言，磁頭磁電阻變化的磁場(chǎng)靈敏度最大約為0.4%/Oe；對(duì)于巨磁而言，磁場(chǎng)靈敏度度可達(dá)1％-8％/Oe[10]。因此巨磁電阻磁頭在被制造出來后受到世界范圍內(nèi)的廣泛使用。2.1.4巨磁電阻技術(shù)在硬盤應(yīng)用上的發(fā)展歷程巨磁電阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，就受到了專家們的青睞，在硬盤應(yīng)用方面取得了十分可觀的成果。在巨磁電阻磁頭出現(xiàn)之前，1956年世界上第一臺(tái)磁盤存儲(chǔ)容量只有僅僅5MB；1991年，使用磁阻磁頭的硬盤容量提升為1GB，首次踏入容量的GB數(shù)量級(jí)；1994年，IBM公司研發(fā)出第一款應(yīng)用巨磁電阻磁頭的硬盤，這一款硬盤徹徹底底地打破了從前小容量硬盤的現(xiàn)象，將磁盤記錄密度整整地提高了17倍，這對(duì)于當(dāng)時(shí)而言，是一個(gè)存儲(chǔ)容量上的巨大突破；隨之而來的1995年，磁盤記錄密度為3GB/in2的巨磁電阻磁頭被研發(fā)出來，這一磁頭的降世創(chuàng)下了世界紀(jì)錄；1997年，硬盤的容量從4GB大幅提升到600GB；2005年，磁性隧道結(jié)讀頭型硬盤上市，這是基于巨磁電阻效應(yīng)的另一種硬盤產(chǎn)品，這個(gè)產(chǎn)品又繼續(xù)將硬盤的存儲(chǔ)密度進(jìn)行；2007年9月，這種磁性隧道結(jié)讀頭型硬盤達(dá)到了1TB的容量。正是基于巨磁電阻效應(yīng)的被發(fā)現(xiàn)，硬盤的容量才能有如此之大的提升，只要在巨磁阻效應(yīng)能起作用的范圍之內(nèi)，未來能繼續(xù)縮小硬盤體積，提高硬盤容量。2.2巨磁電阻傳感器的應(yīng)用基于巨磁電阻效應(yīng)所研究出來的產(chǎn)品并不僅僅應(yīng)用于信息存儲(chǔ)上，隨著大家對(duì)它關(guān)注度的不斷增加，在國內(nèi)外專業(yè)人士的深入研究后，它逐漸以另外一種表現(xiàn)形式——傳感器活躍在公眾的視野之中。傳感器實(shí)際上就是一種可以檢測(cè)被測(cè)量信息的裝置或器件，并且當(dāng)它檢測(cè)到信息后，可以按照一定的規(guī)律將這個(gè)信息轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兯枰钠渌问叫畔⒉⑤敵觥Ｓ捎谖覀內(nèi)祟惖母泄俨⒉荒塬@得世界上所有的信息，為了獲取這些我們想要探索的信息，我們必須通過傳感器的協(xié)助，它能使人們獲得準(zhǔn)確的信息來進(jìn)行其他有創(chuàng)造性的活動(dòng).毫不夸張地說，傳感器可以應(yīng)用于每一個(gè)現(xiàn)代化的項(xiàng)目，人類現(xiàn)在的科技發(fā)展離不開傳感器。[11-13]傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源四部分組成，其中敏感元件直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量有確定關(guān)系的物理量信號(hào)，基于巨磁電阻效應(yīng)所制作出來的傳感器，其敏感元件是巨磁電阻。顧名思義，基于巨磁電阻效應(yīng)所制成的傳感器是屬于磁敏傳感器中的一種，磁敏傳感器主要有霍爾傳感器、磁阻傳感器等，但巨磁電阻傳感器在日益增長的產(chǎn)品需求上有著更加良好的發(fā)展空間。巨磁電阻傳感器具有靈敏度高、體積小、探測(cè)范圍寬、熱穩(wěn)定性好、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[1]。它可以測(cè)量的范圍很廣，比如磁場(chǎng)、電流、角度和角速度、位移等物理量均可以利用它來進(jìn)行測(cè)量[2]。進(jìn)而廣泛應(yīng)用在電子電力、能源管理、汽車、工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。2.2.1巨磁電阻傳感器測(cè)磁場(chǎng)巨磁電阻傳感器主要用來檢測(cè)弱磁場(chǎng)的存在、強(qiáng)弱、方向和變化等[14]。巨磁電阻效應(yīng)傳感器可以在很大范圍內(nèi)測(cè)量或傳感磁場(chǎng)強(qiáng)度，它可以測(cè)量的磁場(chǎng)范圍為(10-8-108)×(103/4π)A/m，并且靈敏度高達(dá)100Mv/[V×(103/4π)A/m[15]。巨磁電阻傳感器測(cè)磁場(chǎng)的應(yīng)用最早是在讀出磁頭上實(shí)現(xiàn)的，對(duì)推動(dòng)“大容量、小型化”的信息時(shí)代起著不容忽視的作用。巨磁電阻磁場(chǎng)傳感器測(cè)磁場(chǎng)可以應(yīng)用于交通監(jiān)控系統(tǒng)。地磁場(chǎng)包括基本磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)兩個(gè)部分，源于地球的外部是變化磁場(chǎng)，會(huì)由于地球上各種因素存在有各種短期的變化，其中鐵磁性材料對(duì)其有一定的影響。我們生活中常見的各種車輛就是主要是由鐵磁性材料制造而成的，因此車輛會(huì)引起地磁場(chǎng)的變化。巨磁電阻磁場(chǎng)傳感器能用于導(dǎo)航，將探測(cè)磁場(chǎng)x和y方向分量的巨磁電阻傳感器安裝在車輛中，車輛瞬間航向與地球北極的夾角可通過巨磁電阻傳感器的x和y方向的電壓相對(duì)改變而確定下來，根據(jù)其變化情況即可確定出交通工具的方位[15]?？梢詫?shí)現(xiàn)停車檢測(cè)，當(dāng)車輛駛?cè)胪＼囄粫r(shí)，傳感器便可以感應(yīng)到由于車輛致使的磁場(chǎng)變化，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌男畔⑤敵?，如可以檢測(cè)停車位上是否有車輛，如在停車場(chǎng)中，傳感器就能輸出信號(hào)得到車輛的停車時(shí)間，從而有利于停車費(fèi)的計(jì)算。雖然紅外線、超聲波等也可檢測(cè)到，但紅外線會(huì)因?yàn)槭艿秸趽醵挥绊憽⒊暡〞?huì)因?yàn)槭艿剿?、冰等因素被影響，因此巨磁電阻磁?chǎng)傳感器相較于紅外線和超聲波有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛地應(yīng)用在各種路面或室內(nèi)。在交通方面巨磁電阻傳感器還有其他很多的應(yīng)用，這些應(yīng)用有效地幫助了每一個(gè)城市解決交通狀況惡化的問題巨磁電阻磁場(chǎng)傳感器借助具有高靈敏度和探測(cè)弱磁場(chǎng)的顯著優(yōu)勢(shì)，在軍事工業(yè)、航空航天、衛(wèi)星技術(shù)、探測(cè)礦藏等諸多方面都做出了重大貢獻(xiàn)。2.2.2巨磁電阻傳感器測(cè)電流由于電流的磁效應(yīng)，因此利用巨磁電阻傳感器測(cè)量電流時(shí)，其原理和磁場(chǎng)傳感器大致相同。當(dāng)導(dǎo)線通上電后，其周圍的空間就會(huì)形成一圈一圈的磁場(chǎng)，并且產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與通過導(dǎo)線的電流大小成正比，因此當(dāng)電流出現(xiàn)微弱變化時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)相應(yīng)會(huì)有改變，巨磁電阻傳感器就能清晰地感知到磁信息來讀取磁場(chǎng)，再將讀出的信號(hào)通過一定的變換讓人們得到電流的數(shù)值，從而達(dá)到巨磁電阻傳感器測(cè)量電流的目的。電流傳感器則能夠?qū)崿F(xiàn)0-10000A量程的測(cè)量，響應(yīng)頻率為lMHz[15]。利用巨磁電阻效應(yīng)制成的電流傳感器靈敏度高，由于并不需要將測(cè)量儀器接入到電路中，因此對(duì)原本的電路工作不會(huì)造成干擾，且可測(cè)直流和交流兩種，電流傳感器可以用在家用電器、智能電網(wǎng)、電動(dòng)車、風(fēng)力發(fā)電等等?；诰薮烹娮栊?yīng)制出的電流傳感器得到普及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電流信息的全面感知，進(jìn)而構(gòu)建電網(wǎng)“神經(jīng)系統(tǒng)”，為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)透明化奠定基礎(chǔ)。2.2.3巨磁電阻傳感器測(cè)角度和角速度巨磁電阻傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)，我們將巨磁電阻傳感器固定在被測(cè)物體的旁邊，并且要控制好兩者之間的相隔距離，在被測(cè)物體上同時(shí)也固定一塊磁鐵，由于磁鐵本身周圍會(huì)存在磁場(chǎng)，因此在被測(cè)物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁鐵也會(huì)相應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)，周圍的磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的位置和大小變化，此時(shí)被固定的巨磁電阻傳感器就會(huì)讀取到磁信號(hào)，當(dāng)被測(cè)物理轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)候，巨磁電阻傳感器將識(shí)別到的信號(hào)通過一定的變換產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖輸出，從而達(dá)到巨磁電阻傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度的目的。利用集成技術(shù)已研制出專用來測(cè)量角速度即轉(zhuǎn)速的數(shù)字式自旋閥巨磁電阻傳感器可探測(cè)各種情況下的角速度。探測(cè)角速度的重要性在于能夠保證物體有一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，因此就需要利用巨磁傳感器來測(cè)量角速度，通過一個(gè)立刻的反饋來控制得到一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。這一類的測(cè)量角度和角速度的巨磁電阻傳感器可以應(yīng)用在汽車剎車系統(tǒng)、洗衣機(jī)行業(yè)、電機(jī)馬達(dá)行業(yè)等。2.2.4巨磁電阻傳感器測(cè)位移巨磁電阻傳感器測(cè)量位移時(shí)一般有兩種解決方式。一種是將永磁體固定，使巨磁電阻傳感器在它上方一定距離的直線范圍內(nèi)滑動(dòng)，另一種則是將巨磁電阻傳感器固定在一個(gè)位置，使永磁體移動(dòng)。無論是哪一種方式，我們以永磁體為一個(gè)參照物，那么傳感器就相當(dāng)于在均勻梯度的磁場(chǎng)中移動(dòng)，此時(shí)巨磁電阻傳感器輸出得到相應(yīng)的位移量。這種測(cè)量位移的傳感器應(yīng)用也十分的廣泛，如探測(cè)活塞在氣缸的運(yùn)動(dòng)情況、機(jī)械加工切割的精度、電梯的升降系統(tǒng)等。值得一提的是，這種傳感器已成功運(yùn)用在機(jī)器人及機(jī)械手的控制系統(tǒng)，并使其智能化和拿取、放置物體，另外也使