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【2017年整理】巨磁阻效应的原理及应用巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance, GMR）是一种物理现象，指在特定条件下，铁磁或亚铁磁材料中的磁电阻发生显著变化的现象。
这种现象在工业和科研领域具有广泛的应用价值，因此了解其原理及在各领域的应用十分重要。
一、巨磁阻效应的原理巨磁阻效应主要由以下几个因素决定：1.交换耦合：当两个磁性材料之间有耦合作用时，它们的磁矩会互相影响。
在特定的条件下，这种耦合作用会使材料的磁电阻发生显著变化。
2.层状结构：巨磁阻材料通常采用多层膜结构，其中每一层都可以作为电流通道。
当电流垂直于膜面流动时，各层中的磁矩会相互作用，导致电阻发生变化。
3.钉扎场：钉扎场是指材料内部由于杂质、缺陷或其他因素引起的局部磁场。
当电流在材料中流动时，钉扎场会对电流产生散射作用，导致电阻增加。
二、巨磁阻效应的应用巨磁阻效应在多个领域具有广泛的应用价值，以下是几个主要应用领域：1.硬盘读取头：巨磁阻材料制成的硬盘读取头是现代计算机和数据中心的核心组件之一。
由于其具有高灵敏度和低噪音的特性，使得硬盘读取头的读取速度和准确性得到大幅提升。
2.磁传感器：巨磁阻材料制成的磁传感器在医疗、工业和科研领域得到广泛应用。
例如，在医疗领域中，磁传感器可用于检测人体内的金属物体和进行磁场导航；在工业领域中，磁传感器可用于检测电动机和发电机的转子位置；在科研领域中，磁传感器可用于研究物质的磁性和电磁场分布。
3.磁场探测器：巨磁阻材料制成的磁场探测器可用于检测弱磁场和高精度测量磁场方向和大小。
例如，在地球物理勘探、生物医学和核磁共振等领域，磁场探测器具有重要应用价值。
4.磁记忆材料：巨磁阻材料制成的磁记忆材料具有高密度、高速度和高可靠性等优点，可用于数据存储和逻辑运算等领域。
与传统的半导体存储器相比，磁记忆材料具有更高的存储密度和更长的使用寿命。
5.磁场调控：巨磁阻效应还可以用于调控磁场分布和方向，从而在多个领域具有潜在的应用价值。
巨磁电阻效应及其应用实验报告引言巨磁电阻（GMR）效应是一种在特定材料中的电阻随着磁场强度的改变而发生改变的现象，这个现象在1988年被发现并且被认为是一种非常重要的物理现象。
GMR效应的发现因其在信息存储和传输方面的应用而获得广泛的关注。
本实验旨在通过对GMR效应的测量来研究其基本性质以及应用。
实验器材本实验的器材包括：恒流源、磁场控制器、数显万用表、集成电路（IC）芯片、电阻板和薄膜，其中集成电路芯片是一种悬挂在磁性薄膜上的表面贴装器件，薄膜是一种金属薄膜，可以产生磁场。
实验步骤1.将IC芯片放置在电阻板的中心位置。
2.将磁性薄膜放置在IC芯片顶部，注意不要碰到芯片。
3.将恒流源的电流调节到正确的数值，根据实验需求选择恒流源的最大或最小电流值。
4.打开磁场控制器，使用磁场控制器来控制磁场的强度，根据需要进行改变。
5.使用数显万用表来测量芯片中的电压。
6.根据实验的需要调整电阻板和薄膜之间的距离。
实验结果实验结果表明，在施加不同大小的磁场时，IC芯片的电阻会发生变化，这种变化非常灵敏，能够实现高精度的控制。
此外，IC芯片的电阻随着磁场的强度增加而减小，这表明芯片的电阻具有“负巨磁电阻”效应。
讨论与结论巨磁电阻效应是一种非常重要的物理现象，它在信息存储和传输方面具有非常广泛的应用。
本实验展示了GMR效应的基本特性，并探讨了其在实际应用中的潜在价值。
我们可以通过调整材料的性质来提高其敏感度和精度，从而扩展其现有应用。
总之，GMR效应在信息技术领域是一个革命性的技术，它为我们提供了一种新的方式来控制和处理信息。
通过进一步研究和优化，我们可以更好地利用这个效应，实现更高效的数据传输和处理。
与巨磁电阻效应有关的实例巨磁电阻效应在现代科技领域中有着广泛的应用，它不仅在磁存储器、磁传感器等领域发挥着重要作用，还在生物医学、环境监测等方面展现出巨大的潜力。
本文将以几个实例来介绍巨磁电阻效应的应用。
一、磁传感器磁传感器是一种能够测量和检测磁场的设备，巨磁电阻效应在磁传感器中得到了广泛应用。
例如，在汽车领域，磁传感器可以用于测量车辆的速度、方向和位置，以实现导航、自动驾驶等功能。
而巨磁电阻效应的磁传感器具有灵敏度高、响应速度快、尺寸小等优点，因此被广泛应用于汽车行业。
二、磁存储器磁存储器是计算机中常用的存储设备，而巨磁电阻效应的磁阻器件在磁存储器中发挥着重要作用。
磁存储器通过改变磁阻器件的电阻来存储和读取数据。
当外加磁场改变磁阻器件的磁化方向时，电阻值也会发生变化。
利用这种巨磁电阻效应，可以实现高密度、高速度的数据存储和读取，提高计算机的性能。
三、生物医学应用巨磁电阻效应在生物医学领域也有着广泛的应用。
例如，在磁共振成像（MRI）中，可以利用巨磁电阻效应的磁传感器来感知人体内的微弱磁场变化，从而实现对人体组织和器官的成像。
此外，巨磁电阻效应还可以用于生物传感器，用于检测生物分子、细胞等微小物质的浓度和活性，有助于疾病的早期诊断和治疗。
四、环境监测巨磁电阻效应在环境监测中也发挥着重要作用。
例如，利用巨磁电阻效应的磁传感器可以测量地震、气候变化等自然灾害的磁场变化，从而提供预警和监测信息。
此外，巨磁电阻效应还可以用于测量和监测水质、空气质量等环境因素，有助于环境保护和资源管理。
巨磁电阻效应在磁传感器、磁存储器、生物医学和环境监测等领域都有着广泛的应用。
它的出现和发展不仅改变了现代科技的面貌，也为人们的生活和工作带来了便利和创新。
随着科技的进步和巨磁电阻效应的不断优化，相信它的应用领域还将不断扩展和深化，给人们的生活带来更多的惊喜和便利。
与巨磁电阻效应有关的实例巨磁电阻效应在磁性材料中的应用引言：巨磁电阻效应是指磁场对电阻的作用，是一种重要的磁电耦合效应。
它的发现为磁阻读写头、磁记忆、磁传感器等磁性器件的发展提供了重要的理论基础。
本文将以几个与巨磁电阻效应有关的实例为例，介绍巨磁电阻效应在不同领域的应用。
一、磁阻读写头磁阻读写头是计算机硬盘等磁性存储器件中不可或缺的元件。
巨磁电阻效应的发现为磁阻读写头的研发提供了突破口。
磁阻读写头利用巨磁电阻现象，通过测量磁场对磁性材料电阻的影响来实现磁信号的读写。
相比于传统的磁性材料，巨磁电阻材料的电阻随磁场的变化更加显著，从而提高了读写头的灵敏度和稳定性。
二、磁传感器巨磁电阻效应还广泛应用于磁传感器领域。
磁传感器是一种能够感知和测量磁场的器件，常用于地磁测量、位置检测、物体探测等领域。
巨磁电阻材料的磁阻随磁场的变化呈现线性或非线性关系，可以通过测量巨磁电阻材料的电阻值来确定磁场的强度和方向。
这种基于巨磁电阻效应的磁传感器具有灵敏度高、响应快、功耗低等优点，在汽车、航空航天、工业自动化等领域得到广泛应用。
三、磁记忆磁记忆是一种利用巨磁电阻效应实现信息存储和读取的技术。
通过在磁性材料中施加磁场，可以改变材料的电阻值，从而实现信息的写入。
利用巨磁电阻效应的磁记忆具有存储密度高、读写速度快、可擦写等优点，已经成为一种重要的非易失性存储技术。
磁记忆在计算机、通信、储存等领域有着广泛的应用，为信息技术的发展提供了重要支持。
结论：巨磁电阻效应作为一种重要的磁电耦合效应，在磁性材料的应用中发挥着重要作用。
磁阻读写头、磁传感器和磁记忆等器件的发展离不开对巨磁电阻效应的深入研究和应用。
随着科学技术的不断进步，巨磁电阻效应将继续为磁性器件的发展提供新的可能性。
我们相信，在不久的将来，巨磁电阻效应将在更多领域展现出其巨大的潜力，为人类带来更多的便利和创新。
巨磁电阻效应及其应用巨磁电阻效应（GMR）是指一种材料在外加磁场作用下，其电导率发生改变，从而导致电阻率发生变化的现象。
这一现象最早是在20世纪50年代由Alfred G. Yelon等人在垂直于金属层面的磁场作用下观察到的。
但直到1988年，Prinz等人才发现了铁磁性薄膜间的GMR现象，这也使得GMR效应引起了科学家们的广泛兴趣。
GMR效应在接下来的几年里得到了深入研究，被发现可以用于高密度数据存储和无线通讯等多种应用中。
GMR效应可以由一系列不同的物理机制所产生。
其中，最为常见的是自旋環境杂化（SEH）和直接交换耦合（DEC）。
在SEH机制下，电流通过一条薄膜时会造成电子的自旋极化，这个自旋极化可以将与之相邻的薄膜中的自旋磁矩引起旋转，导致自旋的损失。
因此，在自旋磁矩方向相同的情况下，电阻率会较小，而在自旋反向的情况下，电阻率会较大。
在DEC机制下，自旋子交换能会通过金属层之间的电场作用而引起自旋磁矩的反向。
这也可以导致GMR效应的体现，但其具体机理仍有待深入探究。
GMR效应在很多领域都具有重要的应用。
其中最为广泛的是在数据存储中的应用。
磁头读取硬盘上的数据时，通过读取与保存数据时的自旋方向差异来区分不同的数据信息。
而GMR头比传统头更加灵敏，因此能够更准确地读取数据，同时也能够提高数据存储的密度。
此外，GMR效应还可以应用于磁性传感器中。
例如，GMR平面传感器可以精确地测量磁场的强度和方向，因此被广泛应用于导航、探矿以及科学实验中。
此外，GMR还可以应用于生物医学领域中的诊断和治疗。
比如在生命科学中，GMR传感器可以用于检测药物和蛋白质的相互作用，在诊断和治疗中也具有潜在的应用价值。
总之，GMR效应是一种基于材料电导率随磁场变化的现象。
其重要的应用领域包括数据存储、磁性传感器以及生物医学等领域。
随着技术的进步和理解的不断深入，GMR效应将有更多广阔的应用前景。
巨磁电阻效应及应用的原理巨磁电阻效应的定义巨磁电阻效应是指当外加磁场发生变化时，材料的电阻发生改变的现象。
这种现象的发现和研究引发了巨磁电阻效应的探索和应用。
巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应是由磁性材料自旋极化和电子传输的相互作用引起的。
这种效应主要依赖于磁性材料中的自旋极化态以及电子的传输方式。
当磁场施加在磁性材料上时，磁场与材料中的自旋相互作用会引起自旋的重新排列。
自旋的重新排列会导致电子在材料中的传输行为发生变化，从而影响材料的电阻。
这种自旋排列的重新配置会引起电子的散射和反射，从而影响电子的传输路径和速度。
巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应的发现和研究为许多实际应用提供了可能。
以下是巨磁电阻效应的一些主要应用：1.磁存储器：巨磁电阻效应被广泛应用于磁存储器中，可用于读取和写入数据。
磁存储器可以储存大量的数据，而且巨磁电阻效应能够实现快速、高密度的读写操作。
2.磁传感器：巨磁电阻效应广泛应用于磁传感器中，用于检测磁场的变化。
磁传感器可以用于地理导航系统、磁共振成像仪、汽车导航系统等。
3.磁阻变传感器：巨磁电阻效应还可应用于磁阻变传感器中，用于检测物体的位置、位移和旋转角度。
磁阻变传感器可以应用于汽车制动系统、手持设备的姿态感知等领域。
4.磁阻随机存取存储器（MRAM）：巨磁电阻效应在磁阻随机存取存储器中的应用有很大潜力。
MRAM具有非易失性、低功耗、高速度和高密度等优点。
5.磁阻式角度传感器：巨磁电阻效应还可以应用于磁阻式角度传感器中，用于检测物体的角度变化。
磁阻式角度传感器可以应用于机械臂、机器人和汽车的转向系统等。
巨磁电阻效应的应用范围还在不断扩大，随着磁性材料和电子技术的进一步发展，巨磁电阻效应的新应用也在不断涌现。
总结巨磁电阻效应是材料的电阻在外加磁场变化时发生改变的现象，其实现需要磁性材料的自旋极化与电子传输的相互作用。
巨磁电阻效应的应用广泛，包括磁存储器、磁传感器、磁阻变传感器、磁阻随机存取存储器和磁阻式角度传感器等。
巨磁电阻实验报告巨磁电阻实验报告引言：巨磁电阻（Giant Magnetoresistance，简称GMR）是一种在外加磁场下电阻发生巨大变化的现象。
它是由诺贝尔物理学奖得主阿尔伯特·菲尔斯和彼得·格鲁伯尔于1988年发现的。
GMR效应的发现不仅在科学界引起了轰动，而且也在技术领域引发了革命性的变革。
本实验旨在通过测量巨磁电阻效应，探索其原理和应用。
实验目的：1.了解巨磁电阻效应的基本原理；2.熟悉巨磁电阻材料的制备和测量方法；3.通过实验数据分析，探索巨磁电阻在信息存储和传感器领域的应用。
实验原理：巨磁电阻效应是指在外加磁场下，磁性材料中的电阻发生显著变化的现象。
这一现象的基础是磁性材料中的自旋极化和磁化方向之间的相互作用。
当自旋极化与磁化方向平行时，电阻较小，而当自旋极化与磁化方向反平行时，电阻较大。
巨磁电阻效应的大小与磁化方向的相对变化有关。
实验装置：本实验采用了一台巨磁电阻测量仪。
该测量仪包括一个磁场供应器和一个电阻测量器。
磁场供应器用于产生可调的磁场，而电阻测量器则用于测量样品的电阻值。
实验步骤：1.准备样品：将巨磁电阻材料切割成适当大小的样品，并确保其表面平整清洁。
2.安装样品：将样品固定在测量仪的夹持装置上，确保样品与磁场平行。
3.调整磁场：通过调节磁场供应器，使得磁场的大小和方向符合实验要求。
4.测量电阻：使用电阻测量器测量样品在不同磁场下的电阻值，并记录数据。
5.分析数据：根据测得的电阻数据，绘制电阻随磁场变化的曲线，并进行数据分析。
实验结果与讨论：通过实验测量，我们得到了样品在不同磁场下的电阻值。
根据这些数据，我们可以绘制出电阻随磁场变化的曲线。
根据曲线的形状和变化趋势，我们可以得出以下结论：1.在低磁场下，电阻值变化较小，巨磁电阻效应不显著。
2.随着磁场的增大，电阻值迅速增加，巨磁电阻效应开始显现。
3.在较高磁场下，电阻值趋于稳定，巨磁电阻效应达到饱和。
巨磁电阻效应在电子领域的应用在电子领域中，巨磁电阻效应（GMR）已经被广泛应用。
具有较好的灵敏度、可靠性和高速度的巨磁电阻传感器已应用于很多领域，例如医疗、化学、物理等领域。
本文将讨论巨磁电阻效应在电子领域中的应用及其未来趋势。
一、巨磁电阻效应的发现巨磁电阻效应（GMR）是指某些材料在磁场作用下其电阻产生显著变化的现象。
1998年的物理诺贝尔奖获得者尔·安德森和约翰·范·魏希隆德是最早发现巨磁电阻效应的人。
他们最开始做的工作是将两种磁性材料分别放置在两个磁头间，当它们之间通过磁场时，电阻会随之发生变化。
二、巨磁电阻传感器的应用巨磁电阻传感器广泛应用于磁存储器领域，如硬盘、磁带等，其中最主要的应用是让硬盘的存储容量得到了大幅提升。
巨磁电阻传感器还被应用于磁传感器。
在磁传感器中，它可以用于检测地磁变化、测量电流、线圈和磁场等方面。
大量实验表明，巨磁电阻传感器具有以下几方面的优点：1. 灵敏度高。
巨磁电阻传感器具有很高的灵敏度，可以检测到极小的磁场变化。
2. 响应速度快。
与其他传感器相比，巨磁电阻传感器的响应速度较快。
3. 可靠性好。
巨磁电阻传感器中不会产生机械摩擦等损坏因素，因此其使用寿命较长且更加可靠。
三、巨磁电阻效应的新应用巨磁电阻传感器已经被广泛应用于磁存储器、磁传感器中。
同时，巨磁电阻效应的研究也正在向新的方向拓展，例如在自动驾驶领域中的应用。
在自动驾驶中，车辆需要依靠传感器收集外部环境信息。
目前，使用场景更多的是激光雷达和视觉传感器，但巨磁电阻传感器也可作为一种选择，它可以帮助车辆检测低频磁场，例如地磁场等，从而实现更加精准的定位和环境感知。
此外，巨磁电阻效应还可以用于生物医学领域。
在生物医学领域中，巨磁电阻传感器可以帮助科学家们测量细胞的磁场。
通过研究细胞中的磁场，可以更准确地了解细胞发生的各种生物化学反应的具体机理，从而研发新的药物或治疗方式。
四、总结巨磁电阻效应的发现和应用推动了电子领域的发展。
巨磁电阻效应的原理及应用1. 巨磁电阻效应的介绍巨磁电阻效应（Giant Magnetoresistance，GMR）是一种描述材料电阻随外加磁场变化的现象。
GMR的发现被认为是短距离存储技术的突破，对磁敏感材料和磁传感器的发展具有重要意义。
2. 巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应的产生与磁性多层膜结构中存在的顺磁性层和铁磁性层之间的相互作用有关。
当外加磁场改变时，磁性多层膜中的磁性层会发生磁矩的重排和旋转，从而导致电子的自旋定向与电子传输方向的关系发生变化。
这种变化会导致电阻的变化，即巨磁电阻效应的产生。
3. 巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：3.1 磁存储器巨磁电阻效应在磁存储领域发挥着重要作用。
由于巨磁电阻效应的出现，磁存储器的读写速度得到了显著提高。
传统磁存储器需要通过读写头的接触来读取数据，而采用巨磁电阻效应材料制成的磁存储器只需通过测量电阻值的变化来完成数据读取，大大提高了读取速度和数据存取密度。
3.2 磁传感器巨磁电阻效应材料常常被用于制作磁传感器。
巨磁电阻效应材料的电阻值随外加磁场的变化而变化，因此可以利用巨磁电阻效应材料制成的传感器来测量磁场的强度和方向。
磁传感器在航空航天、交通运输、医疗设备等领域中得到了广泛应用。
3.3 磁电阻随机存取存储器（MRAM）巨磁电阻效应也被应用于磁电阻随机存取存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）的制造。
MRAM是一种新型的非易失性存储器，兼具闪存和DRAM的优点。
相比传统存储器技术，MRAM具有读取速度快、功耗低、抗辐射等优势。
3.4 理论研究与材料改进巨磁电阻效应的研究也对材料科学领域有着重要意义。
科学家们通过对巨磁电阻效应的原理和机制的研究，不断改进巨磁电阻材料的性能和稳定性，以实现更高的电阻变化率和更佳的传感特性。
4. 结论巨磁电阻效应作为一种重要的磁电效应，具有广泛的应用前景。
巨磁电阻在信息存储领域的班级：材料0902 学号：1101090214 姓名：贾策能摘要：介绍了巨磁电阻材料及器件在计算机高密度读出磁头、随机存取存储器领域的应用,描述了其应用，工作原理、性能特点，并对今后应开展的研究和应用作了展望。
关键词：GMR 工作原理性能特点1、引言随着全球高科技产业的迅猛发展，新技术革命的浪潮正把人类社会推向前所未有的信息时代。
信息科学技术是研究信息的生产、采集、存储、变换、传递、处理和应用的新兴科学技术领域，它与计算机科学、微电子学、物理学、化学和材料科学是分不开的，这些相关学科是信息科学技术赖以生存和发展的基础。
信息存储是信息科学的关键技术之一，尤其在当今计算机存储空间十分有限的情况下,对数字、图像等的处理就很不理想。
如果设想有一个硬盘，其存储能力是今天的20倍,那么将会开创一个更为精彩纷呈的多媒体世界。
大容量、高密度和小型化已成为计算机存储的必然趋势，而要实现这一目标，一种被称为巨磁电阻的材料则必不可少。
巨磁电阻(GMR, giant magnetoresistance)材料是指在外磁场的作用下电阻可显著降低的一类功能性材料。
由于这类材料在电磁器件如磁头、磁传感器、磁开关、磁记录以及磁电子学等方面具有巨大的应用前景，因此引起了人们极大的关注，对它的研究近年来已成为物理学和材料化学的一个新兴的前沿领域[1]。
2、GMR的应用2.1巨磁电阻传感器磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、方向和变化等。
磁传感器的品种很多,磁电阻传感器是其中的一类。
传统磁电阻传感器主要有半导体(In,Sb)及软磁合金两种,半导体磁电阻元件具有MR大及线性度好的优点,但所需磁场较高,温度稳定性较差;软磁合金薄膜元件饱和场低,故低场灵敏度高,但其MR数值不高。
GMR元件具有巨大的GMR 值和较大的磁场灵敏度等特点,用来替代传统磁电阻传感器,可大大提高传感器的分辨率、灵敏度、精确性等指标[2]。
特别是在微弱磁场的传感器方面,则显示出了更大的优越性。
在GMR传感器以前,人们使用的磁电阻传感器主要是利用AMR效应材料。
AMR材料制成的传感器,具有体积小、灵敏度高、阻抗低、抗恶劣环境、价格低廉等优点。
但由于AMR磁电阻率变化小,在检测微弱磁场时受到限制。
利用GMR效应的传感器继承了AMR传感器的优点,并且,由于GMR磁电阻变化率大,使它能传感微弱磁场,扩大了磁电阻传感器的测量范围和应用面,呈现出广阔的应用前景。
采用GMR材料制作磁性旋转编码器,除具有灵敏度高、准确性好的特点外,还具有耐高温、耐腐蚀等恶劣环境的能力,可替代耐恶劣环境能力差的光电式编码器,被广泛用于汽车电子技术、机电一体化控制等领域。
当今在家用电器、汽车和自动控制方面涉及到的角度、转速、加速度、位移等物理量均可以利用GMR磁传感器制的高灵敏度、高分辨率的磁传感器件来控制。
由于磁传感器灵敏度不受物体变化速度的影响,再加上抗恶劣环境和长寿命的优点,使其在各类运动传感器中有极大的竞争力。
如在先进的录象机中,采用磁电阻传感器精密地控制其转速的变化,如录象机精密齿节MR传感器(FPM),采用GMR材料后,其灵敏度提高6倍,可分辨15μm的磁齿节。
在汽车工业中使用磁传感器监控转速,以改变汽车刹车的抱死系统(ABS),为此,著名的福特和丰田公司均投入巨资支持GMR的研究。
GMR传感器也可用于公路上无人驾驶系统、收费系统和卫星定位系统。
GMR还可以制成安全检查设备、全电子罗盘等[3]。
最近开发了一种对磁标记的生物样本进行检测的GMR生物传感器。
把磁性颗粒表面包一层合适的抗体,这种抗体只与特定的被分析物(如病毒,细菌等)结合,则这些磁性颗粒可被用作生物示踪。
把由磁性颗粒组成的检测溶液分散到装有GMR传感组件的集成电路芯片上,GMR传感器组件本身也包上同样的抗体。
溶液中的被分析物就会与传感器结合,并带上磁标记。
磁标记的磁边缘场对GMR组件产生作用并改变其电阻。
通过检测这些GMR组件的电性能,就能够直接进行检测溶液中的被分析物的浓度等方面的分析[4]。
GMR传感器有广阔的应用领域和开发前景。
2.2高密度和超高密度磁记录读磁头传统电磁感应式磁头,在读取高密度磁记录信息时,信噪比已不能满足要求,因为此时对应于每个记录位的磁通量是微弱的。
如果采用薄膜磁电阻磁头读取信息,磁场的微弱变化对应着磁电阻的显著变化,是读取高密度磁记录信息较理想的手段。
但普通薄膜磁电阻磁头的AMR最大不超过6%,磁电阻变化的磁场灵敏度最大约为0.4%/ Oe,所需外磁场强度约400 A/m。
这些特性使得普通薄膜磁电阻磁头,如NiFe合金薄膜,所能实现的磁记录信息的密度仍受到一定的限制,迄今所获得的最高水平为 3 Gb/in2。
而巨磁电阻薄膜GMR在室温下可达10%~30%,磁场灵敏度可达1%~8%/Oe,因而在超高密度磁记录读磁头上极具竞争力[5]。
1994年IBM公司宣布首次利用GMR多层膜研制成计算机硬盘读出磁头,超过现有光盘记录密度。
传统电磁感应式磁头的工作原理是测量微弱磁场。
为了提高这种感应磁头的灵敏度,必须使磁盘保持旋转。
这就限制了磁盘每位信息的磁单元尺寸的缩小和磁盘容量的增加。
但基于GMR效应工作读出磁头是测量磁通量,而非其变化量。
把一个铁磁金属多层膜系统沉积在硅片上,然后把硅片切成约长10μm和宽1μm的细微长条,在它的两端通以几个毫安的恒定电流,就成了一个GMR磁头。
当它接近磁盘上的磁单元时,由于GMR效应磁头中将产生一个大的电阻变化,再把它转变成电压,就读出了这个磁单元所载的信息。
因此,GMR读出磁头并不要求磁盘高速旋转,这样就大大提高了磁头的分辨率,也就是说即使大大缩小硬盘上每位信息的磁单元面积,GMR读出磁头也能分辨它们。
GMR磁头与MR磁头在结构上差别不大,最重要的改变是用GMR元件代替AMR元件,以取得更大的磁电阻变化率,并克服了MR 磁头固有的巴克豪森噪声,增加了磁头的灵敏度和可靠性[6]。
目前,硬盘密度以每年近60%的速度增长,为了与其他存储器竞争,满足信息革命时代不断增长传递和存储信息的需要,就必须保持这样的增长。
美国国家存储协会(NSFC)和日本信息存储协会(SRC)均组织了联合体,协同作战[7]。
开展GMR的应用研究必定会促进我国计算机技术的发展,带来很好的经济效益。
3、GMR材料及其器件3.1GMR磁头传统电磁感应式磁头,在读取高密度磁记录信息时,信噪比已不能满足要求,究其原因是此时对应于每个记录位的磁通量是微弱的。
如果采用薄膜MR磁头读取信息,磁场的微弱变化对应着MR的显著变化,是读取高密度磁记录信息较理想的手段。
但普通薄膜MR磁头的AMR最大不超过6%,MR变化的磁场灵敏度最大约为0.4%/Oe,所需外加磁场强度约400 A/m。
这些特性使得普通薄膜MR磁头,如NiFe合金薄膜,所能实现的磁记录信息的密度仍受到一定的限制,迄今所获得的最高水平为3 Gb/in2。
而GMR薄膜的GMR值在室温下可达10%~30%,磁场灵敏度可达1%~8%/Oe,因而在超高密度磁记录读出磁头上极具竞争力[8]。
3.1.1GMR磁头的工作原理GMR材料首先是作为计算机硬盘的读出磁头而被商业化应用的。
图1是GMR读出磁头的简单模型。
当记录媒质上的剩余磁场作用于磁头时,自旋阀的自由层磁化强度方向发生变化,从而引起磁头电阻的变化。
电阻的变化通过磁头的电流读出。
图2是IBM公司最早设计的自旋阀型磁头的原理示意图。
自由层和钉扎层被非磁性金属层隔开,通过反铁磁层的交换耦合,钉扎层的磁矩被钉扎在y轴方向，自由层磁矩随信号场变化而翻转,自旋阀总的电阻变化可表示为[9]ΔR∝cos(θ1-θ2)∝sinθ1,(θ2≈90°)。
如果自由层的单轴各向异性难磁化轴与信号场取向一致时,则有sinθ1∝H,而ΔR∝sinθ1,所以有ΔR∝H,即电阻的变化与磁场线性响应。
目前利用GMR材料来制成GMR磁头主要是使用自旋阀结构。
3.1.2GMR磁头的性能特点信息技术的发展要求高密度、大容量及小型化的外存系统,超高密度磁盘的发展使每记录单元的尺寸减小到亚微米,因而其产生的待读信号场很微弱;另一方面,磁盘的小型化使其线速度减低,传统的感应式磁头无法得到足够的信噪比。
虽然用AMR磁头提高了磁盘的存储密度和灵敏度,且读出信号不受记录媒质运动速度的影响,但其微小的MR 比和固有的巴克豪森噪声,是AMR磁头的重要不足。
GMR磁头以其大的MR比,并克服了巴克豪森噪声,极大地提高了磁头的灵敏度和可靠性,使高密度磁盘技术取得突破。
在过去的几年里,磁存储密度以每年60%的速度递增。
在存储密度提高的同时,磁头的尺寸却越来越小。
表2是对MR磁头设计的主要特征的发展趋势的预测[8]。
我国在GMR材料领域的研究起步较晚,1988年才开始有国家自然科学基金重大项目。
虽然在基础研究方面有个别较先进的工作,但在GMR磁头等应用研究方面几乎还是一片空白。
鉴于GMR磁头优异的性能,国家应在基础研究和应用研究方面大力扶持。
3.2 GMR随机存储器(RAM)目前广泛采用的RAM是半导体动态存储器(DRAM)和静态存储器(SRAM)。
DRAM的容量已有每个芯片40亿位(4 Gbit/chip)的报道,芯片面积约为1 000 mm2,每位所占面积为0.34μm×0.68μm(0.23μm2),取数速度可达15~20 ns。
而SRAM容量已达4 Mbit/chip,芯片面积12 mm×11 mm(132 mm2),每位所占面积3.04μm×4.2μm(12.768μm2),速度比DRAM高1个数量级,达2 ns。
但无论DRAM和SRAM均为易失性的(即机器断电时,所存数据会全部丢失),抗辐射性能差,给使用带来极大的不便。
而半导体非易失存储器如可擦可编程只读存储器(EEPROM),目前的容量不大,为(512 kbit~1 Mbit)×(8~16)位,芯片面积为29~86 mm2,每位所占尺寸为2.9μm2,抗辐射性能差,制作成本高。
因此,发展体积小、速度快、容量大和制作成本低的非易失RAM,对推动计算机的发展是至关重要的。
3.2.1GMR RAM的工作原理早期的磁存储器是利用材料的AMR效应。
由于其MR的变化小,影响了信号大小和限制了存取时间,一般读出信号时间较长。
Honeywell公司是第一家利用GMR材料做存储器芯片的公司[10]。
利用GMR元件阵列获得的RAM,它的速度和存储密度可与半导体RAM相比拟,但它是非易失性的。
图3是这种阵列的结构。
GMR元件是自旋阀型的。
它们由光刻“导线”串联起来,形成一条感线存储信息。
感线的电阻值是所有元件电阻的总和。
