实验 巨磁阻抗效应
巨磁阻抗效应，简称GMI（Giant magneto‐impedance），是指某些材料在通以一定频率的交变电流时，其交流阻抗随外加轴向磁场迅速变化的现象，常见的这种材料为Co基非晶丝等。这种效应具有快速响应，温度稳定，无磁滞现象等特点，在高灵敏度新型传感器、磁记录头、电磁参数测量等方面具有应用前景，正成为近来凝聚态物理研究领域的一个热点。本实验对Co基非晶丝的GMI基本特性作初步地了解和研究。
巨磁阻抗实验装置图
【实验目的】
1．了解和研究铁磁性材料的GMI效应的规律和特点；
2．深入理解磁畴、磁化、趋肤效应、阻抗等物理意义；
3．学会使用高频信号发生器、模拟信号示波器、电磁铁、高斯计等实验设备。
【实验原理】
1．基本物理概念
交流阻抗
在交流电路中，电压、电流之间存在量值（峰值或有效值）大小的关系，还有相位关系。某一元件上电压电流二者峰值之比（等于有效值之比）叫做该元件的交流阻抗，用Z表示：
趋肤效应
在直流电路中，均匀导线截面上的电流密度是均匀的。但在交流电路里，随着频率的增加，在导线截面上的电流分布愈来愈向导线表面集中。这种现象叫做趋肤效应（skin effect ）。趋肤效应使导线的有效截面减少了，从而使它的等效电阻增加。趋肤效应的强弱可以用趋肤深度表示：
⑴ 式中,是射频电流角频率,是导体的电导率，是材料的磁导率。是指：在导体内距表面处，振幅衰减到表面处振幅的
。 磁畴
在没有外场的情况下，铁磁质中的电子自旋磁矩可以在小范围内“自发地”排列起来，形成一个个小的“自发磁化区”。这种自发磁化区被称作磁畴。通常在未磁化的铁磁质中，各磁畴自发磁化方向不同，不显示出宏观上的磁性。当外磁场不断加大时，磁畴发生畴壁移动和磁畴转动，磁化方向渐渐以不同程度趋向磁化场的方向，介质就显示出宏观的磁性。
2．GMI 效应的物理机理
对于铁磁材料，磁导率不但与频率ω、磁场强度有关，而且还与其它参数有关，如机械形变、温度等。GMI 效应的起源主要就在于软磁材料的磁导率与外加磁场密切相关。
在适当成分下，FeCoSiB 非晶软磁丝具有良好的软磁特性。磁致伸缩系数趋近于零(～10 ‐ 7) ，因为负的磁致伸缩导致切向各向异性，从而使磁畴结构沿着丝呈环形排列。而当非晶丝中通过轴向交变电流时，将在圆周方向产生一个交变磁场，（如图1），该方向恰与磁畴排列方向相同，于是磁畴在此方向上产生环形磁化。而外加的轴向磁场与磁畴排列方向垂直，将阻止磁畴在圆周方向磁化，称作难轴场。所以，当外磁场从零开始增加时，切向磁导率随之急剧减小，这就是巨磁阻抗效应产生的主要原因。 在公式⑴中，磁导率实际上是频率的函数：当频率升高时，趋肤效应增强，这有利于磁阻抗效应，但另一方面，频率升高会使有效磁导率下降，这使有效磁导率受外磁场的影响减小，这又不利于磁阻抗效应。这两个因素互相竞争，导致在不同频率下出现各种不同的GMI 效应，即阻抗在各种不同频率下随外磁场增大而改变的形式有所不同：若阻抗最终小于零磁场下的阻抗，这种现象被称作负GMI
效应，反之为正GMI 效应。
3．测量原理
实验设备框图如图2。实验中，
采用
图1 软磁非晶材料磁化示意图
图3 Co基非晶丝Z‐f曲线
(a) 负GMI效应 (b)正GMI效应
图4 Co基非晶丝GMI‐B曲线
四端法测量电阻，消除接触电阻带来的误差。其中R为取样电阻，非晶丝阻抗Z的值以定值电阻R的大小为参照。样品非晶丝的长度约为２cm。
使用高频信号发生器作为驱动电源；存储示波器读取非晶丝及电阻R两端的交流电压振幅；用直流恒流电源以及换向开关控制电磁铁磁场的大小及方向，最大磁场强度控制在150mT；使用特斯拉计测量磁场强度。
定义
利用：
故，其中与为在添加样品轴向磁场的情况下测
得的电压值，而与是在外磁场为零的情况下测得的。
以上定义方式将对于阻抗的测量转化为对于交流电压振幅的测量。
4．GMI效应的规律
正如上文所述，非晶丝阻抗会
随着驱动电压的频率的变化而变
化。（图3）由于软磁材料对于外
界调节非常敏感，温度、机械应力、
磁化过程等都会对非晶丝内在磁
畴结构造成影响，所以不同样品间
的Z-f曲线一定存在差异。
阻抗还将随外磁场的变化发
生急剧变化。如图4。非晶丝阻抗
在磁场很小的情况下即发生剧烈
变化，在某些频率下为正GMI效应，某些频率下为负GMI效应。在某些频率下，还将观察到阻抗在磁场很小时先稍稍增加后急剧降低的现象。
测量不同信号幅度下的Z-f曲线，可以发现各条曲线差异较小，证明GMI效应与交流电压振幅关系不大。
【实验仪器】
高频信号发生器，模拟信号示波器，恒流电源，电磁铁，高斯计，定值电阻等。
1．高频信号发生器可控制输出波形、振幅、频率等。振幅范围为0～3V，频率输出上限50MHz。
2．模拟信号示波器：自动读取交流电压峰‐峰值（可取均值）。
3．高斯计：测量磁场强度，精度0.1mT。
4．恒流源：控制电磁铁产生磁场强度及方向。
【实验内容】
1．连续改变频率，测量记录Co基非晶丝与取样电阻两端电压，计算出不同频率下阻抗Z的大小，绘制Z‐f曲线。分别在外磁场为零与外磁场较大情况下测量。注意取
点疏密适中。F变化范围为1MHz到50MHz。
2．选取几个固定频率，连续变化磁场强度，测量记录Co基非晶丝与取样电阻两端电压，根据GMI的定义计算，并绘制GMI‐B曲线。观察各个频率下不同的变化规律。
注意取点疏密适中，B大小较小时应多取数据点，B很大时可取点较为稀疏。
*3. 改变电压振幅，再次测量Z‐f曲线，比较不同电压下的Z‐f曲线的形状、峰值。
【注意事项】
1．Co基非晶丝样品应轻拿轻放，避免弯折拉伸等机械形变。实验中不得碰触、移动探头和样品夹具。夹具使用前打磨弹簧铜片，去除氧化层。
2．正式实验前可对样品反复沿轴向磁化、退磁，即将磁场依次调整为正向最大、零磁场、反向最大、零磁场，以使非晶丝磁畴磁化更为稳定。
3．高斯计探头平面应尽量垂直于磁场方向。高斯计探头应轻拿轻放，避免弯折、冲击。
4．电磁铁磁场不应取得太大，一般在100mT曲线早已趋于稳定，场强不超过150mT。
5．电磁铁在产生较大磁场后会有剩磁，此时反向增大磁场可抵消剩磁的影响，从而获得零磁场。
【思考题】
当Co基非晶丝通以交变电流时，样品电阻上存在分压、样品两端产生感生电动势、示波器上测得了电压振幅，试具体分析此三者的关系。
【参考资料】
[1]赵凯华，陈熙谋，电磁学（第二版），北京，高等教育出版社，2003
[2]钟智勇，张怀武，刘颖力，王豪才，巨磁阻抗效应研究的最近进展，功能材料，2001，
32 (1)：16
[3]董延峰，王治，丁燕红，巨磁阻抗效应及其应用，天津理工学院学报，2002，Vol.118，
No.14：74-75
[4]刘宜华，磁电子学讲座，第一讲新一类磁传感效应——巨磁阻抗效应，物理，1997，
Vol.7，No.26：437-439
[5]吴厚政，马正元，兰建胜，张林，萧淑琴，代由勇，刘宜华，钴基非晶软磁合金薄
带的磁特性和巨磁阻抗效应，青岛大学学报，2000，Vol.13，NO.3：63
【附录】
1．信号发生器使用方法
开机后按任意键进入工作界面。
选择波形：按“波形”键，用数码旋钮选择波形。供选波形有：正弦波、方波、指数形波形等，实验中选择正弦波。
调整频率：按“频率”键，用数码旋钮调节，顺时针增加，逆时针减少，数位闪烁位置数值发生改变。用“左”“右”方向键移动闪烁位置。单位部分闪烁时，也可转动旋钮，使数值乘以或除以10。单位有：MHz, KHz, Hz, mHz。
电压振幅：操作方法同“频率”。单位有V, mV。注意读出的数值要除以探头的放大倍数方能得到正确的幅度数值
示波器使用方法
2．
附图１ 示波器面板图
CH1与CH2为电压采集接口。
使用AUTOSET自动搜索合适的频率。
按下ACQUIRE，用显示区右侧多功能菜单选择采样方式：有采样，平均4次，平均16次，平均64次等。实验中可选择平均16次。
按下MEASURE，用显示区右侧多功能菜单选择测量项目：频率、峰－峰值等。多功能菜单第一个按钮控制切换“频道”，或切换所需采集的项目，配合其余按键调整需要采集的量。实验中采集频率，CH1与CH2的电压峰－峰值。
CH1(CH2)：用VOLTS/DIV调整放大倍数、用POSITION调整垂直位置。
CH1(CH2) MENU显示或隐藏该频道。
HORIZONAL：扫描速度、水平位置调整。
3．可编程恒流电源使用方法
使用OVP设置电压上限：1.5V。可用数字按钮直接输入，按ENTER确认。
用OUTPUT键输出电流或停止输出电流。
用S.V.C在“步骤”“电压”“电流”间切换，当光标位置移动到电压处时，用DISPLAY 和CURSOR 向左或右调整光标所在的数位，用旋钮调整光标上数字大小，也可直接输入数字，按ENTER确认。
使用CLEAR清除输错的数据。
若电压过大警报声响起，按RESET取消电源保护状态，重新启动正常工作模式。
4．高斯计使用方法
选择合适的量程，使用前需调零。高斯计探头平面应尽量垂直于磁场方向。高斯计探头应轻拿轻放，避免弯折、冲击。
GMI Sensor Principle & Application 巨磁阻抗传感器 的原理及应用介绍 新.磁.（上.海）.电.子.有.限.公.司 2013.12 By Tony sensors-ic at qq com 邮.件. sensors ic at https://www.doczj.com/doc/e27702120.html,
GMI Sensor 巨磁阻抗传感器简介 巨磁阻抗效应（GiantMagneto ‐Impedance effects, GMI ）是 指软磁材料的交流阻抗随外加磁场的改变而发生显著变化 的现象，产生GMI 效应的主要原因是高频电流的趋肤效应。 GMI 磁传感器采用交流驱动,具有灵敏度高、饱和磁场低、 响应快和稳定性好等优点。利用GMI 非晶丝材料可设计成高 灵敏度的磁场传感器，用于微弱磁场、电流、位置、生物 在地磁场测量地磁匹配导航及 分子浓度等物理量的检测,在地磁场测量、地磁匹配导航及多种弱磁传感器中有着广泛的应用，具有很大的应用前景 和研究价值。
传感器基础材料—非晶丝 The MI Sensor makes use of the Giant Magneto‐ amorphous metal wire. Impedance effect of magnetic
GMI传感器材料——GMI效应 材料的GMI效应可以用样品阻抗Z随外加磁场Hex变化的Z‐Hex曲线来表征，但这样的曲线不能明确反映出磁阻抗效曲线来表征但样的曲线不能明确反映出磁阻抗效 应的强弱程度。特别是由于样品的测量长度无法严格控制不同样品的无法相较因可选用阻抗的制，不同样品的Z‐Hex无法相互比较，因此可选用 相对变化值随外加磁场的变化曲线来表征，用没有外加磁场时的样品阻抗Z0作为“阻抗的相对变化量”的变化场时的样阻抗作为阻抗的相对变化的变化 基准，即DZ/Z0=(Z‐Z0)/Z0，其变化率与样品本身的长度无关因为测量电流的频率不高，测量导线的发射并不严关。因为测量电流的频率不高，测量导线的发射并不严 重，因此采用四点法进行测量。
文章编号:1004-2261(2002)04-074-03 巨磁阻抗效应及其应用 董延峰,王 治,丁燕红 (天津理工学院 材料物理所,天津300191) 摘要:近年来在FeCoSiB等非晶和纳米晶丝带中发现了巨磁阻抗效应,由于其灵敏度高,因而在磁传感器技术中有巨大的应用前景,受到国内外专家的广泛关注.本文简单介绍了巨磁阻抗效应的原理,并结合近年来具有巨磁阻抗效应的非晶和纳米晶铁磁合金的应用研究进展情况,提出了巨磁阻抗效应可能广泛应用的领域. 关键词:非晶;纳米晶;铁磁合金;巨磁阻抗效应 中图分类号:TM27 文献标识码:A Giant magneto-impedance effects and their applications DONG Y an-feng,WANG Zhi,DING Yan-hong (Institute of M aterial Physics,Tianjin Institute of Technology,Tianjin300191,China) A bstract:Giant magneto-im pedance effects have been discovered in FeCoSi B amorphous and nanocrystalline w ires.These effects have giant sensitivity.Close attention has paid to it by schol-ars in lots of countries,since their g reat promising prospects in the application of sensor technolo-gy.In this article,the sources of giant magneto-im pendance effects are introduced briefly.And research developments of the effects and their applications in amo rphous and nanocrystalline soft magnetic alloy in recent years are summaried.The future applications are also described. Key words:amorphous;nanocrystalline;Fe-based mag netic alloy;giant mag neto-impedance 1 GM I效应 1992年,日本名古屋大学毛利佳年雄教授等人首先报道了在非晶磁性材料中发现其交流磁阻抗随外加磁场而变化的现象,这种现象非常灵敏[1～2].非晶丝的灵敏度达12%～120%/Oe[3],因此将此现象称为巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance,GMI)效应.在室温下显著的磁阻抗效应和低外磁场下的高灵敏度,使这种效应在传感器技术和磁记录技术中具有巨大的应用潜能.接着美国波士顿大学教授Humphre y F B、瑞典皇家工学院Rao K V、日本Uniti-ka ltd公司在1994年的“MMM-INTERMAG联合会”和“快淬非晶磁性丝及应用研讨会”上均作了专题报告,对GMI效应的产生机制作了深入系统的分析研究,就实验数据作了理论解释. 毛利等人的研究成果表明,在适当成分下, FeCoSiB非晶软磁丝具有良好的软磁特性.磁致伸缩系数趋近于零(～10-7),因为负的磁致伸缩导致切向各向异性,从而使磁畴结构沿着丝呈环形畴排列,如图1所示.通过丝的电流产生了一个易轴场,该场使畴壁移动产生环形磁化.外加纵向场H ex相对于环形磁化来讲是一个难轴场.会阻止环形磁通的变化.结果当H ex=0时,切向磁导率较大(～104),当H ex增加,切向磁导率随外磁场急剧减小,切向磁导率随外场灵敏度变化是巨磁阻抗效应产生的主要原因. 第18卷第4期2002年12月 天 津 理 工 学 院 学 报 JOURNAL OF TIANJIN INSTITUTE OF TECHN OLOGY Vol.18No.4 Dec.2002 收稿日期:2002-09-08 基金项目:天津市自然科学基金资助项目(003603111);天津市“材料物理与化学”重点学科资助项目第一作者:董延峰(1976-),男,硕士研究生
第24卷第2期 2011年2月 传感技术学报 CH I N ESE JOURNAL OF SE N S ORS AND ACT UATORS Vo.l 24 No .2 Feb .2011 项目来源:国家863计划项目(2007AA 12Z327)收稿日期:2010-08-09 修改日期:2010-11-02 Design ofM agnetic Sensor Based on t he Asy mm etric Giant M agneto impedance Effect i n A m orphous A lloys * JIANG Yan w ei 1,2 ,FANG J iancheng 1* ,WANG Sansheng 1 ,H U AN G Xuegong 3 1.L aboratory of Func ti on M a te rials and Device ,K e y La boratory of F undam ental S cie n ce forN a ti ona lD e fe n se ofN ov el Inerti a l Inst rumen t and Nav i ga tion Syste m Technol ogy,B eihang Un i versit y,B eiji ng 100191,Ch i na;2.In stit u t e of Che m ic a lD e fe n se ,B eiji ng 102205,China; 3.S c h ool of M ec han i ca lE ng i n ee ring,N anji ng Un i v e rsit y of Science and Technol ogy,Nanjing 210094,Ch i na Abst ract :The softm agnetic properties o fCoFe N i S i B a m orphous all o y r i b bon as sensi n g m ateria lw ere m easured and analyzed .By the fi e l d annealing heat treat m ent i n air ,a good asy mm etric g iant m agneto i m pedance effect(AG M I)has been obta i n ed .A sensitive AGM I m agnetic sensor w as deve loped utilizing the fie l d annealed a m or phous ri b bon as sensi n g ele m en,t and the perfor m ance o f the sensor w as tested i n open loop and closed loop cond itions .The re su lts i n dicate that the sensor show s a better sensitiv ity in t h e open loop testing ,and a better li n earity and larger m easure m ent range in the c l o sed loop testing .The desi g ned sensor can be app li e d to detect the geo m agneti c fie l d s ,w hich have good potential app lication i n geo m agnetic nav i g ation . K ey w ords :m agnetic sensor ;asy mm e tric g i a nt m agneto i m pedance effect(AGM I);a m orphous alloys ;field annea li n g ;negative feedback EEACC :7230;3110 do:i 10.3969/j .issn .1004-1699.2011.02.004 基于非晶合金非对称巨磁阻抗效应的磁传感器设计 * 蒋颜玮1,2 ,房建成1* ,王三胜1 ,黄学功 3 1.北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室,功能材料与器件研究室,北京100191; 2.防化研究院,北京102205; 3.南京理工大学机械工程学院,南京210094 摘 要:以CoF e N i S i B 非晶合金薄带为敏感材料,测试分析了其软磁性能,经空气中磁场退火热处理,获得了较好的非对称巨 磁阻抗效应(AGM I)。以磁场退火处理后的非晶合金薄带为敏感元件,设计了AGM I 磁传感器,并对其性能进行了开环和闭环测试。测试结果表明,开环条件下该传感器表现出较高的灵敏度;闭环条件下则表现出更好的线性度和更宽的测量范围。该传感器可实现对地磁场的检测,在地磁导航领域中具有较好的应用前景。 关键词:磁传感器;非对称巨磁阻抗效应(AGM I);非晶合金;磁场退火;负反馈 中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2011)02-0175-05 近来,软磁非晶合金在磁传感器领域的潜在应用引起了人们的广泛兴趣 [1] 。特别是在地磁导航应用中,需要一种高灵敏度和快速响应的磁传感器[2-3]。在各种磁传感器中最常见的磁通门传感器具有较高的灵敏度和较低的噪声,然而体积大、功耗高和响应速度慢的缺点限制了其在地磁导航中的应用。其它类型的磁传感器,例如霍尔传感器、巨磁阻 (GMR)传感器等,存在着热稳定性不高、灵敏度低的不足,而且通常需要较强的偏置场 [4] 。因此,研 制可用于地磁导航的高性能的新型磁传感器有着十 分重要的意义。 1994年,一种被称为巨磁阻抗效应(GM I)的磁现象在Co 基非晶合金丝材中被人们发现[5] ,即非晶丝在交变电流激发下,其阻抗值随沿丝轴方向施
［讲解］巨磁阻效应的原理及应用 巨磁阻效应的原理及应用 物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为磁阻效应。磁性金属和合金材料一般都有这种现象。一般情况下，物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化，在某种条件下，电阻减小的幅度相当大，比通常情况下约高十余倍，称为巨磁阻效应（GMR）。 要说这种效应的原理，不得不说一下电子轨道及自旋。种角动量在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。表征其性质的量子数是主量子数n、角量子数1、自旋量子数s,l,2,和总角动量量子数j。主量子数5二1, 2, 3, 4…）会视电子与原子核间的距离（即半径座标"而定。平均距离会随着n增大，因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。角量子数（1=0, 1…n-L）（乂称方位角量子数或轨道量子数）通过关系式来代表轨道角动量。在化学中，这个量子数是非常重要的，因为它表明了一轨道的形状，并对化学键及键角有重大形响。有些时候，不同角量子数的轨道有不同代号，1二0的轨道叫s轨道，1二1的叫p轨道，1二2的叫d 轨道，而1二3的则叫f轨道。磁量子数（ml= -1, -1+1 - 0…1-1, 1）代表特征值，。这是轨道角动量沿某指定轴的射影。从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态（泡利不相容原理），故也绝不能拥有同一组量子数。所以为此特别提出一个假设来解决这问题，就是设存在一个有两个可能值的笫四个量子数一自旋量子数。这假设以后能被相对论性量子力学所解释。 “我们对过渡金属的电导率有了如下认识：电流由s电子传递，其有效质量近乎于自由电子。然而电阻则取决于电子从s带跃迁到d带的散射过程，因为跃迁
电子设计工程 Electronic Design Engineering 第23卷Vol.23第19期No.192015年10月Oct.2015 收稿日期：2014－12－24 稿件编号：201412231 作者简介：胡含凯（1980—），男，陕西西安人，工程师。研究方向：遥测遥控技术。 近炸引信系统大都是借助于探测器获取目标信息，从而实现对目标的探测、识别、定位和毁伤。探测器因探测机理的不同形成了不同的探测体制，常用的探测器有无线电、激光、红外、磁、声等多种类型，其中磁探测由于可抵抗电子干扰且对铁磁目标具有天然的探测优势而被广泛应用。目前，大多数磁传感器的探测机理多是以磁膜探测、霍尔效应、巨磁阻抗（CMI ）效应以及金属涡流效应等为主[1]。发展和应用得比较成熟的如磁通门、霍尔元件和磁阻元件都不能完全满足引信小型化、高灵敏度和低功耗的要求。尽管巨磁阻抗效应可以使磁灵敏度提高10倍左右，但必须在较高外磁场（1MA/m ）下才具有巨磁阻抗（GMI ）效应，并且存在磁滞和温度不稳定性等问题[2]。针对磁探测引信系统中体积小、灵敏度高和功耗低的要求，提出了基于非晶丝巨磁阻抗效应的微磁场探测系统。 1非晶丝的巨磁阻抗效应 非晶丝是一种新型磁性材料，其显著特点在于：非晶丝 的软磁特性好，体积很小，非常有利于引信系统的微小型化；并在微磁场中非晶丝巨磁阻抗效应有一线性变化范围，从而提高了非晶丝的微磁探测灵敏度[3]。为改善传统磁探测系统的固有缺陷，这种新型材料可以在磁探测体制中进行应用。 非晶丝的巨磁阻抗（GMI ）效应是由日本学者Mohri 九十年代初在具有零或负磁致伸缩系数的Co （钴）基非晶软磁材料中发现的[4]，目前对它的研究已扩大到Co 基非晶丝和纳米晶软磁合金薄带和薄膜[5]。由于非晶丝材料克服了以往磁性元件要依赖较高磁场的缺点；在附加简单的脉冲励磁电路时，非晶丝在微磁场下就能发生强烈的巨磁阻抗（GMI ）效应，且具有灵敏度高、温度稳定性好、无磁滞等优点，因此在微磁探测领域中作为磁敏传感器的敏感材料显示出重要的应用价值。 巨磁阻抗效应表现在Co 基非晶丝、非晶态薄膜或纳米晶合金薄带等材料中通入较高频率电流时，材料两端的阻抗会强烈地依赖于外加于材料轴向上的磁场[6]。通常用外磁场作用下的阻抗变化率来反映巨磁阻抗效应的强弱。若材料是非常好的软磁材料，并且导电性能比较好，那么一个很小的外加磁场就能导致阻抗发生较大的变化，这就是巨磁阻抗效应。 2基于非晶丝巨磁阻抗效应的微磁场探测系统 2.1 非晶丝巨磁阻抗效应微磁场探测系统的探测灵敏度在非晶丝巨磁阻抗效应微磁场探测系统中，非晶丝微磁 基于非晶丝巨磁阻抗效应的微磁场探测系统 胡含凯，曹雾 （西安机电信息技术研究所陕西西安710065） 摘要：针对传统磁探测方法不能满足引信探测体积小，高灵敏度和低功耗等要求的问题，本文提出了基于非晶丝巨磁阻抗效应的微磁场探测系统，是设计励磁电流信号产生电路具备极低的静态功耗，引入负反馈闭环系统对非晶丝磁滞特性进行了抑制补偿，提高了传感器的性能；采用双放大单元组合方案实现高性能的信号处理电路，完成了整体系统的设计。所设计的微磁场探测系统具备了非晶丝巨磁阻抗效应的优势，测试表明，基于非晶丝巨磁阻抗效应设计实现的微磁场探测系统，具备良好微磁探测性能，可应用于近炸引信进行微磁场探测。关键词：近炸引信；磁探测系统；非晶丝；巨磁阻抗效应；微磁场探测中图分类号：TN06 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2015）19－0034－03 The detecting system based on Giant Magneto -Impedance effect HU Han -kai ，CAO Wu （Xi ’an Institute of Electromechanical Information Technology ，Xi ’an 710065，China ） Abstract:To tackle the deficiency of traditional magnetic detecting means cannot satisfy the fuse small volume ，high sensibility and low power cost requirement ，the detecting system based on GMI is proposed in this thesis.The electronic flow signal designed posesses extremely low static power consumption ，and the negtive inner feedback system induced compensate the GMI effect ，that improves the performance of sensor.The system design programme is completed with double amplifier unit.the physical detecting system occupy the superiority of GMI.The experiment shows ，the micro -magnetic detecting system based on GMI design ，which has a terrific detecting ability that can be applied to magnetic detecting on radar fuse.Key words:radar fuze ；magnetic field detecting system ；amorphous wire ；GMI ；Micro -magnetic physical field detecting －34－
巨磁阻抗效应简介 由于巨磁阻抗效应在磁记录头和传感器中的巨大应用前景，非晶丝和带中的巨磁阻抗效应 (Giant Magneto-impedance GMI)的研究在最近几年引起了广泛的关注。本文将简要介绍最近几年来有关巨磁阻抗效应理论的研究概况，并综述巨磁阻抗材料的研究进展。 GMI 效应与在外磁场作用下软磁导体的交流(AC)阻抗的变化密切相关。可以在经典电动力学的理论框架下予以解释。众所周知，当射频电流流过导体时，在导体的横截面上其电流分右并不均匀。由于趋肤效应，电流主要集中在导体表面。电流密度从表面到内部的变化，可用趋肤深度表示：ωμρ/2=? 式中，ω是射频电流角频率，ρ是导体的电阻率，μ是材料的磁导率。在非铁磁材料中， 与频率和外加直流场无关，而铁磁材料的磁导率不但与频率、AC 磁场幅度有关，而且还与其它参数有关。如外加直流场的大小与方向、机械应变、温度等。GMI 效应的起源主要就在于软磁材料的磁导率与外加直流场密切相关。 由于电流流过导体时能产生圆周方向或切向的磁场(对丝称圆周方向，对带称切向)，具有圆周礁导率的材料是实际应用最感兴趣。非晶或纳米晶台金软磁材料的磁导率可由感生各向异性和一定的磁畴结构得到有效的控制实验 结果和理论分析都证证实材料具有切向各向异性有利于获得显著的GMI 效应。GMI 的理论分析对更好地理解现有实验结果及指导研究具有显著的GMI 效应的新材料有着重要的意义在实际铁磁材料中的趋肤效应比非铁磁材料的趋肤效应更复杂。基于趋肤效应的理论模型要描述GMI 效应的各种现象是困难的。 目前，提出的几种GMI 效应的理论的主要任务都是寻找有效切向磁导率的近似公式。以描述在轴向AC 电流的激励下特定磁畴结构的响应。畴壁位移和磁畴转动均对磁导率有贡献。准静态模型就考虑了畴壁位移和礁畴转动由于这些模 型没有考虑与磁化强度快速运动的动态效应只有在低频情况下应用。 从理论上考虑受 涡流阻尼的畸壁运动对GMI 的影响，发现随激励频率的增加，涡流对畴壁运动的阻尼增加，对磁导率的贡献就主要以磁畴转动为主。磁畴结构的观察表明在高于1MHz 时，畴壁几乎是静止不动的。所以，在高频情况下，只考虑磁畴转动的GMI 理论是合理而方便的。 在高频对更完善的理论模型是要考虑动态效应的。即要建立在Maxwell 方程和 Landau-Lifshitz 动力学方程的同时求解的基础上。实际上要精确求解这两个方程是不可能的，但是如果将 Landau-Lifshitz 方程线性化。并忽略交换作用，与交流磁化有关的磁导率张量就可求得，这样 Maxwell 方程就可以利用磁导率张量在合适的坐标系统下求解。通过同时求解 Maxwell 方程和线性Landau-Lifshitz 方程研究了具有轴向和圆周方向的磁各向异性的非晶丝的GM1效应。对于具有圆周方向的磁各向异性一当外加直流场小于各向异性场时。磁化强度的方向不平行于外加直流场的方向。Maxwell 方程的解就不能用单一的电磁波传播模式和标量阻抗 z 表示，必须引入具有纵向z 和切向z 的阻抗张量。 在上面提到的GMI 模型中，交换作用都被忽略了。由于交换耦合作用迫使近邻电子的自旋方向平行排列，对趋肤效应具有反作用，能增强电磁辐射的穿入深度。铁磁材料中交换耦
巨磁电阻效应及其应用 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。 图 1 反铁磁有序 后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如错误!未找到引用源。所示。则磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。 直接交换作用的特征长度为0.1～0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因此取得“超晶格”的名称。上世纪八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序，层间耦合，电子输运等进行了广泛的基础方面的研究。 德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态。研究对象是一个三明治结构的薄膜，两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm 的铬层。选择这个材料系统并不是偶然的，首先金属铁和铬是周期表上相近的元素，具有类似的电子壳层，容易实现两者的电子状态匹配。其次，金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同，它们之间晶格结构也是匹配的，这两类匹配非常有利于基本物理过程的探索。但是，很长时间以来制成的三明治薄膜都是多晶体，格伦贝格尔和很多研究者一样，并没有特别的发现。直到1986年，他采用了分子束外延(MBE)方法制备薄膜，样品成分还是铁-铬-铁三层膜，不过已经是结构完整的单晶。在
巨磁电阻效应 ――GMR 模拟传感器的磁电转换特性测量 【实验目的】 1. 掌握GMR 效应的定义； 2. 了解GMR 效应的原理； 3. 熟悉GMR 模拟传感器的构成； 4. 测量GMR 磁阻特性曲线。 【实验仪器】 ZKY-JCZ 巨磁电阻效应及应用实验仪、基本特性组件、导线 【实验原理】 一、巨磁电阻效应定义及发展过程 1、定义 2007年10月，科学界的最高盛典—瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。本年度，法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter Grunberg)因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。 巨磁阻到底是什么？ 诺贝尔评委会主席佩尔·卡尔松用比较通俗的语言解答了这个问题。他用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台1954年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。目前，根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。 “巨磁电阻”效应（GMR ，Giant Magneto Resistance)是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10余倍。 2、发展过程 人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁(或亚铁磁)有序状态，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。直接交换作用的特征长度为0.1-0.3nm ，间接交换作用可以长达1nm 以上。1nm 已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度，所以1970年之后，科学家就探索人工微结构 中的磁性交换作用。 1988年法国的M.N.Baibich 等人在美国物理学会主办的Physical Review Letters 上发表了有关Fe/Cr 巨磁电阻效应的著名论文，首次报告了采用分子外延生长工艺（MBE ）制成 图1（Fe/Cr ）n 多层膜的GMR 效应特性曲线
巨磁阻效应的原理及应用 摘要：介绍了巨磁阻效应的发现、原理及器件应用。 关键词：巨磁阻效应；原理；磁性材料；磁头；应用。 1、引言 近年来各种铁磁／非铁磁多层结构的巨磁阻(GMR)效应引起了实验和理论工作者的广泛兴趣。人们对GMR效应进行了一定程度的深入研究，并且取得了很 大的成就。如今一些利用巨磁阻效应制造器件的技术已经相当成熟，并且具有 非常广阔的应用前景。1997年，全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头问世。 正是借助了巨磁阻效应，人们才能够制造出如此灵敏的磁头，能够清晰读出 较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。新式磁头的出现引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。如今全世界几乎所有，笔记本电脑、音乐播放器、数码相机等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了巨磁阻效应，这一技术已然成为新的标准。 当然巨磁阻的发现并非偶然，这种效应的发现建立在长期对交换耦合膜和铁磁合金电子运输这两个相互独立而又密切相关的领域所作的系统深入研究的基础上。1986 年Grunberg 等人实验中发现在“Fe/Cr/Fe”三明治结构中，Fe 层之间可以通过Cr 层进行交换作用，当Cr 层在合适的厚度时，两Fe 层之间存在反铁磁耦合。在此基础上，1988 年Baibich 等人研究了在（001）GaAs 基片上用分子束外延（MBE）生长的单晶（001）Fe/Cr/Fe 三层膜和（Fe/Cr）超晶格的电子输运性质。结果发现当Cr 层的厚度为9 ? 时，在4.2 K 下20 kOe 的外磁场可以克服反铁磁层间耦合而使相邻Fe 层磁矩方向平行排列，而此时电流方向平行于膜面的电阻率下降至不加外磁场（即相邻Fe 层磁化矢量反平行排列） 时的一半，磁电阻值MR（%）=Δρ/ρHs=(ρ0-ρHs)/ ρHs高达100%，其值较 人们所熟知的FeNi合金各向异性磁电阻效应约大一个量级，故命名为巨磁电阻效应（GMR）。
物理学前沿——巨磁电阻及其原理 一、概述 磁电阻效应( M a g n e to r e s is ta n e e , M R )是指材料在外磁场下电阻发生改变的物理现象。150年前T .T ho m so n首次发现,常规的铁磁材料,如铁,钻,镍,它们的电阻与磁场和电流的相对方向相关,被称为各向异性磁电阻效应( A n is o tr o Pi c Ma g n e to r e s i st a n e e , A M R )。现在,已经知道A M R效应源于电子的自旋一轨道祸合作用,通常铁磁材料的磁电阻效应很小,只有百分之几。 磁电阻效应在技术应用中非常重要, 特别是在硬盘中作为读出头, 探测硬盘每个磁存储单元产生的微弱磁场。19 5 6年, IBM的科学家Reynold Johnson 发明了世界上第一个计算机硬盘当时采用电磁感应的方法读写信息 ,这种方法需要存储单元产生较强的磁场 ,因此存储单元很大,密度很小,最大只能达到20 M b/in^2。直到20世纪80年代末期,IBM 在技术上实现了突破, 成功地在硬盘读出头中使用磁电阻效应, 增强了读出头的磁场灵敏度, 使得硬盘的存储密度大幅度提高, 达到了5 G b/in^2。在19 8 8年之前, 人们通常认为磁电阻效应很难再在T homson的基础上有大的提高, 磁场传感器的灵敏度不可能再有质的飞跃, 进 而大幅度的提高硬盘的存储密度, 这意味着磁盘技术将被光盘所淘汰。因此, 当1988年AlbertFert 和Peter Grunberg分别领导的两个独立的研究小组在磁性多层膜中发现了巨磁电阻效应时, 立刻引起了科学家与企业界的关注。所谓巨磁电阻效应,是指材料在一个微弱的磁场变化下产生很大电阻变化的物理现象。2007年诺贝尔物理学奖授予了独立发现该效应的法国科学家AlbertFert和德国科学家Pe ter Grunberg 。利用材料的巨磁电阻效应,研制出了新一类磁电阻传感器—GM R 传感器。与传统的磁阻传感器相比, GMR传感器具有灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、抗恶劣环境、体积小等优点, 有广泛的应用前景。 对于物质磁电阻特性的研究由来已久，早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化，通常用电阻变化率Δr/r 描述。研究发现，一般金属导体的Δr/r很小，只有约10-5%；对于磁性金属或合金材料（例如坡莫合金），Δr/r可达（3~5）%。所谓巨磁电阻（GMR）效应，是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小，而Δr/r急剧增
实验十四巨磁电阻效应及应用 【实验目的】 1.了解GMR效应的原理 2.测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3.测量GMR的磁阻特性曲线 4.测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线 5.用GMR传感器测量电流 6.用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理 7.通过实验了解磁记录与读出的原理 【实验仪器】 巨磁电阻效应及应用实验仪 【实验原理】 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G 乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 GMR作为自旋电子学的开端具有深远的科学意义。传统的电子学是以电子的电荷移动为基础的，电子自旋往往被忽略了。巨磁电阻效应表明，电子自旋对于电流的影响非常强烈，电子的电荷与自旋两者都可能载运信息。自旋电子学的研究和发展，引发了电子技术与信息技术的一场新的革命。目前电脑，音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头，基本上都应用了巨磁电阻效应。利用巨磁电阻效应制成的多种传感器，已广泛应用于各种测量和控制领域。除利用铁磁膜-金属膜-铁磁膜的GMR效应外，由两层铁磁膜夹一极薄的绝缘膜或半导体膜构成的隧穿磁阻(TMR)效应，已显示出比GMR效应更高的灵敏度。除在多层膜结构中发现GMR效应，并已实现产业化外，在单晶，多晶等多种形态的钙钛矿结构的稀土锰酸盐中，以及一些磁性半导体中，都发现了巨磁电阻效应。 本实验介绍多层膜GMR效应的原理，并通过实验让学生了解几种GMR传感器的结构、特性及应用领域。 根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规则散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自 221
五、实验数据及处理 1.GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 实验数据及由公式B = μ0nI算得的磁感应强度如下表所示：（n=24000匝/m）
以B为横坐标，输出电压U为纵坐标，作图得： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最低处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的； （2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；
2. GMR的磁阻特性曲线的测量 根据实验数据由公式B = μ0nI算得的磁感应强度，由R=U/I算得的电阻如下表所示：（磁阻两端电压U=4V）
作图如下： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最高处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的； （2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；
3. GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 实验数据及由公式B = μ0nI算得的磁感应强度如下表所示： 高电平：1V，低电平：-1V 作图如下： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内；（2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；
巨磁电阻效应及其应用 2007年7月27日来源:《国际电子变压器》2007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 1986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。1988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。1988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
巨磁电阻效应及其应用【实验目的】 1、了解GMR效应的原理 2、测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、测量GMR的磁阻特性曲线 4、用GMR传感器测量电流 5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理 【实验原理】 根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。电阻定律 R=?l/S中，把电阻率?视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm），可以忽略边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。 ;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。 在图2所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向
在多数应用中是平行于膜面的。 图3是图2结构的某种GMR材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率ΔR/R 达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。 有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。 其一，界面上的散射。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行－反平行，或反平行－平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。 其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁膜之间穿行。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。 多层膜GMR结构简单，工作可靠，磁阻随外磁场线性变化的范围大，在