巨磁电阻现象及磁敏材料特征

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磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，称为巨磁阻效应；而在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体，称为超巨磁阻效应。

左面和右面的材料结构相同，两侧是磁性材料薄膜层（蓝色），中间是非磁性材料薄膜层（橘色）。左面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相同。当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，都呈现小电阻。当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时，电子较难通过两层磁性材料，都呈现大电阻。这是因为电子的自旋方向与材料的磁化方向相反，产生散射，通过的电子数减少，从而使得电流减小。

右面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相反。当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，呈现小电阻；但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，呈现大电阻。当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相反的电子通过时，电子较难通过，呈现大电阻；但较容易通过第二层磁化方向与电子自旋方向相同的磁性材料，呈现小电阻。　

巨磁电阻结构组成特点。巨磁电阻效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致电阻值的变化。多层GMR 结构中，无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁矩是反平行耦合的。在足够强的外磁场作用下，铁磁膜的磁矩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。

磁敏材料能通过磁阻效应将磁信号转换成电信号。磁阻效应包括材料的电阻率随磁场而变化和元件电阻值随磁场而变化两种现象。前者称磁电阻率效应或物理磁阻效应，后者称为磁电阻效应或几何磁阻效应。磁敏电阻材料主要是电子迁移率大的半导体材料，还有铁镍钴合金。常用的半导体有InSb（或InSb-NiSb共晶材料）、砷化铟（InAs）和砷化镓（GaAs）等材料，一般用N型。高纯度InSb和InAs的电子迁移率分别为5.6～6.5m/（V•s）和2.0～2.5m/（V•s）。InSb的禁带宽度小，受温度影响大。GaAs的禁带宽度大，电子迁移率也相当大［0.8m/（V•s）］，受温度影响小，且灵敏度也高。镍钴合金和镍铁合金的电阻温度系数小，性能稳定，灵敏度高，且具有方向性，可制作强磁性磁阻器件，用于磁阻的检测等方面。

用半导体材料制作的磁敏电阻器、无触点电位器、模拟运算器和磁传感器等应用于测量、计算机、无线电和自动控制等方面。半导体InSb-NiSb磁敏电阻器用于磁场、电流、位移和功率测量及模拟运算器等方面，其阻值为10Ω～1kΩ，相对灵敏度6～18（B=1T），温度系数-2.9%～0.09%（1/℃）（B=1T），极限工作频率1～10MHz。在测量小于0.01T的弱磁场时，必须附加以偏置磁场才能进行。

Ni-Co薄膜磁敏电阻器主要用于探测磁场方向、磁带位置检测、测量和控制转速或速度以及无触点开关等方面。阻值有1、10、250kΩ，相对灵敏度2%以上（3&TImes;10T下），温度系数3000±500&TImes;10（1/℃），感应磁场3&TImes;10T以上，工作温度-55～150℃。在检测磁场反转或可逆磁场以下的磁信号时，也应采用偏置磁场。

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