Коротко — магнеторезистивные датчики работают за счёт изменения электрического сопротивления проводников/слоёв при действии магнитного поля; это изменение управляется спином электронов, их рассеянием и квантовыми эффектами туннелирования. Ниже — основные физические принципы и почему это важно.
Физические принципы
- Магнеторезистивный эффект (общая идея): сопротивление $R$ зависит от внешнего поля $B$ или от ориентации магнитизации $M$ в материале, т.е. $R=R(B,M)$.
- Анизотропная МР (AMR): возникает из-за спин–орбитального взаимодействия в ферромагнетике; сопротивление зависит от угла $\theta$ между направлением тока и вектором намагниченности:
$$R(\theta )=R_{\perp }+(R_{\parallel }-R_{\perp }){\cos }^2\theta .$$ - Гигантская МР (GMR): в многослойных структурах ферромагнетик/нормальный металл спин-зависимое рассеяние приводит к тому, что сопротивление сильно меняется при перестройке относительной ориентации магнитных слоёв (параллельно/анти-параллельно). Отношение:
$$\mathrm{GMR}=\frac{R_{\mathrm{AP}}-R_{\mathrm{P}}}{R_{\mathrm{P}}},$$ где $R_{\mathrm{AP}}$ и $R_{\mathrm{P}}$ — сопротивления при анти-параллельной и параллельной ориентациях.
- Туннельный МР (TMR): магнитный туннельный переход (две ферромагнитные пластины + тонкий изолятор) — проводимость определяется спиновой поляризацией электронов и зависит от относительной ориентации магнитизаций. По формуле Джюльера:
$$\mathrm{TMR}=\frac{R_{\mathrm{AP}}-R_{\mathrm{P}}}{R_{\mathrm{P}}}=\frac{2P_1{P}_2}{1-P_1{P}_2},$$ где $P_{1,2}$ — спиновая поляризация электродов.
- Другие механизмы: доменные стенки, колоссальная МР (CMR) в переходных оксидах — вклад обменного взаимодействия и коррелированных электронов.
Почему это важно в современной электронике и сенсорике
- Высокая чувствительность: малые изменения поля приводят к измеримому изменению $R$ — полезно для бесконтактного измерения поля, тока, позиции и угла.
- Малые размеры и интегрируемость: тонкоплёночные структуры совместимы с микроэлектроникой и CMOS.
- Высокая скорость отклика: пригодно для быстрых измерений и чтения данных (жёсткие диски, датчики тока).
- Ненулевой энергозапас/неизменяемость (в случае магнитных ячеек): основа MRAM — энергонезависимая память.
- Широкая применимость: считывающие головки HDD, MRAM, датчики угла/положения и тока (автоматика, автомобили), компасы и сенсоры в мобильных устройствах, биосенсоры (магнитные метки).
- Низкое энергопотребление и масштабируемость в наноразмерах, что важно для IoT и встроенных систем.
Ограничения (кратко): температура и шум влияют на чувствительность; гистерезис и нелинейность требуют компенсации; сложность материалов и технологические требования (тонкие слои, интерфейсы).
Вывод: сочетание фундаментальных спиновых эффектов (спин–орбит coupling, спин-зависимое рассеяние, туннелирование) даёт высокочувствительные, быстрые и масштабируемые датчики, от которых зависят хранение данных (HDD, MRAM) и многие современные сенсорные приложения.