巨磁電阻材料的性質(zhì)和應(yīng)用研究現(xiàn)狀演示文稿

巨磁電阻材料的性質(zhì)和應(yīng)用研究現(xiàn)狀演示文稿當(dāng)前第1頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)優(yōu)選巨磁電阻材料的性質(zhì)和應(yīng)用研究現(xiàn)狀Ppt當(dāng)前第2頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)目錄一、磁電阻及巨磁電阻簡介二、GRM材料的要求及種類三、巨磁電阻的應(yīng)用四、展望當(dāng)前第3頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)一、磁電阻及巨磁電阻簡介許多導(dǎo)體材料的電阻是受外加磁場影響的，這種磁場改變引起導(dǎo)體電阻率變化的現(xiàn)象被稱為磁電阻(Magnetoresistance，MR)效應(yīng)。表征磁電阻效應(yīng)大小的物理量為磁阻比(MR比),其定義如下：其中，ρH－磁場下的電阻率；ρ0－零磁場下的電阻率。磁電阻效應(yīng)的產(chǎn)生有不同的物理機(jī)制，按不同的物理機(jī)制可作如下分類：正常磁電阻效應(yīng)、各向異性磁電阻效應(yīng)、巨磁電阻效應(yīng)、龐磁電阻效應(yīng)等。當(dāng)前第4頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)1）正常磁電阻(OrdinaryMagnetoresistance，OMR)效應(yīng)。普遍存在于所有金屬中，它的產(chǎn)生機(jī)制是傳導(dǎo)電子受到磁場的洛侖茲力的作用而產(chǎn)生螺旋運(yùn)動，從而使材料的電阻升高。實(shí)際中大部分材料的OMR都比較小沒有實(shí)用價(jià)值。2）各向異性磁電阻（AnisotropicMagnetoresistance，AMR）效應(yīng)。存在于鐵磁金屬及其合金材料中，電阻率隨電流和磁化強(qiáng)度的相對取向而不同。鐵磁金屬的AMR在室溫下可以達(dá)到2~3％，由于一些磁性材料的磁矩可以用很小的磁場來翻轉(zhuǎn)，所以有比較高的靈敏度。AMR效應(yīng)已經(jīng)有了很多的應(yīng)用，比如90年代初期計(jì)算機(jī)讀出磁頭以及各種高靈敏度的磁場傳感。當(dāng)前第5頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)

當(dāng)前第6頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)

當(dāng)前第7頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)費(fèi)爾1938年3月出生于法國南部小城卡爾卡索納，1970年在南巴黎大學(xué)獲博士學(xué)位，1976年開始擔(dān)任南巴黎大學(xué)教授。自1995年以來，費(fèi)爾還一直擔(dān)任法國國家科研中心與法國泰雷茲集團(tuán)組建的聯(lián)合物理實(shí)驗(yàn)室科學(xué)主管。費(fèi)爾于2004年當(dāng)選法國科學(xué)院院士。格林貝格爾1939年出生于比爾森，1969年在達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位，1972年開始擔(dān)任德國尤利希研究中心教授。2004年退休。他的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識比較強(qiáng)。格林貝格爾為此還申請了專利。當(dāng)前第8頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)“你的計(jì)算機(jī)硬盤存儲能力有多大，

他們的貢獻(xiàn)就有多大”世界上第一臺計(jì)算機(jī)1T硬盤當(dāng)前第9頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)二、GRM材料的要求及種類為了滿足應(yīng)用的要求,對GMR材料的主要要求是:1、高的室溫GMR效應(yīng),即由外加磁場引起的室溫電阻變化率高;2、低的工作磁場,即在較低的外加磁場強(qiáng)度下得到高的MR;3、高的穩(wěn)定性,即環(huán)境條件(溫度、濕度、振動等)變化時(shí),MR的變化要盡量小。就目前研究熱點(diǎn)的幾類GMR材料,可以說是各有特點(diǎn)。

已發(fā)現(xiàn)具有GMR效應(yīng)的材料主要有多層膜、自旋閥、納米顆粒膜、磁性隧道結(jié)、非連續(xù)多層膜、氧化物陶瓷、熔淬薄帶等。當(dāng)前第10頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)多層膜各種鐵磁層（Fe、Ni、Co及其合金）和非磁層（包括3d、4d、以及5d非磁金屬）交替生長而構(gòu)成的磁性多層膜，大多都具有GRM效應(yīng)，其中尤以多晶（Co/Cu）多層膜的磁電阻效應(yīng)最為突出。室溫、1T磁場下GMR值為70%，遠(yuǎn)大于多晶（Fe/Cr）。目前最常用的制備金屬多層膜的方法主要由濺射、蒸發(fā)和分子束外延.當(dāng)前第11頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)多層膜GMR數(shù)值遠(yuǎn)較AMR大，為負(fù)值，基本為各向同性。其測試方法有兩種：CIP（Current-in-plane），即電流沿膜面；CPP（Currentflowingperpendiculartotheplane），電流與膜面垂直。通常采用CIP方式。因?yàn)殡娮拥倪\(yùn)動是混亂的，可穿越若干層，并經(jīng)受層內(nèi)及界面自旋相關(guān)的散射，總電阻為電子經(jīng)過各層的各個(gè)等效電阻的總和。在CPP模式下，由于電子是垂直于膜面穿過多層膜，要經(jīng)受更多的與自旋相關(guān)的雜質(zhì)和缺陷的散射；另外，非磁金屬層的分流效應(yīng)也被排除，因此垂直模式下可以得到更大的磁電阻效應(yīng)。多層膜當(dāng)前第12頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻效應(yīng)基本原理圖1Fe/Cr多層膜的實(shí)驗(yàn)曲線(a)磁化曲線，(b)室溫下的巨磁電阻，(c)低溫下的巨磁電阻圖2鐵磁層耦合示意圖當(dāng)前第13頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻效應(yīng)基本原理圖3多層膜系統(tǒng)等效電阻示意圖(a)反鐵磁耦合，(b)鐵磁耦合根據(jù)Mott的雙流體模型（將傳導(dǎo)電子分為自旋向上與向下兩類導(dǎo)電載流子的物理圖象），若導(dǎo)電電子自旋方向與局域磁矩反平行，則受到非常強(qiáng)的散射，電阻較大；而當(dāng)導(dǎo)電電子自旋方向與局域磁矩平行時(shí)，則受到的散射就弱的多，電阻較小。當(dāng)前第14頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)圖4過渡金屬態(tài)密度函數(shù)N（E）示意圖為什么不同自旋取向散射率會不同，從態(tài)密度理論出發(fā)可以這樣來理解：3d過渡元素金屬中，由于量子力學(xué)的交換作用，d能帶將分裂為兩個(gè)不同自旋取向的次能帶，為了簡單明了起見，圖中設(shè)3d

↑能帶低于費(fèi)米能級，全被電子所占據(jù)，而3d↓帶卻部分被填充，而磁性金屬的飽和磁化強(qiáng)度取決于這兩個(gè)次能帶磁矩之差。顯然對自旋向上的傳導(dǎo)電子只能在s帶被散射，散射較弱，而對自旋向下的電子除s帶外，3d↓帶亦可被散射，散射強(qiáng)，平均自由路徑短，因此從態(tài)密度理論出發(fā)，在上述情況下，當(dāng)傳導(dǎo)電子自旋平行于局域磁化矢量時(shí)，具有低電阻特性，反平行時(shí)為高電阻態(tài)。當(dāng)前第15頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)多層膜多層膜的GMR效應(yīng)的影響因素

當(dāng)前第16頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)

Fe/Cr多層膜巨磁電阻效應(yīng)當(dāng)前第17頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)周期數(shù)影響多層膜的GMR隨總周期數(shù)的增加而增大，當(dāng)總膜厚達(dá)到與平均自由程相當(dāng)時(shí)，GMR值逐漸趨飽和，不再隨周期數(shù)而增大。隨著周期數(shù)增加，界面粗糙度增大，界面自旋相關(guān)散射作用增強(qiáng)；表面散射作用減弱，界面散射作用權(quán)重增強(qiáng)。但也有結(jié)果表明，界面粗糙度增大只會導(dǎo)致GMR減小。當(dāng)然，膜厚增加會影響到多層膜中晶體的生長情況，不同膜厚產(chǎn)生晶界的變化也將影響到GMR的值。緩沖層與覆蓋層為了制備良好的多層結(jié)構(gòu)，常在襯底上沉積5~10nm的緩沖層，如Fe、Zn、Ru等，這樣可改善多層織構(gòu)，降低層厚起伏和界面粗糙度，有利于獲得平整的界面。為防止氧化，要在表面沉積覆蓋層。然而這兩種附加層會對多層膜的電阻其短路作用和分流作用。當(dāng)前第18頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)溫度依賴性MR比值隨溫度上升而減小。因?yàn)闇囟壬仙龝r(shí)引入了更多的散射，如聲子、磁振子散射，使電阻率上升，MR比值下降。另外，高溫附加散射不同于低溫下雜質(zhì)及缺陷散射，改變了不對稱散射因子。再者，磁振子散射導(dǎo)致自旋混合效應(yīng)，從而減弱了巨磁電阻效應(yīng)。界面結(jié)構(gòu)包括界面結(jié)構(gòu)取向、界面粗造度、能使磁性層間發(fā)生耦合作用的針孔效應(yīng)、界面區(qū)不同成分的原子相互滲透的程度等。例如，在Ni/Cu和NiFe/Cu自旋閥結(jié)構(gòu)中，界面原子磁矩因界面原子互擴(kuò)散而減少并變得雜亂無章，從而導(dǎo)致GMR的顯著降低。當(dāng)前第19頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)自旋閥GMR材料在通常的磁性多層膜中存在較強(qiáng)的層間交換耦合，阻礙了相鄰磁層中磁矩相對取向發(fā)生變化，GMR效應(yīng)必須在很高的飽和外磁場(10至20kOe)才能達(dá)到，所以這樣的多層膜體系的磁電阻的靈敏度非常小。1991年，IBM公司的B·Dieny提出鐵磁層/隔離層/鐵磁層/反鐵磁層結(jié)構(gòu)，并首先在NiFe/Cu/NiFe/FeMn多層膜中發(fā)現(xiàn)了低飽和場GMR效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)的多層膜利用電子的自旋特性，像閥一樣限制電子的移動，故命名為自旋閥(spinvalve)。當(dāng)前第20頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)自旋閥通常可分為兩種基本方式：一種被非磁層分開的兩軟磁層之一用反鐵磁層(如MnFe或NiO)通過交換作用釘扎，如MnFe/FeNi/Cu/FeNi自旋閥多層膜結(jié)構(gòu)；另一種是具有不同矯頑力的兩鐵磁層(通常一軟一硬)用非磁層分開。自旋閥GMR材料

“釘扎層”“被釘扎層”“自由層”“分隔層”第一類自旋閥示意圖第二類自旋閥示意圖

“硬磁性層”“軟磁性層”“分隔層”

當(dāng)前第21頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)采用第一種方式的GMR自旋閥基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。該類自旋閥多層膜結(jié)構(gòu)原理上可以分為四層：反鐵磁釘扎層，鐵磁被釘扎層，非磁性分隔層和鐵磁自由層。其中，自由層和被釘扎層采用軟鐵磁材料(也可采取自由層為軟鐵磁材料，被釘扎層使用硬鐵磁材料的結(jié)構(gòu))，它們之間的非磁性金屬隔離層，只對自由層和被釘扎層進(jìn)行磁隔離，而不進(jìn)行電隔離，改變其厚度可以控制在其兩面磁性薄膜之間的耦合強(qiáng)度，外磁場可以較方便地改變自出層的磁矩而較難改變被釘扎層的磁矩。

“釘扎層”“被釘扎層”“自由層”“分隔層”第一類自旋閥示意圖當(dāng)前第22頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)實(shí)例分析：

FeMn（7nm）TaNiFe（4.5）Cu（2.2nm）NiFe（6nm）NiFe（6nm）/Cu（2.2nm）/NiFe（4.5）/FeMn（7nm）自旋閥示意圖當(dāng)前第23頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)在磁場強(qiáng)度等于NiFe（6nm）層的反向矯頑力的外場作用下，NiFe（6nm）層中的磁化矢量首先翻轉(zhuǎn)，這時(shí)，在兩個(gè)NiFe層中的磁化矢量成反平行排列，這就形成了電子自旋相關(guān)散射的高電阻態(tài)。如果磁場在反方向上繼續(xù)增加，當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值時(shí)，NiFe（4nm）層也轉(zhuǎn)向磁場方向，這就形成了電子自旋相關(guān)的低電阻態(tài)。自旋閥的磁化曲線（a）和磁電阻曲線（b）當(dāng)前第24頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)采用第二種方式的GMR自旋閥基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。可以用硬鐵磁層（如PtCo）代替釘扎層和被釘扎層，因?yàn)槎叩某C頑力不同，在適當(dāng)磁場下亦可使相鄰鐵磁層的磁化方向從接近平行變化到平行飽和狀態(tài)，從而也得到巨磁電阻。相對第一種方式其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，且可選擇抗腐蝕和熱穩(wěn)定性好的硬磁材料，克服了自旋閥的不耐腐蝕和穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是硬磁層與自由層之間存在耦合，自由層的矯頑力增大，因此降低了自旋閥的靈敏度。第二類自旋閥示意圖

“硬磁性層”“軟磁性層”“分隔層”

當(dāng)前第25頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)自旋閥的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：磁電阻變化率?R/R對外磁場的響應(yīng)呈線性關(guān)系，頻率特性好；低飽和場，工作磁場??；與AMR相比，電阻隨磁場變化迅速，因而操作磁通小，靈敏度高；利用層間轉(zhuǎn)動磁化過程能有效地抑制Barkhausen噪聲，信噪比高。缺點(diǎn)：自旋閥多層膜的磁電阻變化量并不大，同時(shí)現(xiàn)在面臨的最大問題是它的抗腐蝕和熱穩(wěn)定性都不太好。當(dāng)前第26頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)納米顆粒結(jié)構(gòu)的GMR效應(yīng)金屬顆粒膜是指鐵磁性金屬（如Co、Fe等）以顆粒的形式分散地鑲嵌于非互熔的非磁性金屬（如Ag、Cu等）的母體中所構(gòu)成的復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)室中常采用磁控濺射、離子束濺射等方法，顆粒的尺寸大小可以通過控制退火溫度或者襯底溫度來實(shí)現(xiàn)，其尺寸范圍可在幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米之間任意變化。顆粒膜是以微顆粒的形式彌散于薄膜中，不同于合金、化合物，屬于非均勻相組成體系。顆粒膜示意圖當(dāng)前第27頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)當(dāng)外加于顆粒膜的磁場為零時(shí)，顆粒膜的磁化強(qiáng)度為零，各鐵磁顆粒的磁化方向混亂排列，傳導(dǎo)電子受到最大的散射作用，樣品處于大電阻狀態(tài)，當(dāng)外磁場增加時(shí)，顆粒膜存在一定的磁化強(qiáng)度，各鐵磁顆粒的磁化方向趨于外磁場方向，傳導(dǎo)電子所受散射小，樣品電阻降低。（a）無外加磁場（b）外加飽和磁場顆粒膜中磁化狀態(tài)當(dāng)前第28頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)影響GMR效應(yīng)的因素

當(dāng)前第29頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)當(dāng)磁性顆粒體積百分?jǐn)?shù)低時(shí)，顆粒數(shù)目少，散射中心少，此外顆粒間距大，如間距大于電子在介質(zhì)中的平均自由程時(shí)，將降低巨磁電阻效應(yīng)，因此隨著鐵磁濃度增加，總的趨勢是增大巨磁電阻效應(yīng)的。然而在顆粒濃度增大的同時(shí)，顆粒尺寸亦將變大，當(dāng)顆粒尺寸超過電子在顆粒內(nèi)平均自由程時(shí)，又將減低巨磁電阻效應(yīng)。此外，隨著顆粒濃度增加，顆粒間相互作用增強(qiáng)，在一定濃度時(shí)在顆粒膜中可以形成磁疇結(jié)構(gòu)，GMR效應(yīng)消失，于是在一定鐵磁顆粒濃度時(shí)將呈現(xiàn)GMR效應(yīng)極大值。Co-Ag,Fe-Ag等顆粒膜的巨磁電阻效應(yīng)與組成的關(guān)系當(dāng)前第30頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)隧道磁電阻（TMR）效應(yīng)

當(dāng)前第31頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)TMR效應(yīng)的定性解釋是:在隧道結(jié)中,磁場克服兩鐵磁層的矯頑力就可使它們的磁化方向轉(zhuǎn)到磁場方向而趨于一致,這時(shí)隧道電阻為最小值;如將磁場減少至負(fù),矯頑力小的鐵磁層的磁化方向首先反轉(zhuǎn),兩鐵磁層的磁場方向相反,隧道電阻為極大值。隧道結(jié)中鐵磁層磁化平行與反平行時(shí)電子隧穿情況示意圖當(dāng)前第32頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)隧道結(jié)的優(yōu)點(diǎn)TMR效應(yīng)具有很高的磁場靈敏度隧道結(jié)中兩鐵磁層間不存在層間耦合，隧道結(jié)的飽和磁場很低，只需要一個(gè)很小磁場就可以實(shí)現(xiàn)兩鐵磁層從平行到反平行的轉(zhuǎn)變。隧道結(jié)的電阻可調(diào)且范圍寬與多層膜巨磁電阻相比，隧道結(jié)具有很高的電阻，其電阻可以通過調(diào)整絕緣層厚度在很寬的范圍內(nèi)改變，有利于和外電路實(shí)現(xiàn)匹配。進(jìn)入時(shí)間短隧道巨磁電阻需要的是小電流、低電壓信號。當(dāng)前第33頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)三、巨磁電阻的應(yīng)用1、SV-GMR(spinvalve)磁頭和傳感器2、巨磁電阻隨機(jī)存取存儲器3、其他方面的應(yīng)用當(dāng)前第34頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)SV-GMR磁頭和傳感器磁頭：硬盤中對盤片進(jìn)行讀寫工作的工具用線圈纏繞在磁芯上制成的磁頭通過感應(yīng)旋轉(zhuǎn)的盤片上磁場的變化來讀取數(shù)據(jù)；通過改變盤片上的磁場來寫入數(shù)據(jù)磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片直接接觸當(dāng)前第35頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)36局部磁化單元載磁體寫線圈SNI局部磁化單元寫線圈SN鐵芯磁通磁層寫入“0”寫入“1”I磁記錄原理(寫入)當(dāng)前第36頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)37磁記錄原理（讀出）N讀線圈S讀線圈SN鐵芯磁通磁層運(yùn)動方向運(yùn)動方向ssttffee讀出“0”讀出“1”當(dāng)前第37頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)當(dāng)硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時(shí)，勢必要求磁盤上每一個(gè)被劃分出來的獨(dú)立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號也就越來越弱。借助“巨磁電阻”效應(yīng)，人們才得以制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠被清晰讀出，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化當(dāng)前第38頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)硬盤的發(fā)展1956IBM的科學(xué)家ReynoldJohnson推出的第一個(gè)硬盤配備了50個(gè)直徑約61厘米的鋁合金盤片，由于磁頭靈敏度不理想，存儲容量十分有限，只能存儲4.4兆數(shù)據(jù)硬盤之父第一個(gè)硬盤50個(gè)盤片當(dāng)前第39頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)硬盤的發(fā)展1994IBM的科學(xué)家StuartParkin首次在HDD中使用了GMR效應(yīng)的自旋閥(spinvalve簡稱GMRSV)結(jié)構(gòu)的讀出磁頭,取得了每平方英寸10億位(1Gb/inch2)的HDD面密度世界紀(jì)錄體積變小，容量變大StuartParkin當(dāng)前第40頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)硬盤的發(fā)展1997年，IBM生產(chǎn)出第一個(gè)應(yīng)用“巨磁電阻”技術(shù)的硬盤。并很快引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命2000年希捷硬盤巨磁電阻硬盤當(dāng)前第41頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)硬盤的發(fā)展2001年，美國蘋果公司推出第一代硬盤式音樂播放器，轟動全球今天，蘋果公司的新一代iPod播放器容量高達(dá)160(8GB和16GB)，不管是用來聽音樂還是看電影，存儲空間都不是問題大家都說好！當(dāng)前第42頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)硬盤的發(fā)展目前市場上銷售的最大容量硬盤是4TB硬盤密度隨時(shí)間的增長硬盤每英寸的面密度當(dāng)前第43頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻位移傳感器GMR傳感器具有靈敏度高、可靠性好、測量范圍寬、抗惡劣環(huán)境、體積小等優(yōu)點(diǎn)位移傳感器即線性傳感器，利用巨磁電阻的高靈敏性而測量位移的變化它的基本結(jié)構(gòu)是由釘扎磁性層（例如Co）、Cu間隔層和自由磁性層（例如Ni、Fe等易磁化層）組成的多層膜。由于釘扎層的磁矩與自由磁層的磁矩之間的夾角發(fā)生變化會導(dǎo)致SV-GMR元件的電阻值改變，進(jìn)而使讀出電流發(fā)生變化位移傳感器分辨率可達(dá)1μm級當(dāng)前第44頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻轉(zhuǎn)速傳感器車輪轉(zhuǎn)速傳感器當(dāng)鐵齒輪轉(zhuǎn)動時(shí),靠近鐵齒輪的永磁體的磁邊緣場的分布會發(fā)生變化。在圖示位置放一個(gè)GMR薄膜傳感器,當(dāng)鐵齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí),它對磁通的變化方向產(chǎn)生感應(yīng)。這種GMR薄膜傳感器已被用來檢測汽車的速度當(dāng)前第45頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻生物傳感器生物傳感器圖示生物傳感器的應(yīng)用當(dāng)前第46頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻生物傳感器把磁性顆粒表面包一層合適的抗體,這種抗體只與特定的被分析物(如病毒,細(xì)菌等)結(jié)合,則這些磁性顆?？杀挥米魃锸聚櫋０延纱判灶w粒組成的檢測溶液分散到裝有GMR傳感組件的集成電路芯片上,GMR傳感組件本身也包上同樣的抗體。溶液中的被分析物就會與傳感器結(jié)合,并帶上磁標(biāo)記。磁標(biāo)記的磁邊緣場對GMR組件產(chǎn)生作用并改變其電阻。通過檢測這些GMR組件的電性能,就能夠直接進(jìn)行檢測溶液中的被分析物的濃度等方面的分析基于磁場生物傳感器原理當(dāng)前第47頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻效應(yīng)在隨機(jī)存儲器(MRAM)中的應(yīng)用

目前廣泛采用的半導(dǎo)體動態(tài)存儲器(DRAM)和靜態(tài)存儲器(SRAM)機(jī)器斷電時(shí)，所存數(shù)據(jù)會全部丟失，且抗輻射性能差利用GMR效應(yīng)制作的MRAM是采用納米制造技術(shù)，把沉積在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成圖形陣列，形成存儲單元，以相對兩磁性層的平行磁化狀態(tài)和反平行磁化狀態(tài)分別代表信息“1”和“0”隨機(jī)存儲器當(dāng)前第48頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻效應(yīng)在隨機(jī)存儲器(MRAM)中的應(yīng)用

和現(xiàn)有的半導(dǎo)體RAM相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是非易失、抗輻射、長壽命、結(jié)構(gòu)簡單和低成本，基本上可以不限次數(shù)的重寫。由于使用了GMR材料，每位尺寸的減少并不影響讀取信號的靈敏度，可實(shí)現(xiàn)最大的存儲密度。當(dāng)前第49頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻效應(yīng)在隨機(jī)存儲器(MRAM)中的應(yīng)用

寫入時(shí)改變TMR元件的電阻，改變磁化方向?qū)懭搿?”時(shí)產(chǎn)生與下層同向的磁場。上層磁化方向與下層平行，電阻就會減小寫入“1”時(shí)正好相反，產(chǎn)生與下層反向平行的磁場，從而使上下兩層的磁化方向形成反平行，此時(shí)電阻則增大讀取時(shí)，則在TMR元件中傳導(dǎo)電流，通過電流大小確定信號假如是“0”，由于電阻小，電流就大；假如是“1”，由于電阻大，電流就小MRAM基本架構(gòu)示意圖當(dāng)前第50頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻效應(yīng)在隨機(jī)存儲器(MRAM)中的應(yīng)用

圖中下方左側(cè)是一個(gè)晶體管，當(dāng)它導(dǎo)通時(shí)，電流可流過存儲單元MTJ(磁性隧道結(jié))，通過與參考值進(jìn)行比較，判斷存儲單元阻值的高低，從而讀出所存儲的數(shù)據(jù)當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，電流可流過編程線1和編程線2(圖中Writeline1和WriteLine2)，在它們所產(chǎn)生的編程磁場的共同作用下，使自由層的磁場方向發(fā)生改變，從而完成編程的操作MRAM結(jié)構(gòu)晶體管當(dāng)前第51頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻效應(yīng)在隨機(jī)存儲器(MRAM)中的應(yīng)用Honeywell公司是第一家利用GMR材料做存儲器芯片的公司1995年，IBM公司的Tang等人提出了自旋閥型GMR存儲單元設(shè)計(jì)方案，它采用NiFe/Cu/NiFe/FeMn自旋閥巨磁電阻多層膜作為存儲單元條，其開關(guān)速度在亞納秒(10-10s)數(shù)量級。2003年，Motorola公司發(fā)布了4Mb的MRAM樣品，其尺寸僅有0.55μm2。當(dāng)前第52頁\共有58頁\編于星期日\22點(diǎn)巨磁電阻效應(yīng)在隨機(jī)存儲器(MRAM)中的應(yīng)用BIOS芯片蜂窩電話傳真機(jī)固態(tài)錄像機(jī)航