“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(jiǎn)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(cè)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?？茖W(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(duì)CMR、TMR原理的進(jìn)一步研究和認(rèn)識(shí)，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(duì)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)大約為0.5Oe，地磁場(chǎng)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(cè)地磁場(chǎng)的高級(jí)羅盤。當(dāng)可以同時(shí)探測(cè)平面內(nèi)磁場(chǎng)X和Y方向分量的GMR磁場(chǎng)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(duì)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(chǎng)傳感器隨輪船的方向改變而改變其和地磁場(chǎng)的夾角，相對(duì)來說，也可以等效為地磁場(chǎng)的方向在改變。我們已研制出能夠探測(cè)磁場(chǎng)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(chǎng)分布。通過用GMR弱場(chǎng)傳感器可探測(cè)各種車輛的磁場(chǎng)分布進(jìn)而確定該車輛的型號(hào)。利用GMR傳感器不僅可探測(cè)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(chǎng)處停車位置的監(jiān)控，而且也可探測(cè)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(cè)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(chǎng)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(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此通過GMR磁場(chǎng)傳感器可以把隱蔽的物體找出來。當(dāng)然，GMR磁場(chǎng)傳感器可以應(yīng)用在衛(wèi)星上，用來探測(cè)地球表面上的物體和底下的礦藏分布。

磁場(chǎng)傳感器的導(dǎo)航原理
2）GMR磁場(chǎng)傳感器可來探測(cè)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(chǎng)，其磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與通電電流的大小成正比。若將GMR磁場(chǎng)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(cè)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(chǎng)，并研制出線性測(cè)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(cè)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(cè)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(jí)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(cè)直流。GMR磁場(chǎng)傳感器不僅可用來探測(cè)直流和交流而且還可保證上下級(jí)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(cè)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(jí)信號(hào)通過電壓/頻率轉(zhuǎn)換并傳給下一級(jí)，在下一級(jí)再通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換成為電壓或電流信號(hào)，因此上下級(jí)而不相互干擾。這種探測(cè)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(cè)微安級(jí)的交直流及探測(cè)磁場(chǎng)范圍在正負(fù)20Oe的GMR磁場(chǎng)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(cè)量電流的原理圖。

3）GMR傳感器可用來測(cè)量微小的位移及其相關(guān)的應(yīng)用

GMR磁場(chǎng)傳感器來探測(cè)被測(cè)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(duì)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(chǎng)中的移動(dòng)，因此磁場(chǎng)傳感器的輸出則反映著磁場(chǎng)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(chǎng)分布。我們已研制出一種能同時(shí)探測(cè)X—Y方向位移的磁場(chǎng)傳感器。由于采用集成技術(shù)，可使該磁場(chǎng)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(shí)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?jī)x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(cè)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(chǎng)觸發(fā)磁場(chǎng)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?；钊跉飧字械倪\(yùn)動(dòng)情況也可以通過GMR位移傳感器給探測(cè)出來。