磁阻效應

磁阻效應(Magnetoresistance Effects)的定義:是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現象。金屬或半導體的載流子在磁場中運動時,由於受到電磁場的變化產生的洛倫茲力作用,產生了磁阻效應。

基本介紹

• 中文名：磁阻效應
• 外文名：MagnetoresistanceEffects
• 主要分類：常磁阻，巨磁阻
• 套用：磁感測、磁力計、電子羅盤

含義

磁阻效應是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現象。同霍爾效應一樣，磁阻效應也是由於載流子在磁場中受到洛倫茲力而產生的。在達到穩態時，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生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉。這種偏轉導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減少，從而使電阻增加。這種現象稱為磁阻效應。

工作原理

地球磁場擾動的檢測工作原理

在地球磁場的一定範圍內,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參考磁場時,就會對之前穩定的地球磁場產生干擾,從而磁場強度會發生變化。當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,都會對穩定的地磁場產生擾動,但這種擾動相對參考磁場來講是比較大的。根據這樣的磁場擾動特性,物理學家發現可以採用可以檢測磁場擾動的感測器對這種擾動進行數據採集分析,就能夠獲取車輛的行駛狀態和基本參數,通過交通工程學可以進一步獲取更多更詳細的交通基礎數據。這就是地球磁場擾動的檢測工作原理。

分類

若外加磁場與外加電場垂直，稱為橫向磁阻效應；若外加磁場與外加電場平行，稱為縱向磁阻效應。一般情況下，載流子的有效質量的馳豫時時間與方向無關，則縱向磁感強度不引起載流子偏移，因而無縱向磁阻效應。

磁阻效應主要分為：常磁阻，巨磁阻，超巨磁阻，異向磁阻，穿隧磁阻效應等

常磁阻(OrdinaryMagnetoresistance,OMR)

對所有非磁性金屬而言，由於在磁場中受到洛倫茲力的影響，傳導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。磁阻效應最初於1856年由威廉·湯姆森，即後來的開爾文爵士發現，但是在一般材料中，電阻的變化通常小於5%，這樣的效應後來被稱為“常磁阻”(ordinarymagnetoresistance,OMR)。

巨磁阻(GiantMagnetoresistance,GMR)

所謂巨磁阻效應，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象。巨磁阻是一種量子力學效應，它產生於層狀的磁性薄膜結構。這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大。

超巨磁阻(ColossalMagnetoresistance,CMR)

超巨磁阻效應（也稱龐磁阻效應）存在於具有鈣鈦礦(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個數量級的變化。其產生的機制與巨磁阻效應(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(GMR)，超巨磁阻材料亦被認為可套用於高容量磁性儲存裝置的讀寫頭。不過，由於其相變溫度較低，不像巨磁阻材料可在室溫下展現其特性，因此離實際套用尚需一些努力。

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，稱為異向性磁阻效應。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。由於異向磁阻的特性，可用來精確測量磁場。

穿隧磁阻效應(Tunnel Magnetoresistance,TMR)

穿隧磁阻效應是指在鐵磁-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。此效應首先於1975年由MichelJulliere在鐵磁材料(Fe)與絕緣體材料(Ge)發現；室溫穿隧磁阻效應則於1995年，由TerunobuMiyazaki與Moodera分別發現。此效應更是磁性隨機存取記憶體(magneticrandomaccessmemory,MRAM)與硬碟中的磁性讀寫頭(readsensors)的科學基礎。

發展經歷

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）。磁阻效應是1857年由英國物理學家威廉·湯姆森發現的，它在金屬里可以忽略，在半導體中則可能由小到中等。從一般磁阻開始，磁阻發展經歷了巨磁阻（GMR）、龐磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直衝磁阻（BMR）和異常磁阻（EMR）。

套用

磁阻效應廣泛用於磁感測、磁力計、電子羅盤、位置和角度感測器、車輛探測、GPS導航、儀器儀表、磁存儲(磁卡、硬碟)等領域。

磁阻器件由於靈敏度高、抗干擾能力強等優點在工業、交通、儀器儀表、醫療器械、探礦等領域得到廣泛套用，如數字式羅盤、交通車輛檢測、導航系統、偽鈔檢別、位置測量等。

其中最典型的銻化銦（InSb）感測器是一種價格低廉、靈敏度高的磁阻器件磁電阻，有著十分重要的套用價值。

2007年諾貝爾物理學獎授予來自法國國家科學研究中心的物理學家艾爾伯·費爾和來自德國尤利希研究中心的物理學家皮特·克魯伯格，以表彰他們發現巨磁電阻效應的貢獻。

實驗原理

一定條件下，導電材料的電阻值R隨磁感應強度B的變化規律稱為磁阻效應。如圖1所示，當半導體處於磁場中時，導體或半導體的載流子將受洛侖茲力的作用，發生偏轉，在兩端產生積聚電荷並產生霍耳電場。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，那么小於或大於該速度的載流子將發生偏轉，因而沿外加電場方向運動的載流子數量將減少，電阻增大，表現出橫向磁阻效應。若將圖1中a端和b端短路，則磁阻效應更明顯。通常以電阻率的相對改變數來表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ（0）表示。其中ρ（0）為零磁場時的電阻率，設磁電阻在磁感應強度為B的磁場中電阻率為ρ（B），則Δρ=ρ（B）-ρ（0）。由於磁阻感測器電阻的相對變化率ΔR/R（0）正比於Δρ/ρ（0），這裡ΔR=R（B）-R（0），因此也可以用磁阻感測器電阻的相對改變數ΔR/R（0）來表示磁阻效應的大小。

實驗證明，當金屬或半導體處於較弱磁場中時，一般磁阻感測器電阻相對變化率ΔR/R（0）正比於磁感應強度B的平方，而在強磁場中ΔR/R（0）與磁感應強度B呈線性關係。磁阻感測器的上述特性在物理學和電子學方面有著重要套用。

處於磁場中的磁阻器件和一個外接電阻串聯，接在恆流源的分壓電路中，通過對R的調節可以調節磁阻器件中電流的大小，電壓表聯接1或2可以分別監測外接電阻的電壓和磁阻器件的電壓。