巨磁阻抗效应

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。

巨磁阻抗效应的测试系统_四探针法[1]样品的阻抗测试采用安捷伦公司生产的具有高测量精度的Agilent 4294A 阻抗分析仪，如图3－2 所示。

此阻抗分析仪具有下列测量功能：●频率扫描能力可以拟定在何处及如何获取测试数据●内置等效电路分析能对被测的多元件电路模型进行计算。

●彩色液晶显示屏可以同时显示多组测量曲线。

●先进的校准和补偿方法降低了测量误差。

●在40Hz～110MHz 宽频率范围内的高精度4 端对阻抗测量。

利用基本精度为0.08%的扫描测量可以精确估算元件特性的极小变化。

●可以对电容器、电感器、谐振器、半导体之类的元件以及对印刷电路板和环形铁芯之类的材料进行测量。

●用42941A 阻抗探头进行在线或接地测量。

●内置LAN 接口。

●测量参数：可以测量阻抗、电阻、相位、电感、电容等电学参数。

图3－2 HP4194A 阻抗分析仪及16047E夹具阻抗测量采用四探针法，直流磁场由直径为30cm 的赫姆霍兹线圈提供，最大磁场为70Oe。

磁场方向平行于样品中的电流方向，所有数据全在室温测量，测量原理如图3－3 所示。

图3－3 四探针法测量阻抗原理示意图四探针测量系统中，外两枚探针与恒流源、可调电阻和电流计串联，内两枚探针与电压计串联。

待测样品放于绝缘板上，并置于外磁场中。

当恒流源给电路提供一恒定交流电流I 时，由于外磁场处于变化之中，而待测样品如存在巨磁阻抗效应，必然电压计读出的数据会随外场呈一特定的变化规律，这就正好反映出阻抗的变化规律，实际上就是我们所要观察的GMI 效应。

在这过程中，由于恒流源I 不变，因此可以认为样品中的传导电流没变，只是由于阻抗的变化导致了电压计读数的变化，因此我们可以用下式来描述四探针测量系统的原理：Z(H) =VI（3－1）式中，Z(H)为阻抗，其值为外加磁场的函数，V 为端子电压，I 为恒流源。

利用（3－1）式，我们很容易得出GMI 效应的阻抗变化率：GMI =()()()V VZ H Z HZ V VI IVZ Z H VI∆---===212121111（3－2）式中：Z(H1)为加外磁场H1时的阻抗值Z(H2)为加外磁场H2 时的阻抗值V1 为加外磁场H1 时的电压计的读数V2 为加外磁场H2 时的电压计的读数在本文研究中，为方便讨论，定义阻抗变化率的值如式（3－3）：GMI(H) =[]Z(H)Z(H O e)ZG M I(H)(H)Z Z(H O e)∆-===⨯=7010070（3－3）采用这公式计算样品的阻抗变化率作为衡量样品GMI 效应的指标。

1介2究历史GMI效应 巨磁阻抗效应指的磁性材料的交流阻抗随外磁场的变化而显著变化的现象。

按照巨磁阻抗效应的定义，巨磁阻抗效应应该用磁性材料的阻抗Z随外磁场Hex的变化曲线Z-Hex来表征。

但是由于不同的磁性材料的电阻率相差很大，即使是同种磁性材料制备的样品的厚度和测量长度也无法严格控制，所以通过样品的Z-Hex曲线无法比较不同样品的巨磁阻抗效应的强弱。

因此在研究中采用阻抗的相对变化值随外加磁场的变化曲线ΔZ/Z-Hex来表征巨磁阻抗效应。

目前，对巨磁阻抗效应的定标有两种：一种是采用外加磁场为零时的阻抗(Hex = 0)作为参考点，但是因为材料的剩磁状态影响阻抗Z(0)的值，所以这个定义可能不合适；另一种以最大磁场Hmax的阻抗值作为参考点，Hmax的值由实验设备确定，因此Hmax也可能受实验设备的限制。

第二种定义： 上式中，Hmax通常是达到饱和阻抗时的外磁场或实验设备所能提供的最大磁场。

早在六十年前，Harrison等人就已经发现在外加轴向磁场的作用下，铁磁性细丝的感抗会发生变化，当时把这种物理现象称为磁感应效应。

1992年，日本名古屋大学K. Mohri等人发现CoFeSiB非晶丝的两端的感应电压随着外加直流磁场的增加而急剧下降，当时他们测量到的电压是非晶丝感抗部分对应的分量，因此实际上这种现象是磁电感效应。

往后的研究表明，铁磁非晶合金的交流电阻也会随外加直流磁场发生明显的变化，为与通常所说的磁阻(MR)效应区分，该效应被称为交流磁阻效应。

1994年巴西的Machado等人在Co70.4Fe4.6Si15B1非晶铁磁薄带中观察到了这种交流磁阻效应。

K. Mohri等人在综合考虑了磁电感效应和交流磁阻效应后，认为两者是同一物理效应的不同方3应用0102面，并把磁性材料通以交变电流时，在外磁场作用下交流阻抗会发生显著变化的现象正式命名为巨磁阻抗(GMI)效应。

电流测量 电流测量在生产科研领域是一个重要问题，现在有很多的新技术和新材料都应用到电流测量的装置上。

巨磁阻效应及其传感器的原理和应用一、概述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急剧增大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。

利用这一效应制成的传感器称为GMR传感器。

1、分类GMR材料按其结构可分为具有层间偶合特性的多层膜（例如Fe/Cr）、自旋阀多层膜（例如FeMn/FeNi/Cu/FeNi）、颗粒型多层膜（例如Fe-Co）和钙钛矿氧化物型多层膜（例如AMnO3）等结构；其中自旋阀（spinvalve）多层膜又分为简单型和对称型两类；也有将其分为钉扎(pinning)和非钉扎型两类的。

2、巨磁电阻材料的进展1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间偶合现象。

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Δr/r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效应的层间偶合多层膜。

自1988年发现GMR效应后仅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]n）。

1992年人们利用两种磁矫顽力差别大的材料（例如Co和Fe20Ni80）制成Co/Cu/Fe20Ni80/Cu多层膜，他们发现，当Cu层厚度大于5nm时，层间偶合较弱，此时利用磁场的强弱可改变磁矩的方向，以自旋取向的不同来控制膜电阻的大小，从而获得GMR效应，故称为自旋阀。

巨磁阻抗效应的测试电路制作随着科技的发展，磁场传感器在各个领域取得了突破性的发展。

在当今信息社会中，磁场传感器在信息技术和产业中成为不可或缺的一部分。

如霍尔传感器，磁通门传感器等。

而巨磁阻抗效应（Giant Magneto Impedance effect,GMI effect)的发现，使更加微型，灵敏度高，响应速度快，成本低，适用范围广的磁场传感器成为可能，开发出更多的新型传感器。

本文分析了非晶材料的巨磁阻抗效应的原理，介绍了影响非晶材料的巨磁阻抗效应的因素，通过Co基非晶带，设计和制作巨磁阻抗效应的测试电路，其中包括信号发生电路，前置放大电路，整流电路和稳压电路。

通过对电路的分析和调试，制作出电路。

分析电路的稳定度特性，频率响应特性，灵敏度特性。

测量材料的GMI效应，非晶带在外磁场变化的磁阻抗变化率MIR%能达到100%，磁场测量范围为0~160Oe。

测试结果表明电路灵敏度高，性能稳定，而且其结构简单，成本低，具有广泛应用前景。

关键词：巨磁阻抗效应，电路制作，非晶材料，磁场传感器第一章引言随着社会的高速发展和科技的迅速进步，在计算机、通信及办公自动化设备渐渐成为人们生活中不可或缺的一部分的时候，对其中的磁场传感器要求更进一步，老旧，性能低，大型的磁场传感器已经不能满足日益增加的需要，而如今的趋势需要体积小，灵敏度高，低功耗，响应速度快的磁场传感器。

表一各种传感器的参数1988年法国巴黎大学的Fert研究小组Baibich发现，在Fe/Cr相间的三层复合膜电阻中，微弱的磁场的变化会导致电阻大小的急剧变化，称之为巨磁阻抗效应（Giant Magneto Impedance effect,GMI effect)。

虽然提高了霍尔元件和磁阻元件的灵敏度，而且在数据领域中加以应用，但GMR效应也存在很多的问题，实际应用中对材料的限制很大，而且灵敏度不够高，极大的限制了GMR的实用价值。

自1992年，日本名古屋大学的K.MOHRI教授等在Co基软磁非晶丝的实验处理后，发现在几O e磁场中材料的阻抗变化能达到50%以上。

巨磁阻抗效应
嘿，朋友们！今天咱来聊聊一个超有意思的东西——巨磁阻抗效应！
你说这巨磁阻抗效应啊，就像是一个隐藏在材料世界里的小魔术。

想象一下，有那么一些特殊的材料，它们平时看起来普普通通的，没啥特别。

可一旦给它们来点磁场的刺激，哇塞，它们就像被施了魔法一样，发生了神奇的变化！
这变化可不得了，就好像原本平静的湖面突然泛起了层层涟漪。

这些材料的阻抗会发生巨大的改变，而且这种改变是非常灵敏的哦！灵敏到啥程度呢？就好比你能轻易察觉到一只小蚂蚁在爬动。

咱生活中很多地方都能用到这个神奇的巨磁阻抗效应呢！比如说在传感器领域，它就像是一个超级敏锐的小侦探，能精准地检测到各种微小的变化。

有了它，我们就能更准确地感知周围的世界啦！就好像我们有了一双更加锐利的眼睛，能看到以前看不到的东西。

再说说在医学上吧，它说不定哪天就能帮我们更早地发现疾病呢！是不是很厉害？这就像有个小精灵在默默地守护着我们的健康。

那这巨磁阻抗效应是怎么来的呢？嘿嘿，这可就复杂啦！就好像一个神秘的宝藏，需要我们一点点去挖掘、去探索。

它和材料的结构、磁场的强度等等都有着密切的关系呢。

而且啊，科学家们一直在努力研究它，想让它发挥更大的作用呢！他们就像一群勇敢的探险家，不断地在这个神秘的领域里前进。

你说，未来这巨磁阻抗效应还会给我们带来多少惊喜呢？会不会有一天，我们的生活因为它而变得完全不一样了呢？我觉得很有可能哦！它就像是一颗埋在地下的种子，只要我们精心浇灌，就一定会开出绚丽的花朵，结出丰硕的果实。

所以啊，可别小看了这巨磁阻抗效应，它说不定会在未来的某一天，给我们带来意想不到的大惊喜呢！让我们一起期待吧！。