隧道磁电阻(TMR)效应.
基于TMR效应的电流传感器解读
基于TMR效应的电流传感器解读
电流传感器是能将被测体的电流的信息，按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
电流传感器也称磁传感器，在我们生活中都用到很多磁传感器，比如说电脑硬盘、指南针、电家用电器、智能电网、电动车、风力发等等。
而普通器件测量通过器件的电流非常简单，因为电流电平相对较高，为毫安甚至安培级。
随着移动智能设备的普及，物联网的应用和生物技术的发展，当今器件工作电流低至微安级甚至更低，因此需要更复杂设备进行测量。
隧道磁阻技术(TMR)及其应用简介
隧道磁阻技术（TMR）及其应用简介（浙江巨磁智能技术有限公司Magtron段康靖）一、概述1、磁阻概念：材料的电阻会因外加磁场而增加或减少，电阻的变化量称为磁阻（Magnetoresistance）。
物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。
同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、异向磁阻（AMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。
2、磁阻应用：磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。
磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。
3、穿隧磁阻效应（TMR）：穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。
TMR效应由于具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势，从而展示出十分诱人的应用前景。
此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。
二、穿隧磁阻效应（TMR）的物理简释从经典物理学观点看来，铁磁层（F1）+绝缘层（I）+铁磁层（F2）的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通，而量子力学却可以完美解释这一现象。
当两层铁磁层的磁化方向互相平行，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，此时器件为低阻状态；当两层的磁铁层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，此时隧穿电流较小，器件为高阻状态。
隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用
隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用摘要本文概述了隧道磁电阻（TMR）效应的技术原理，着重介绍了基于TMR 效应的传感器的工作原理和性能特性，分析了其存在的优势和不足，展望了TMR 技术在电力系统中的应用前景。
关键词隧道磁电阻效应；传感器；电力系统0引言传感测量技术贯穿了电力系统发电、输电、变电、配电、用电和调度等主要环节，是实现电力系统智能化的必要条件[1]。
传感器技术的进步与材料学中新发现密切相关。
隧道磁电阻效应是近年新发现的物理现象，本文主要讨论隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用。
1磁电阻效应1.1巨磁电阻效应图1 Fe/Cr多层膜电阻与磁场的关系磁电阻效应是指由磁场引起的材料电阻率发生变化的现象，其变化大小的比率称为磁电阻变化率，记为MR=Δρ/ρ(H)=[ρ(0)-ρ(H)]/ρ(H)。
大多数磁性金属都存在磁电阻效应效应，但MR值很小，一般低于3%，因此实用性较低。
1988年，科学家在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应(Giant MagnetoResistance Effect，GMR效应)（图1）。
GMR效应的MR值接近50%，因此很快实现工业应用并成为大容量硬盘制造的关键技术。
2007年发现GMR效应的两位科学家获得了诺贝尔物理奖[2]。
GMR技术已应用于多种磁敏传感器中，但由于层间交换耦合导致饱和磁场较高，影响了基于GMR技术的传感器的敏感度。
1.2 隧道磁电阻效应随着GMR效应研究的深入，在铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层类型磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）（图2）中发现了隧道磁电阻效应（Tunnel MagnetoResistance Effect，TMR效应），其MR值可以达到400%。
ＴＭＲ效应来源于电子自旋相关的隧穿效应，即当两铁磁层平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，磁性隧道结为低阻态；若两磁性层反平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，这种状态的隧穿电流比较小，是高阻态。
tmr磁传感器使用方法
tmr磁传感器使用方法【原创版4篇】《tmr磁传感器使用方法》篇1TMR(隧道磁电阻) 传感器是一种基于磁电阻效应的磁头传感器，可以测量磁场的强度和方向。
以下是一般性的TMR 磁传感器使用方法:1. 连接电路：将TMR 磁传感器的输出引脚连接到电路中，通常需要连接一个电源和一个输出电路，如示波器或数据采集器。
2. 校准传感器：在使用TMR 磁传感器之前，需要对其进行校准，以确保其输出准确。
校准可以通过使用已知的磁场强度进行，也可以使用特殊的校准设备。
3. 放置传感器：将TMR 磁传感器放置在需要测量磁场的位置，通常需要将其固定在稳定的支架上，以确保其位置不变。
4. 收集数据：将TMR 磁传感器的输出连接到数据采集器或示波器等设备上，收集传感器输出的数据。
可以根据需要对数据进行处理和分析。
5. 调整传感器：根据实际需要，可以对TMR 磁传感器进行调整，以优化其性能。
例如，可以调整传感器的灵敏度或阈值等参数。
不过，TMR 磁传感器的使用方法可能会因具体的应用场景而有所不同。
《tmr磁传感器使用方法》篇2TMR(隧道磁电阻) 传感器是一种基于磁电阻效应的磁头传感器，可以测量磁场的强度和方向。
下面是TMR 磁传感器的一般使用方法:1. 准备材料:TMR 磁传感器、磁铁、电源和示波器等。
2. 连接电路：将TMR 磁传感器连接到电路中，一般需要连接电源正负极和输出信号线。
注意连接时要注意正负极，避免连接错误。
3. 调整传感器：将磁铁放置在TMR 磁传感器的不同位置，观察传感器输出信号的变化。
通过调整磁铁的位置和方向，可以校准传感器的测量范围和灵敏度。
4. 测量磁场：将TMR 磁传感器放置在待测磁场的位置，记录传感器输出信号的变化。
根据传感器的输出信号和磁场的强度和方向之间的关系，可以计算出待测磁场的强度和方向。
5. 数据分析：通过对测量数据的分析，可以得到更多的信息，例如磁场的分布、变化规律等。
《tmr磁传感器使用方法》篇3TMR(隧道磁电阻) 传感器是一种基于磁电阻效应的磁头传感器，可以测量磁场的强度和方向。
磁电阻效应实验报告
一、实验目的1. 理解磁电阻效应的基本原理和现象。
2. 掌握磁电阻效应实验的基本操作和数据处理方法。
3. 分析磁电阻效应在不同材料中的表现，了解其应用前景。
二、实验原理磁电阻效应是指当金属或半导体材料受到磁场作用时，其电阻值发生变化的现象。
根据磁电阻效应的原理，本实验主要分为以下三个部分：1. 磁阻效应：当磁场垂直于电流方向时，电阻值随磁场强度的增加而增加。
2. 巨磁电阻效应（GMR）：在多层膜结构中，由于电子的隧穿效应，当相邻两层膜的磁化方向相反时，电阻值显著降低。
3. 隧道磁电阻效应（TMR）：在隧道结中，当电子隧穿穿过绝缘层时，电阻值随磁场强度的变化而变化。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：磁电阻效应实验仪、磁场发生器、电流表、电压表、信号发生器、示波器、计算机等。
2. 实验材料：磁阻材料、多层膜材料、隧道结材料等。
四、实验步骤1. 磁阻效应实验：（1）将磁阻材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析磁阻效应。
2. 巨磁电阻效应（GMR）实验：（1）将多层膜材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析巨磁电阻效应。
3. 隧道磁电阻效应（TMR）实验：（1）将隧道结材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析隧道磁电阻效应。
五、实验数据与结果1. 磁阻效应实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 1500.3 2000.4 2500.5 3002. 巨磁电阻效应（GMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 53. 隧道磁电阻效应（TMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 5六、实验分析与讨论1. 磁阻效应实验结果表明，随着磁场强度的增加，磁阻材料的电阻值逐渐增加。
磁阻效应的分类和应用
磁阻效应的分类和应用巨磁电阻效应存在于铁磁性(如：Fe,Co,Ni)/非铁磁性(如：Cr,Cu,Ag,Au)的多层膜系统，由于非磁性层的磁交换作用会改变磁性层的传导电子行为，使得电子产生程度不同的磁散射而造成较大的电阻，其电阻变化较常磁阻大上许多，故被称为“巨磁阻”。
1988年由法国物理学家阿尔贝·费尔与德国物理学家彼得·格林贝格分别发现的巨磁阻效应，也被视为是自旋电子学的滥觞。
巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance）是一种量子力学和凝聚态物理学现象，磁阻效应的一种，可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层（几个纳米厚）结构中观察到。
这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。
巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上，具有重要的商业应用价值早在1988年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象：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。
那时，法国的费尔在铁、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，他把这种效应命名为巨磁阻效应（Giant Magneto-Resistive，GMR）。
有趣的是，就在此前3个月，德国优利希研究中心格林贝格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。
巨磁阻效应自从被发现以来就被用于开发研制用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头（Read Head）。
这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。
第一个商业化生产的数据读取探头是由IBM公司于1997年投放市场的，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。
在Grünberg最初的工作中他和他领导的小组只是研究了由铁、铬（Chromium）、铁三层材料组成的样品，实验结果显示电阻下降了1.5%。
隧道磁电阻效应的物理原理
隧道磁电阻效应的物理原理隧道磁电阻（TMR）效应是一种特殊的磁电阻效应，它在隧穿结构中的两个磁性电极之间测量电流时观察到。
隧道磁电阻现象的发现和物理机制的解释对信息存储和传输领域具有重要意义。
隧道磁电阻效应的物理原理可以通过平行磁化的自旋极化电流通过两个磁性电极之间的绝缘材料而实现。
当两个磁电极的磁化方向相同时，电流可以通过绝缘材料，而当两个磁电极的磁化方向相反时，电流是隧穿的。
这种自旋极化电流随磁化方向的改变而改变，导致隧道磁电阻的变化。
隧道磁电阻效应的物理机制涉及到自旋极化和量子力学隧穿的原理。
自旋极化是指在磁场中自旋向上和向下的态分别具有不同的自旋密度。
在隧穿过程中，电子经过绝缘层，其自旋会沿着磁化方向来决定穿越壁的概率。
自旋向上的电子能够减小自旋向下的散射态，因此在磁化方向相同的情况下，电子更容易穿过绝缘层。
而当磁化方向相反时，电子更容易被散射，穿越壁的概率减小，从而导致电流的减小。
此外，该效应的物理机制还涉及到量子力学的隧穿效应。
隧穿是指粒子在经典力学下无法达到的能量大于势垒的区域，但在量子力学描述下，存在一定的概率穿越势垒。
绝缘层实际上形成了一个能垒，电子需要具有足够的能量才能穿过。
但是，由于磁电极的自旋极化导致了势垒的高度发生变化，因此穿越概率也发生改变。
这种自旋诱导的调控使得电流通过绝缘层的变化变得可能。
综上所述，隧道磁电阻效应的物理原理可以归结为两个方面。
首先，自旋极化使得磁化方向相同的电流更容易通过隧穿结构，而磁化方向相反的电流更容易被散射。
其次，量子力学的隧穿效应使得自旋调控下的隧道磁电阻变得可能。
这种物理原理的理解对于设计和优化隧道磁电阻器件具有重要意义，同时也为开发相关的应用提供了基础。
磁性隧道结中隧道磁电阻效应(TMR)的研究的开题报告
磁性隧道结中隧道磁电阻效应（TMR）的研究的开题报告摘要：随着信息技术的快速发展和应用需求的增加，磁性影响逐渐成为实现信息存储和处理的关键技术之一。
在磁性存储领域，隧道磁电阻效应（TMR）已成为当前磁存储中最有前途的技术之一，具有高灵敏度、高速度、低功耗等优点。
磁性隧道结是实现TMR效应的重要组成部分，因此深入研究其物理性质和性能有利于实现更高的磁性存储性能和可靠性。
本文开题报告将介绍磁性隧道结中隧道磁电阻效应的研究现状与发展趋势，并提出本文的研究思路和预期实验结果，旨在深入探究隧道磁电阻效应的机理和物理现象，以及优化磁性隧道结的制备工艺和性能。
关键词：磁性隧道结；隧道磁电阻效应；磁性存储；制备工艺；性能优化。
引言：磁性材料作为现代信息技术中的重要组成部分，已经广泛应用于磁存储、传感器、声学器件等领域。
其中，隧道磁电阻效应（TMR）技术是一种基于电子隧穿效应的磁性存储技术，在磁性存储器件中具有广泛的应用前景。
磁性隧道结是实现TMR效应的基本单元之一，通过控制隧道结的物理性质和性能，可以实现更高的磁性存储性能和可靠性。
因此，深入研究磁性隧道结中隧道磁电阻效应的物理机理和性能，对于推动磁性存储技术的发展具有重要的意义。
本文研究思路：本文旨在通过研究磁性隧道结中隧道磁电阻效应的物理机理和性能，探索优化磁性隧道结的制备工艺和性能，实现更高的磁性存储性能和可靠性。
具体研究思路如下：第一步，分析磁性隧道结制备工艺的影响因素，分析不同制备方法对磁性隧道结的结构和性能的影响；第二步，通过磁性测量和电学测试，研究不同磁性隧道结的磁电阻率和磁化曲线，探究隧道磁电阻效应的物理机理和磁性隧道结的性能特征；第三步，基于理论模拟和优化，探索磁性隧道结的结构和物理性质的改进方法，实现更高的TMR效应和更优异的磁性存储性能。
预期实验结果：本文预期通过对不同制备方法下制备的磁性隧道结的磁性和电性性质进行对比研究，探究各种因素对隧道磁电阻效应的影响，深入探究隧道磁电阻效应的物理现象和机理，并通过调整磁性隧道结的结构和物理性质，实现更高的TMR效应和更优异的磁性存储性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
结果：
T
exp
2
x2
h
2mV Edx exp 2I
x1
简化： 位垒 与坐标无关，T exp 2 h 2mV0 E X 2 X1
（1）强入射、弱势垒 入射能量 E接近 V0、 绝缘层很窄 (X2-X1)→ 0。 那么，I → 0；T→1。 电子的穿透。
（2）弱入射、强势垒 反之。 那么，I → 很大；T→很小。电子受阻。
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D d d D ）
Julliere公式（2）
隧穿电流的大小 ? 问题：I > I ？ 这就是TMR效应
如果 D D d d D d D d 2D d
就有 D D d d 2D d 0
当然 D d 2 0
不同自旋极化状态 等效于
“附加的”空隙。
结束
简单代数运算，得到 Julliere的公式，
TMR 2P1 P2 1 P1 P2
Julliere公式（5）
“保守的”Julliere的公式
TMR I I I
TMR 2P1 P2 1 P1 P2
例子，如果，以Fe和Co 作为电极，
p1Fe 0.44 , P2 Co 0.34
Ch 3 隧道磁电阻（TMR）效应
本讲内容（2学时）重点：
1 隧穿现象和 隧道磁电阻（TMR）效应
2 Julliere公式
3 STM 和自旋极化的STM
隧穿现象
“M－I—M” 振荡波和衰减波
电子的穿透率 T J tran J in Vt t 2 Vi i 2 用 WBK 方法计算波函数
计算穿透率 T 自由电子情况
问题： 自旋极化的STM和Julliere公式 （隧穿电流与自旋相对取向有关）
原理： 隧穿电流 I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
隧穿电流 的状态密度部分， 取决于两电极磁矩的相对取向。
自旋极化的STM 工作原理
FM(CrO2)针/ AFM（Cr）样品 磁化状态改变了
隧穿电流。
为电流恒定，而 调整真空空隙。
隧穿电流（Simmons 公式，1963）
计入 Fermi－Dirac 统计
(1) → (2) 电子
N1 4m2
Ef
h3 T Vr 2
2m dEx f0
Er Ex
dEr
0
0
(2) → (1) 电子
N2
4m
2
Ef
h3 T Vr 2
2V
dEr
0
GMR TMR
TMR实验结果 韩秀峰等
TMR 物理
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
0
隧穿电流 J e N1 N2
近似结果： 隧穿电流 ≈ 指数衰减部分×状态函数部分
其中，指数部分＝ F（势垒宽、高度，...） 状态部分＝ F（两个电极的性质,...）
几种隧穿现象
不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (近似!)
名称
势垒
1 隧道效应
绝缘体
2 隧道磁电阻效应
绝缘体
3 扫描隧道显微镜STM 真 空
那么 TMR比率＝0。26
STM 将“M－I－M”结中绝缘体 (I） 换成“真空”，得STM。
将Julliere“FM－I－FM”结中绝缘体（I） 换成“真空”，得自旋极化的STM。
STM工作原理 (1) 隧穿电流 I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
隧穿电流I 的指数衰减部分为 exp 2ka
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1
第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
a 是探针和样品表面之间的距离
STM工作原理 (2)
恒流模式：固定隧穿电流 I
为此，因为被测表面起伏不平,
“上电极”需上下移动，以保证a 取固定值。
将“上电极”的移动放大，得到表面起伏的“图 像”。
a
因为， 在公式的指数上面，灵敏度高。
表面原子级的起伏和电性质的图像―――诺贝尔奖。
自旋极化的STM
4 自旋极化STM
真空
5 .........
电极 简单金属－I －简单金属 铁磁金属－I －铁磁金属 简单金属－V－待测样品 铁磁金属－V－待测样品
隧穿磁电阻 (TMR) 效应
“FM－I－ FM” 结
发现
M Julliere （1975）； 再发现 T Miyazaki （1995） Moodera （1995）