سنسور مغناطیسی غول آسا (Giant Magnetoresistance - GMR)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
سنسور مغناطیسی غول آسا (Giant Magnetoresistance - GMR) :
اثر مغناطومقاومتی غول آسا (GMR) یک پدیده کوانتومی است که در ساختارهای لایه ای بسیار نازک (چند نانومتر) از مواد فرومغناطیس و غیرمغناطیس مشاهده می شود. این اثر در سال ۱۹۸۸ به طور مستقل توسط آلبر فرت و پیتر گرونبرگ کشف شد و آنها در سال ۲۰۰۷ جایزه نوبل فیزیک را برای این کشف دریافت کردند. GMR باعث تغییر بسیار بزرگتری در مقاومت (تا ۵۰٪ یا بیشتر) نسبت به اثرات قبلی (مانند AMR) می شود، از این رو "غول آسا" نامیده می شود.
ساختار پایه GMR یک اسپین والو (spin-valve) است که از دو لایه فرومغناطیس (مثلا آهن یا کبالت) تشکیل شده که توسط یک لایه نازک غیرمغناطیس (مثلا مس یا کروم) از هم جدا شده اند. ضخامت لایه میانی باید به گونه ای باشد که جفت شدگی مغناطیسی بین لایه ها را به حداقل برساند. در حضور میدان مغناطیسی خارجی، جهت مغناطش لایه ها می تواند موازی یا پادموازی شود. مقاومت الکتریکی ساختار به شدت به این آرایش بستگی دارد: در حالت موازی، الکترون ها با اسپین موازی با مغناطش لایه ها به راحتی عبور می کنند و مقاومت کم است. در حالت پادموازی، پراکندگی الکترون ها افزایش یافته و مقاومت زیاد می شود.
\[ R = R_P + \frac{\Delta R}{2} (1 - \cos\theta) \quad \text{که } \theta \text{ زاویه بین مغناطش لایه هاست.} \]در اسپین والوهای عملی، معمولا یک لایه فرومغناطیس به گونه ای تثبیت (pinned) می شود (مثلا با لایه گذاری در مجاورت یک لایه آنتی فرومغناطیس مانند IrMn) تا جهت مغناطش آن ثابت بماند، و لایه دیگر آزاد (free) است تا با میدان خارجی تغییر جهت دهد. این ساختار، مشخصه انتقال خطی تری در محدوده خاصی از میدان ارائه می دهد و برای حسگرها بسیار مناسب است.
مزایای GMR: حساسیت بسیار بالا (قابل مقایسه با SQUID در برخی کاربردها)، اندازه کوچک (مقیاس نانو)، مصرف توان پایین، و قابلیت ساخت با فناوری لایه نشانی. معایب: غیرخطی بودن ذاتی (که با طراحی پل وتستون و اسپین والو خطی می شود)، حساسیت به دما، و پیچیدگی ساخت.
مهم ترین کاربرد GMR، هد خواندن هارد دیسک ها (read head) بود که انقلاب بزرگی در صنعت ذخیره سازی داده ایجاد کرد و امکان افزایش چشمگیر چگالی ذخیره سازی را فراهم آورد. کاربردهای دیگر: سنسورهای موقعیت و زاویه با دقت بالا (انکودرهای مغناطیسی)، سنسورهای جریان (برای اندازه گیری جریان های DC و AC)، بیوسنسورها (تشخیص ذرات مغناطیسی نشاندار برای آزمایش های زیستی)، و سنسورهای میدان مغناطیسی بسیار ضعیف. GMR یکی از مهم ترین دستاوردهای اسپینترونیک است.
