磁性的魅力——非“巨人”的GMR磁阻传感器
2016-09-02 17:55:39 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
与霍尔（Hall）传感器和各向异性磁阻（AMR）传感器相比，巨磁阻（GMR, Giant Magneto Resistance）传感器要年轻的多！这是因为GMR效应的发现比霍尔效应和AMR效应晚了100多年；相应地，GMR磁阻传感器的研发也晚了很多年，市场份额也较前两者少。
年轻的80后“GMR”
与霍尔（Hall）传感器和各向异性磁阻（AMR）传感器相比，巨磁阻（GMR, Giant Magneto Resistance）传感器要年轻的多！这是因为GMR效应的发现比霍尔效应和AMR效应晚了100多年；相应地，GMR磁阻传感器的研发也晚了很多年，市场份额也较前两者少。
1988年，德国科学家格林贝格尔发现了一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。同时，法国科学家费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍。费尔和格林贝格尔也因发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。
一般的磁铁金属，在加磁场和不加磁场下电阻率的变化为1%~3%，但铁磁金属/非磁性金属/铁磁金属构成的多层膜，在室温下可以达到25%，低温下更加明显，这也是巨磁阻效应的命名缘由。
GMR和AMR在外加磁场下电阻率变化示意图
“巨”（giant）来描述此类磁电阻效应，并非仅来自表观特性，还由于其形成机理不同。常规磁电阻源于磁场对电子运动的直接作用，呈各向异性磁阻，即电阻与磁化强度和电流的相对取向有关。相反，GMR磁阻呈各向同性，与磁化强度和电流的相对取向基本无关。巨磁阻效应仅依赖于相邻磁层的磁矩的相对取向，外磁场的作业只是为了改变相邻铁磁层的磁矩的相对取向。除此以外，GMR效应更重要的意义是为进一步探索新物理——比如隧穿磁阻效应（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋电子学（Spintronics）以及新的传感器技术奠定了基础。而TMR越来越受到磁传感器厂商的青睐，或将成为磁传感器市场的新宠儿！
GMR效应的首次商业化应用是1997年，由IBM公司投放市场的硬盘数据读取探头。到目前为止，巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术。
GMR磁阻传感器的“面目”
具有GMR效应的材料主要有多层膜、颗粒膜、纳米颗粒合金薄膜、磁性隧道结合氧化物、超巨磁电阻薄膜等五种材料。其中自旋阀型多层膜的结构在当前的GMR磁阻传感器中应用比较广泛。
自旋阀主要有自由层（磁性材料FM），隔离层（非磁性材料NM），钉扎层（磁性材料FM）和反铁磁层（AF）四层结构。
自旋阀GMR磁阻传感器基本结构
GMR磁阻传感器由四个巨磁电阻构成惠斯通电桥结构，该结构可以减少外界环境对传感器输出稳定性的影响，增加传感器灵敏度。当相邻磁性层磁矩平行分布，两个FM/NM界面呈现不同的阻态，一个界面为高阻态，一个界面为低阻态，自旋的传导电子可以在晶体内自由移动，整体上器件呈现低阻态；而当相邻磁性层磁矩反平行分布，两种自旋状态的传导电子都在穿过磁矩取向与其自旋方向相同的一个磁层后，遇到另一个磁矩取向与其自旋方向相反的磁层，并在那里受到强烈的散射作用，没有哪种自旋状态的电子可以穿越FM/NM界面，器件呈现高阻态。
平行磁场和反平行磁场作用下的等效电路图
巨磁阻传感器市场不“巨”大
GMR磁阻传感器在整个磁传感器市场中没有显示出像它名字一样的“巨人”地位。根据麦姆斯咨询报告显示，最近几年在全球磁传感器的市场份额大约在7.5%左右徘徊。这是因为GMR磁阻传感器商业化时间晚于霍尔传感器和AMR磁阻传感器，制造工艺相对复杂，生产成本也较高。但其具有灵敏度高、能探测到弱磁场且信号好，温度对器件性能影响小等优点，因此市场占有率呈稳定状态。
2013年~2018年全球GMR磁阻传感器市场规模及预测
就其应用而言，GMR磁阻传感器在消费电子、工业、国防军事及医疗生物方面均有所涉及。
1. 地磁探测：利用GMR薄膜可做成用来探测地磁场的高级电子罗盘。在交通运输方面，可以探测到车辆大小、位置等数据，用于监控高速公路车流量和停车场车辆停放情况。军事上，通过GMR磁阻传感器可以把隐蔽的物体找出来。应用在卫星上，用来探测地球表面上的物体和底下的矿藏分布。
2. 微小位移测量：利用永磁铁作为参照物，参照物相对于磁传感器的运动可等效为器件在均匀梯度的磁场中的移动，因此磁场传感器的输出则反映着磁场传感器或永磁铁的位移量。这种应用可以在机器人手臂控制，机床加工精度控制等。
3. 角速度和角度位移测量：当一块磁铁固定在转动轮子的边沿而GMR磁阻传感器固定在轮子的旁边并保持一定的距离时，磁铁随轮子而转动，轮子转动一圈，就会产生一个电压脉冲输出。这类应用大量使用在远程抄表、汽车刹车系统（ABS）和助力转向（EPS）系统上。英飞凌封装集成两颗GMR/AMR的角度传感器用于EPS系统，这两颗传感器都具备单独的电源和独立的信号输出，借助电隔离技术实现了二者的电气独立，从而提高了系统可靠性。
4. 生物医疗：将细胞、蛋白质、抗体、病原体、病毒、DNA等用纳米级的磁性小颗粒来标记，也就是磁化这些被探测的对象，再用高灵敏度的GMR磁阻传感器来探测它们的具体位置。这种应用方式在医学及临床分析、DNA分析、环境污染监测有非常重要意义。
5. 消费类电子罗盘：GMR磁力计在消费电子领域的主要应用是智能手机的电子罗盘。日本YAMAHA是GMR磁力计的主要生产厂商。据麦姆斯咨询报告显示，2011年YAMAHA推出YAS532B，封装尺寸为1.46mm x 1.46mm，为三星Galaxy S4智能手机采用。在2014年再次推出YAS537，面积较上一代减少32%，应用于三星Galaxy S6。YAMAHA的GMR磁力计和AKM的霍尔磁力计占据了该应用市场的80%份额。