Анизотропное магнетосопротивление

Анизотро́пное магнетосопротивле́ние (анизотропный магниторезистивный эффект) — квантовомеханический эффект, заключающийся в изменении электрического сопротивления ферромагнитных проволок в зависимости от их ориентации относительно внешнего магнитного поля.

Математическая формулировкаПравить

Под величиной магнитосопротивления обычно понимают отношение

${\mathrm{\delta <!--\; \delta \; -->}}_H=\frac{\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}(H)-<!--\; -\; -->\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}(0)}{\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}(H)},$$\delta _{H}={\frac {\rho (H)-\rho (0)}{\rho (H)}},$ 

где $\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}(H)$$\rho (H)$  — удельное сопротивление образца в магнитном поле напряженностью $H$$H$ . На практике также применяются альтернативные формы записи, отличающиеся знаком выражения и использующие интегральное значение сопротивления.

ТеорияПравить

В ферромагнитных материалах наподобие железа, кобальта, никеля и их сплавов электрическое сопротивление зависит от угла между направлением намагниченности образца и внешним магнитным полем. Данная зависимость обусловлена магнитной анизотропией, которая проявляется в неодинаковости магнитных свойств тела по различным направлениям. Причина магнитной анизотропии заключается в спин-орбитальном взаимодействии электронов, приводящем к спин-зависимому рассеянию электронов (коэффициент рассеяния для спинов сонаправленных и противонаправленных по отношению к намагниченности образца будет различный). Особенно велика магнитная анизотропия в монокристаллах ферромагнетиков, где она проявляется в наличии осей лёгкого намагничивания, вдоль которых направлены векторы самопроизвольной намагниченности ферромагнитных доменов.

На практике удельное сопротивление образца в нулевом поле ${\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}}_0$$\rho _{0}$  достаточно точно аппроксимируется зависимостью

${\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}}_0=\frac{1}{3}{\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}}_{\parallel <!--\; \parallel \; -->}+\frac{2}{3}{\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}}_{\perp <!--\; \perp \; -->},$$\rho _{0}={\frac {1}{3}}\rho _{\parallel }+{\frac {2}{3}}\rho _{\perp },$ 

где ${\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}}_{\parallel <!--\; \parallel \; -->}$$\rho _{\parallel }$  — удельное сопротивление при ориентации образца параллельно магнитному полю, а ${\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}}_{\perp <!--\; \perp \; -->}$$\rho _{\perp }$  — перпендикулярно ему.

Эффект достаточно слабый: в ферромагнитных материалах (например, плёнках пермаллоя) величина магнетосопротивления при комнатной температуре не превышает $2-<!--\; -\; -->3\mathrm{\%<!--\; \%\; -->}$$2-3\%$  .

Принципы использованияПравить

Анизотропный магниторезистивный эффект лучше всего проявляется при изготовлении чувствительного элемента в виде тонкой полоски с геометрическими размерами, которые удовлетворяют условию

$d<b\ll L,$ 

где $d$$d$  — высота, $b$$b$  — ширина, $L$$L$  — длина полоски.

При выполнении данного условия сопротивление полоски достаточно велико и она имеет одноосную анизотропию. Одноосная анизотропия проявляется в том, что ферромагнетик плёнки ведет себя подобно единственному домену, который под воздействием внешнего магнитного поворачивается вокруг своей оси. При этом однодоменность по толщине не означает однодоменности по всей площади плёнки, хотя в некоторых случаях и не исключает этого .

На схемотехническом уровне АМР датчики обычно представляют собой четыре эквивалентных магниторезистора, сформированных путём осаждения тонкого слоя пермаллоя на кремниевую пластину в форме квадрата и соединённых по схеме, представляющей из себя плечи измерительного моста Уинстона .

Ввиду того, что в мостовых схемах магниторезисторы расположены на одной общей подложке и имеют одинаковый температурный режим работы, несмотря на сильную зависимость сопротивления АМР-резистора от температуры, изменение температуры незначительно влияет на напряжение на выходе моста.

У АМР-резисторов от температуры изменяется не только сопротивление, но и чувствительность, т.е.

$(△<!--\; △\; -->R/R)/△<!--\; △\; -->H,$$(\vartriangle R/R)/\vartriangle H,$ 

где $△<!--\; △\; -->R$$\vartriangle R$ — изменение сопротивления в зависимости от изменения напряженности внешнего магнитного поля на величину$△<!--\; △\; -->H$$\vartriangle H$ , $R$$R$  — номинальное значение магнетосопротивления.

С ростом температуры чувствительность уменьшается. Для уменьшения этой зависимости последовательно с двумя магниторезисторами разных плеч мостовой схемы включают терморезистор с отрицательным ТКС.

ПрименениеПравить

Использовался в магнитных сенсорах до открытия эффекта гигантского магнитного сопротивления.

См. такжеПравить

• Спинтроника
• Гигантское магнитное сопротивление
• Колоссальное магнитное сопротивление
• Туннельное магнитное сопротивление