第二章金属敏感材料.

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.形状记忆材料本章小结电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作金属敏感材料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1.磁敏金属材料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电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作磁阻效应物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效应。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。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作基于霍尔效应的普通磁阻效应概念：磁阻效应（MagnetoresistanceEffects）:是1857年由英国物理学家威廉•汤姆森发现的，是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。原理：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。在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。分类：若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。一般情况下，载流子的有效质量的驰豫时时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载流子偏移，因而无纵向磁阻效应。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作历史它在金属里可以忽略，在半导体中则可能由小到中等。从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作1.磁敏金属材料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。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作1.磁敏金属材料1.1各向异性磁阻效应型元件的基本结构对于强磁性体金属（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.磁场（kG）05101520258.158.108.058.00电阻率(µΩcm)平行垂直291K8.20√与常规磁阻效应有差异，机理未明。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作1.磁敏金属材料I(//Mi)(a)剖面(b)平面电流外磁场MI(//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，w和l因目的而异，但w为数十微米，l从数十微米到几毫米。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作1.磁敏金属材料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这个示意图怎么理解？电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作1.磁敏金属材料1.2各向异性磁阻效应材料显示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-20FeNi-8FeNi-35CoNi-20Co4.05.45.86.5Ni-17PdFe-10VNi-5ZnNi-6Mn2.31.32.62.5主要合金块材的磁阻效应率(293K)/(%)/(%)电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作组分对体材和薄膜Ni-Fe合金的磁阻响应率的影响264体材薄膜(36nm)406080100磁阻响应率/(%)Ni浓度（wt%）01.磁敏金属材料薄膜的磁阻响应率比块材低体材Ni-Fe合金:在10%Fe附近观察到的∆ρ/ρ最大值薄膜Ni-Fe合金:在20wt%Fe附近显示最大值。有何体会？电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作为了增大薄膜∆ρ/ρ，可采用提高蒸发时的真空度、氢退火、氢离子注入等方法107106105104432磁阻响应率/(%)50nm20nm真空度（Pa）01234退火时间（h）0.80.60.40.2080604020/103Ωm/101Ωm1.磁敏金属材料用心体会如何去搞科学研究？电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作2.温敏金属材料温度传感器的物理量输出方式有从最简单的刻度输出到以反馈控制为目的的电信号输出，范围极广。根据使用目的的不同，对温敏元件的输入信号可采用各种物理量变换方式。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作利用机械量的敏感元件（如双金属元件）中，特点是精度低，但廉价、简便。而利用电阻温度依赖关系的温敏元件（热敏电阻）使用温度范围广，且精度高。作为金属系温度敏感元件，使用最广且精度也高的是基于热电势的温敏元件。利用马氏体相变的形状记忆合金和规则—不规则相变中的电阻变化的熔断丝是利用相移的例子，且已实用化。利用磁性的温度依赖性的敏感元件中典型的是感温铁铁氧体，但金属系磁铁是磁补偿合金，使用实例较少。光磁敏感元件还在应用研究阶段。超导相移等的利用也在开发中。2.温敏金属材料电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作2.1双金属概念：双金属是将热膨胀系数不同的两种金属片贴合而成的敏感元件。贴合方法：有热压法和冷压法。要求：用于双金属的金属材料要求热膨胀系数适当、耐热、耐腐蚀。分类：分低温用（200℃～150℃）、中温用（0℃～250℃）、高温用（0℃～400℃）三类。形状：有平板形、U字形、圆环形、螺旋形等。用途：双金属温敏元件(也称为双金属温度计)主要用于温度控制及切断电路，且因为价廉而大量用于家用电器；此外，也用于火灾报警敏感元件及其他工业应用领域。2.温敏金属材料电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作双金属温度计双金属温度计是利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的。工业用双金属温度计主要的元件是一个用两种或多种金属片叠压在一起组成的多层金属片。为提高测温灵敏度，通常将金属片制成螺旋卷形状。（原理：当多层金属片的温度改变时，各层金属膨胀或收缩量不等，使得螺旋卷卷起或松开。由于螺旋卷的一端固定而另一端和一可以自由转动的指针相连，因此，当双金属片感受到温度变化时，指针即可在一圆形分度标尺上指示出温度来。）电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作2.2金属薄膜温度敏感元件金属电阻率：02tmVnel薄膜电阻率：031()8ltlt当时，0413ln()0.423llt2.温敏金属材料电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作012345T2（kK2）1020304050607015105355379126210507电阻率(cm)T（K）蒸发在云母片上的Au薄膜的电阻与膜厚和温度的依赖关系2.温敏金属材料电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作金属热电阻一、工作原理、结构和材料大多数金届导体的电阻，都具有随温度变化的特性。其特性方程式如下:Ri＝R0[1+a(T-T0)]式中：Ri,R0——分别为热电阻在T和0℃时的电阻值；a——热电阻的电阻温度系数(1／℃)。对于绝大多数金属导体，a并不是一个常数，而是温度的函数。但在一定的温度范围内，可近似地看作为一个常数。不同的金属导体，a保持常数所对应的湿度范围不同。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作选作感温元件的材料应满足如下要求：1.材料的电阻温度系数a要越大越好，纯金属的a比合金的高，所以一般均采用纯金属作熟电阻元件；2.在测温范围内，材料的物理、化学性质应稳定；3.在测温范围内，a保持常数，便于实现温度表的线性刻度特性；4.具有比较大的电阻率，以利于减少热电阻的体积，减小热惯性.5.特性复现性好，容易复制。比较适合以上要求的材料有：铂、铜、铁和镍。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作A．铂热电阻铂的纯度通常用W(100)表示，即:0～630.755℃:-190～0℃:对W(100)＝1.391有A＝3.96847×10-3／℃．B＝-5.847×10-7／℃2，C＝-4.22×10-12/℃4．对W(100)＝1.389有A＝3.94851×10-3／℃.B＝-5.851×10-7/℃2，C＝-4.04×10-12/℃4．0100)100(RRW)1(20BtAtRRt320)100(1[ttCBtAtRRt电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作铂电阻一般由直径为0.05一0.07mm铂丝绕在片形云母骨架上，铀丝的引线采用银线，引线用双孔瓷绝缘套管绝缘。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作铂热电阻的结构电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作B．铜热电阻铜丝可用来制造-50~150℃范围内的工业用电阻温度汁。在此温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高(a＝(4.25~4.28)×10-3／℃)．容易得到高纯度材料，复制性能好。但铜易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介中的温度测量。通常利用二项式计算测量的铜电阻值为:RT＝R0[1十a(T—T0)]电阻与温度关系电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作分度号GCu50Cu100Re()5350100R100/R01.425±0.0011.425±0.002精度等级ⅡⅢR0允许误差（%）±0.1±0.1最大允许误差（%）±（0.3×3.5）±（0.3×6.0）t310t310铜热电阻技术特性表电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作C.铁电阻和镍电阻铁和镍这两种金属的电阻温度系数较高，电阻率较大，故可作成体积小、灵敏度高的的电阻温度计。其特点是容易氧化、化学稳定性差、不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差。目前应用不多；电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。但骨架性能的好坏，影响其测量精度、体积大小和使用寿命。对骨架的要求是：①电绝缘性能好；②在高、低温下有足够的机械强度，在高温下有足够的刚度；③体膨胀系数要小，在温度变化后不结热电阻丝造成压力；④不对电阻丝产生化学作用。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作3.形变金属材料概念：形变规是利用物质因受力而使其电阻发生变化的敏感元件。用作形变规的材料：有金属、半导体、电介质等。金属系材料的优劣：使用最早，最近半导体形变规的使用急剧增加。然而与半导体相比较，金属系材料有容易制作、价廉、耐高温、抗冲击性好、弯曲性强等特点。3.1形变规电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作对用于形变规的金属材料，要求由外应力引起的形变ε产生的电阻变化率∆R/R高、线性度好、电阻的温度系数低。与形变相应的电阻变化率通常称为标准因子（规率）G，可由下式定义：1///llRRG∆l/l为金属规的