第二章金属敏感[兼容模式]解释.pdf

1电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 第二章 金属敏感材料 1.磁敏金属材料 2.温敏金属材料 3.形变金属材料 4.超导敏感材料 5.形状记忆材料 重点：磁阻效应、双金属、金属热电阻、形变规、约瑟夫逊结、超导量子干涉仪 电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 金属传导超导 半绝缘体半导体半金属 绝缘体 电子的自由度 电子的状态 电子态的调整 与其他物理量 的相互作用 自由 约束 超导电子 自由电子 传导电子 价电子 超导 杂质传导 离子传导 磁 (耦合) 表面传导 光 耦合 化学 机械 热量 在物质中的电子自由度与化学、物理量的相互作用 对金属而言，自由电子和自旋是敏感元件利用的中心。 电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 ? 在金属所具有的物性中，磁性是重要特性之一。 ? 虽然铁氧体等氧化物和氮化物具有磁性，但是磁性材 料仍以金属为主。 ? 直接利用磁性的敏感元件只限于磁场敏感元件，但是 如果利用与有不同特性的磁性体的组合或磁性与其他 特性的相互作用（磁效应），则可制成与广泛的物理 响应相对应的敏感元件。 1. 磁敏金属材料 电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 物理刺激 磁特性变化物理刺激 间接变化 温度（热） 电 场 磁 场 应 力 光 化 学 各向异性磁场 导 磁 率 磁 化 矫顽磁力 磁滞伸缩 铁 损 磁 阻 位移等 旋转 流速 压力 转矩 位置 尺寸 （输出） 磁敏元件的物理响应与磁性特性的关系 直接变化 1. 磁敏金属材料 电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 1.1 磁阻效应 ? 物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效应。 ? 是1857年由英国物理学家威廉?汤姆森发现的. ? 原理：当处于磁场中时，载流子将受洛仑兹力的作 用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电 场。如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹 力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子 将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数 量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。 电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 1.1 磁阻效应 ? 磁阻效应可分为基于霍尔效应的普通磁阻效应和在 强磁性体中出现的各向异性磁阻效应。 ? 基于磁阻效应的磁敏元件主要是半导体，但利用其 各向异性磁阻效应，Fe-Ni合金和Co-Ni合金在低磁 场下具有高的电阻变化率，使这类金属磁敏材料正 迅速进入实用化阶段。 2电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 1.2.1各向异性磁阻效应元件 ?对于强磁性体金属 （Fe、Co、Ni及其合 金），当外磁场的方 向平行于磁体内部的 磁化方向时，电阻几 乎不随外磁场而变化， 但若外磁场偏离内磁 场的方向，则电阻减 小 .—即各向异性磁 阻效应 磁场（kG） 0 5 10 1 5 20 25 8.15 8.10 8.05 8.00 电 阻 率 ?( μ Ω ?cm ) 平行 垂直 291K 8.20 √ 1.2 磁敏金属材料 电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 I(//Mi) 电极 Ni-20%Fe 薄膜 绝缘衬底 （a）剖面 （b）平面 电流 外磁场 M ? ? 薄膜磁阻效应元件 薄膜元件比体元件好。好在 哪儿？是更敏感还是更好集 成？ ? 就通常使用的Ni-20wt% Fe合金（坡莫合金）薄膜而 言，膜厚为30～300nm 2 0 1 1 e HlV i wt H ? ? ? ? ?? ?? ??? ?? ? ? ?? ? ? ?? ?? ?? ? ? ? ? ?? ?? ?? ?? ? 电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 旋转体 磁阻元件 永久磁铁 时间 输 出 电 压 （a）简单的敏感元件 （b）输出波形 ? 磁阻元件的简单敏感元件和输出波形 电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 1.2.2 各向异性磁阻效应材料 具有各向异性磁阻效应的金属主要是以Fe、Ni、Co为主 要成分的合金，而不含这些元素的强磁性合金的磁阻效 应极小。 组分（wt%） 组分（wt%） Ni-20Fe Ni-8Fe Ni-35Co Ni-20Co 4.0 5.4 5.8 6.5 Ni-17Pd Fe-10V Ni-5Zn Ni-6Mn 2.3 1.3 2.6 2.5 主要合金块材的磁阻效应率 (293K) ? ?? / (%)? ?? /