“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，總是促進(jìn)人類文明一次次飛速的進(jìn)步。人類進(jìn)入20年代末的時(shí)候，一門新的學(xué)科——磁電子學(xué)又產(chǎn)生于科學(xué)技術(shù)的全面發(fā)展中。它吸取最新科技發(fā)展的精華，融合磁學(xué)與微電子學(xué)之所長，發(fā)展其所不及，給人類技術(shù)文明發(fā)展又揭開了一頁新的篇章。

一 、巨磁電阻效應(yīng)簡介

磁電子學(xué)是一門以研究介觀尺度范圍內(nèi)自旋極化電子的輸運(yùn)特性以及基于它的這些獨(dú)特性質(zhì)而設(shè)計(jì)、開發(fā)的在新的機(jī)理下工作的電子器件為主要內(nèi)容的一門交叉學(xué)科。它研究的對象包括載流電子的自旋極化、自旋相關(guān)散射、自旋弛豫以及與此相關(guān)的性質(zhì)及其應(yīng)用等。

電子既是電荷的負(fù)載體，同時(shí)又是自旋的負(fù)載體。以研究、控制和應(yīng)用半導(dǎo)體中數(shù)目不等的電子和空穴（即多數(shù)載流子和少數(shù)載流子）的輸運(yùn)特性為主要內(nèi)容的微電子學(xué)是二十世紀(jì)人類最偉大的創(chuàng)造之一。但在這里自旋狀態(tài)是不與考慮的，電子的輸運(yùn)過程僅利用它的荷電性由電場來控制。是否可以利用電子的自旋來操縱它的輸運(yùn)過程呢？這正是磁電子學(xué)所要研究的主要內(nèi)容。

對巨磁電阻效應(yīng)的研究就是磁電子學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容。磁場作用于磁性多層膜中導(dǎo)電電子的自旋，導(dǎo)致膜電阻發(fā)生很大的變化。這種變化可以通過測量電阻或以電壓方式反映出來。根據(jù)這種特點(diǎn)可以在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

二 、巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用

科技服務(wù)于人類。科學(xué)技術(shù)只有同應(yīng)用相結(jié)合才能發(fā)揮其“第一生產(chǎn)力”的作用并同時(shí)擁有強(qiáng)大的生命力。磁電子學(xué)的產(chǎn)生是巨大應(yīng)用前景促進(jìn)的結(jié)果，同時(shí)從其產(chǎn)生之初即為應(yīng)用服務(wù)。到目前磁電子學(xué)的研究仍在世界范圍轟轟烈烈地進(jìn)行，它的應(yīng)用已發(fā)展到計(jì)算機(jī)磁頭、巨磁電阻傳感器、磁隨機(jī)存貯器等許多領(lǐng)域，隨著對CMR、TMR原理的進(jìn)一步研究和認(rèn)識，必將開拓更為廣闊的應(yīng)用前景。鑒于磁電子學(xué)技術(shù)的新穎性和復(fù)雜性，對于磁電子學(xué)的研究仍在持續(xù)不斷地進(jìn)行，其應(yīng)用現(xiàn)在還僅限于巨磁電阻（GMR）范圍，以下對此作較為詳盡的介紹。其新的應(yīng)用日新月異，還望大家拭目以待。

1．巨磁電阻（GMR）傳感器的應(yīng)用

1）GMR磁場傳感器可用來導(dǎo)航及用于高速公路的車輛監(jiān)控系統(tǒng)

地球是一個(gè)大磁鐵，地球表面的磁場大約為0.5Oe，地磁場平行地球表面并始終指向北方。利用GMR薄膜可做成用來探測地磁場的高級羅盤。當(dāng)可以同時(shí)探測平面內(nèi)磁場X和Y方向分量的GMR磁場傳感器固定在交通工具上，瞬間航向與地球北極的夾角可通過GMR傳感器的X和Y方向的電壓相對改變而確定下來。圖3顯示這種傳感器的具體工作原理。GMR磁場傳感器隨輪船的方向改變而改變其和地磁場的夾角，相對來說，也可以等效為地磁場的方向在改變。我們已研制出能夠探測磁場X和Y方向分量的集成GMR傳感器。此傳感器可作為羅盤并應(yīng)用在各種交通工具上作為導(dǎo)航裝置。美國的NVE公司已經(jīng)把GMR傳感器用在車輛的交通控制系統(tǒng)。我們知道，各種不同的車輛（物體）在外界都有其自身特征的磁場分布。通過用GMR弱場傳感器可探測各種車輛的磁場分布進(jìn)而確定該車輛的型號。利用GMR傳感器不僅可探測靜止車輛的狀況進(jìn)而用在交通燈處的交通控制和停車場處停車位置的監(jiān)控，而且也可探測移動(dòng)車輛的情況。具體來說，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計(jì)算和區(qū)別通過傳感器的車輛。如果同時(shí)分開放置兩個(gè)GMR傳感器，還可以探測出通過車輛的速度和車輛的長度，當(dāng)然GMR也可用在公路的收費(fèi)亭，從而實(shí)現(xiàn)收費(fèi)的自動(dòng)控制。另外高靈敏度和低磁場的傳感器可以用在航空、航天及衛(wèi)星通信技術(shù)上。大家知道，在軍事工業(yè)中隨著吸波技術(shù)的發(fā)展，軍事物件可以通過覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無論如何都會產(chǎn)生磁場，因此通過GMR磁場傳感器可以把隱蔽的物體找出來。當(dāng)然，GMR磁場傳感器可以應(yīng)用在衛(wèi)星上，用來探測地球表面上的物體和底下的礦藏分布。

磁場傳感器的導(dǎo)航原理
2）GMR磁場傳感器可來探測DC、AC電流及用作隔離器和電子線路中的反饋系統(tǒng)（開關(guān)電源）

眾所周知，通電導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，其磁場的強(qiáng)弱與通電電流的大小成正比。若將GMR磁場傳感器及環(huán)形軟磁集磁通器放置在通電導(dǎo)線附近，則由GMR傳感器的輸出電壓可以測量導(dǎo)線中通過的電流。我們已利用反鐵磁耦合的FeNi/FeCo/Cu的多層膜和集成的永磁薄膜作為偏場，并研制出線性測量范圍正負(fù)200Oe的惠斯通電橋傳感器。利用這種傳感器可探測電流高達(dá)10,000安培的直流和交流。目前有三種辦法可用來探測電流：電阻短路的辦法，其缺點(diǎn)在于引入一電壓降和這種方法不能提供上下級的隔離。電流轉(zhuǎn)換器則基于安培定理，但是其僅僅用來探測直流。GMR磁場傳感器不僅可用來探測直流和交流而且還可保證上下級隔離。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，目前已把GMR薄膜傳感器和集成線路板結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)了小型化、集成化，提高了靈敏度和降低了成本。另外電流探測原理，目前已經(jīng)用作隔離器、開關(guān)電源和無刷直流電機(jī)系統(tǒng)。隔離器主要是把高電壓及高電流情況下的初級信號通過電壓/頻率轉(zhuǎn)換并傳給下一級，在下一級再通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換成為電壓或電流信號，因此上下級而不相互干擾。這種探測電流大小的隔離器已被葡萄牙的一家公司所采用。至于開關(guān)電源，我們利用兩次沉積自旋閥多層膜的辦法，已研制出可探測微安級的交直流及探測磁場范圍在正負(fù)20Oe的GMR磁場傳感器。并且與西班牙的一所大學(xué)合作，成功地把這種傳感器用在開關(guān)電源線路中作為反饋系統(tǒng)，可改善其頻率輸出特性高達(dá)1MHz。至于在無刷直流電機(jī)的應(yīng)用：大家知道，有刷直流電機(jī)是用接觸碳刷或金屬片做整流子供電，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種接觸式整流子因摩擦給電機(jī)帶來非常不好的影響，比如使用壽命短、噪音大、有火花、產(chǎn)生干擾電磁波等。如果用GMR傳感器代替電機(jī)的摩擦整流子，那么就可以避免因電刷摩擦而帶來的影響，而且還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)及其調(diào)速和穩(wěn)速的目的。因此，它的穩(wěn)定性和可靠性都非常高。另外，這種無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩-重量比較大，速度轉(zhuǎn)矩特性的線性度比較好。圖4.給出了測量電流的原理圖。

3）GMR傳感器可用來測量微小的位移及其相關(guān)的應(yīng)用

GMR磁場傳感器來探測被測物體的位移的原理是通過利用一永磁鐵作為參照物，參照物相對于磁傳感器的運(yùn)動(dòng)可等效為磁敏器件在均勻梯度的磁場中的移動(dòng)，因此磁場傳感器的輸出則反映著磁場傳感器或永磁鐵的位移量。圖5給出一圓柱磁鋼及其周圍的磁場分布。我們已研制出一種能同時(shí)探測X—Y方向位移的磁場傳感器。由于采用集成技術(shù)，可使該磁場傳感器小型化，同時(shí)提高了精度。這種傳感器已成功運(yùn)用在機(jī)器人及機(jī)械手的控制系統(tǒng)，并使其智能化和拿取、放置物體。另外也使機(jī)器人具有識別物體的功能。這種位移傳感器也可用在電梯及相應(yīng)的升降系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)。此外，可以用GMR位移傳感器改造某些傳統(tǒng)的工業(yè)儀表，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。例如，浮子流量計(jì)是一種得到廣泛應(yīng)用的非電量儀表，如果改用磁性浮子和外配一個(gè)GMR磁位移傳感器，就能制成一個(gè)有電壓輸出的數(shù)字型位移傳感器。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了實(shí)現(xiàn)電子點(diǎn)火，往往需要精密堅(jiān)固的位移傳感器來測量發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)角，決定點(diǎn)火時(shí)間。以前多用霍爾元件，現(xiàn)在完全可以用GMR替代，從而提高工作溫度范圍和降低磁場觸發(fā)磁場的強(qiáng)度。GMR位移傳感器也可用在精密機(jī)床上來提高機(jī)械加工的精度。活塞在氣缸中的運(yùn)動(dòng)情況也可以通過GMR位移傳感器給探測出來。