非晶态合金传感器

非晶态合金传感器非晶态合金是由冷却速度高达10K/s的快速冷凝技术得到的一种亚稳态材料。1969年PondR.J等制备出一定长度的连续非晶合金带，从此引起研发热潮。作为新型软磁材料，非晶合金具有传感器设计所需要的许多特性：磁-机、磁-电、热-磁、热-机、热-电和磁-光等，可用于磁场、位移、电流、应力、应变和扭矩等物理量的测量。独特的性能特性使国内外学者在非晶合金传感器方面进行了大量研究。以非晶态合金为敏感材料的传感器技术已广泛用于多个领域，解决特殊、复杂、高精度、条件恶劣下的测试问题。概述1.非晶态合金概述三大类固体：晶体、非晶体和准晶体。晶体：构成固体的原子、分子在微米级以上排列有序—称长程序。晶体既有短程序又有长程序。有单晶、多晶和微晶体之分。非晶体：相对晶态而言。原子排列无长程序，但在原子间距数量级(10-10m)范围内排列有序—称短程序，即近邻原子的数目和种类、近邻原子的间距及近邻原子配置的几何方向(键角)都有与晶体同样的规律。如：玻璃、塑料、橡胶、石蜡等。准晶体：既不同于晶体又不同于非晶体的固体。非晶体的显著特点是原子在空间的排列无周期性。非晶态与晶态之间无绝对界限，可从缺陷密度上定性地说明两者的相互关系，但不能把描述和研究晶体的概念和理论直接用于非晶态固体，需新的描述方法和理论，当前还处初创阶段。非晶体具有一些有别于晶体的奇异宏观特性。非晶态合金材质均匀，机械、电磁学性能优良，非常适用于新型传感器或用它改善传感器性能。非晶态金属与晶态金属的关系非晶体的参量：紧邻原子间距、配位数、紧邻原子间的夹角、紧邻原子的类型。非晶体的结构：刚球无规密堆（金属和合金）、连续无规网络（共价结合键非晶固体）。非晶体的制备：2.非晶态合金的基本性能2．1非晶态合金的力学性能材料的力学性能指其在各种不同工作条件下，从开始受力到破坏的全部过程中所表现的力学特性。其中最主要的参数是断裂强度、屈服强度、弹性模量和密度。非晶合金微观结构独特，在宏观上呈各向同性，没有晶态合金中常见的晶界、缺陷等局部不均匀，使其力学性能明显有别于晶态合金。a)密度与体积：密度比晶态小1～2%；同一非晶态合金试件，其密度在淬火态和退火态略有不同，一般经充分的退火处理，其体积缩小0.5%，密度相应增加约0.5%。b)弹性模量：呈各向同性，比晶态低，可通过控制合金成分调节模量大小，在一定温度范围内保持恒定。非晶态合金的具体弹性特征：弹性模量比同成分晶态合金的低或低于该合金晶化处理后的值。杨氏模量E和切变模量G一般低20~40%。体积模量K约低5~7%。K/G值一般比晶态合金高10%。c)强度和硬度：强度高，硬度高。d)韧性和脆性：韧性很好，有的可达弯曲180o不断裂。但Fe基非晶态合金对退火条件很敏感，有时有易碎倾向。2．2非晶态合金的磁学性能1）与晶态无大的区别，导磁率较大、损耗较小。2）居里温度较低，可在一定范围内调整。3）磁致伸缩铁磁材料磁化时其几何形状、体积大小发生微小变化的现象。前者称形变磁致伸缩，后者称体积磁致伸缩。形变磁致伸缩由纵向磁致伸缩和横向磁致伸缩构成（两者分别指试件平行和垂直于磁化方向的磁致伸缩）。一般试件沿磁化方向伸长则往往伴有垂直方向上的缩短；反之亦然。非晶合金的磁致伸缩在本质上与相应的晶态并无特殊之处。4）磁各向异性理想非晶合金是均匀的各向同性体，宏观上无磁各向异性。实际上无论是淬态的非晶合金还是加工处理后的非晶合金，都有一定的磁各向异性。起因各异。5）非晶合金的技术磁性技术磁性指非晶合金在技术磁化时所表现出来的磁特性。技术磁化是经外磁场作用，把材料自发磁化形成的各磁畴的磁化方向转向或接近外磁场方向，也即使这些磁畴通过畴壁移动和转动完成磁化。技术磁性主要包括娇顽力、剩磁化、损耗、磁导率等。它们往往对非晶合金装置性能有更直接的影响。2.3电学性能与晶态金属比，非晶金属导电性能有许多特点：电阻率较高，室温下约为晶态的2~4倍；电阻率的温度系数小，可随成分改变符号；电阻率随温度变化而不同，常在低温区出现一个不同于晶态合金的电阻极小值；在室温附近随温度呈线性变化。电阻率和电阻温度系数都可通过控制合金成分和材料处理加以调节。2．4化学性能主要为耐腐蚀性、触媒作用和储氢作用。不少非晶合金的赖腐蚀性很好，远超不锈钢。3.非晶态合金的敏感功能敏感功能指敏感材料把被测量按一定规律变换成某种更便于利用和处理的信号的能力。其中更便于利用和处理的形式多为电量，但不尽然。非晶合金基本上属物理敏感材料，其完成信息转换所利用的规律多与物理现象有关，典型物理量包括机械量、电学量、磁学量、热学量和光学量等。对于目前实用的非晶合金，机、电和磁三者间的互相转换和影响是其敏感功能的核心。它对其他类型的物理量的敏感能力相对较差。右图为非晶合金的敏感功能，图中粗箭头所示为其主要敏感功能。若以非晶合金的磁效应和磁能为核心，则磁学量与其它量之间的影响和转化所导致的各种现象构成所谓磁效应。磁效应的两方面含义：一是磁场作用所引起的非晶合金的力、电学等特性变化；二是机、电、热等物理量所引起的非晶合金的某些磁特性的改变。3.1非晶合金的磁/机变换功能磁-机变换功能主要指将机械量转换成磁学量功能，包括磁场对机械性能的影响。这里机械量包括力学和声学量。磁弹性效应是非晶合金实现磁机转换的核心。典型磁弹性效应有磁致伸缩（正）效应与逆磁致伸缩效应、Wiedemann效应和逆Wiedemann效应和大ΔE效应和大ΔG效应。正、逆磁致伸缩效应存在使非晶合金材料中原本互相独立的磁系统和机械系统发生关联。例如，反映材料应力/应变关系的E不仅取决于应力/应变关系，还与材料磁化状态有关；相应的,材料磁导率不仅取决于其磁化强度与磁场的关系，还与试件受力状态有关。正、逆磁致伸缩效应的本质是使材料的磁系统和弹性系统发生能量交换。具体讲，通过改变B和H增加材料的磁能，则所增的磁能中，有部分会转变成弹性能，使材料发生形变；反之，如果改变和增加材料的弹性能，则所增弹性能中有部分会转变成材料磁能。一定的热力学条件下，这种双向转换的效率相等，可用机电耦合系数(磁弹性耦合系数)度量。一般材料的弹性越好，磁导率越高，磁致伸缩效应越大，其机电转换效率越高。此外，机电耦合系数大小还与材料自身磁化状态有关。Fe基非晶合金薄带大多有高弹性、高磁导率和高磁致伸缩特性，因而机电转换效率很高。经适当退火处理，机电耦合系数还可提高。磁致伸缩效应多用于超声波发生元件，或与其它物理效应组合起来用于物理量检测。除磁场外，可用非晶合金磁致伸缩效应检测的其他物理量有温度、距离、物位等。利用非晶合金逆磁致伸缩效应可测的物理量涵盖磁场、应力/应变、扭矩、冲击、声音、压力、加速度。应用这种效应时，非晶合金大多以某个线圈的磁芯的形式出现。在适当结构下，非晶合金磁芯直接感受被测量，通过逆磁致伸缩放应把被测量影响转换成电感线圈中某个电特性的变化、供后续专用电路检出。除上述有源传感器外，利用非晶合金的逆磁致伸缩效应，可制成检测冲击、振动的无源传感器。3.2非晶合金的磁-电变换功能与应用此功能主要是将磁场变化转换成电量。根据不同的转换途径，其中主要物理效应包括电磁感应效应、霍耳效应、磁阻效应以及磁化曲线的非线性等。1）电磁感应效应电磁感应泛指物质的电和磁相互感应的现象，它们构成磁性材料应用的基础。如法拉第电磁感应定律。直接利用电磁感应定律和非晶软磁合金，可制成测转速、微小交变电流等物理量的无源传感器，其中漏电保护器中的电流互感器是我国目前非晶合金材料应用的一个重点。2）霍尔效应和磁阻效应对通电的物质施加磁场，会使该物质的电位差发生变比，这是磁场电效应。对非晶合金，有实用价值的磁场电效应主要是霍耳效应和磁阻效应。造成磁场电效应的磁场实际上是物质内部的磁场。它既包括有效磁场H，也包括磁化强度M的作用。对铁磁材科，将与磁场H有关的效应称为正常效应(这部分效应在非铁磁材料中也能见)，把与磁化强度M有关的效应称为反常效应。即非晶合金的霍耳效应和磁阻效应都有正、反常效应之分。非晶合金的霍尔系数比晶态的大，在居里温度Tc以下，非晶合金的霍尔系数几乎不受温度影响。和其他铁磁材料一样，非晶合金的磁阻效应也可分成正常效应、反常效应和强制效应。虽然非晶合金的磁阻效应的绝对值并非很大。非晶合金还具有的其他优良特性，如电阻率温度系数小、耐辐射等。因此，比其他敏感材料更能胜任某些特殊环境下的检测任务。例如非晶合金的磁阻效应可用来制造小的磁场传感器。磁阻效应允许制造两端敏感元件，这对于制造高密度的磁场传感器阵列更有利。3）磁化曲线的可饱和特性非晶合金的非线性磁化曲线与磁化时的许多外界因素密切相关。同样励磁条件下，外界因素影响使磁化曲线变化。这也能成为许多传感器的基础。例如，外磁场为零时，对非晶合金作对称交流磁化，其磁化曲线关于原点对称。一旦有外界偏置磁场，会使磁滞回线发生位移，从而引发一系列现象，如感应电压的正、负峰值失衡，过零时间不等，非线性调制使输出产生谐波等等。利用这些可制成磁场传惑器、磁通门场强计、防盗标签系统。机械应力作用使迟滞回线的形状改变，通过测量这些变化即可检测应力。如果利用最大磁感应强度与应力的关系，可制成力/应力传感器。3.3非晶态合金的其他变换功能这里的变换功能主要涉及非晶合金的机-电、热-磁、热-机方面的关系。这些变换功能虽不像磁-机、磁-电变换功能那样突出，但在适当场合，它们亦能发挥积极功效，需要善加利用。1)机-电变换非晶合金的机-电变换功能主要通过电阻形变效应实现。为提高测量准确性，要求形变材料的电阻温度系数值越低越好，而非晶合金的电阻率不仅高，且温度系数小，因此成为优质形变材料。除形变效应外，非晶合金的电阻率还与压力有关，据此能制成直接测量压力的传感器。2）热变换功能温度变化影响非晶合金的许多性质，因此非晶合金可通过多途径检测温度变化。这些途径主要涉及热-磁变换、热-机变换和热-电变换。尽管非晶合金的电阻温度系数比晶态合金低，不利于测温，但非晶合金的其他理化性能好，仍可成为某些特殊环境下的温敏材料。例如，Pdusimch非晶合金有很强的耐辐射性能，在低温下有较大的电阻温度系数。可用作核动力火箭发动机上的温度传感器，其测温范围可达4.2~300K。像晶态金属、半导体等温敏材料,受高剂量核辐射后其电阻变化都很大，从而导致较大的测量误差。除电阻温度效应外非晶合金的热电势也可利用。4.非晶态合金传感器示例4.1脉冲感应型磁场传感器利用磁化曲线的非线性区，被测外磁场Hex使工作点偏移，通过测工作点的位置来测量被测磁场。1）工作原理法拉第电磁感应定律和非晶合金材料磁化强度M与磁场强度H之间的非线性关系。传感器探头基本结构如图，L为感应线圈、N匝,非晶合金磁芯的平均截面积为A。不考虑磁芯形状、退磁因子影响，即假设其内部磁场强度和外部磁场强度相同都是H，当线圈通重复脉冲电流时，非晶合金磁芯磁化，在断开电流(即对于脉冲电流下降沿)的瞬间，L两端产生感应电压。感应电压大小：式中：Φ为磁芯磁通量，B=μ0(M+H)为磁感应强度，μ0为磁性常数，M为磁芯磁化强度。H由脉冲电流产生的He和被测磁场Hd两部分组成。一般He不仅比Hd大得多，且变化速度也快得多。所以dHe/dtdHd/dt。因此：此外，对一定的电路结构，可认为在每次断开电流的瞬间dHe/dt为常数，这样感应电压Vi只取决于dM/dH。从非晶磁性合金的基本性能可知，这种材料在微观结构上虽与相应的晶态合金不同，但其磁化特性与一般磁型材料大同小异，服从铁磁材料的一般磁化规律，具有铁磁材料典型的非线性的磁化特性。dtdBNdtdNVidtdHedHdMNVi]1[02）基本组成单元三个基本单元：脉冲电流源、带非晶磁性合金磁心的线圈、感应电压检出器。脉冲电流源向线圈：提供一个受控脉冲电流，对非晶合金磁芯进行周期性磁化。非晶合金磁芯：敏感器件，一方面感受被测磁场变化，将此变化调制到磁化状态上去；另一方面由电磁感应效应，把被测磁场变化转换为感应电压或其他电量。感应电压检出器：把线圈产生的感应电压峰值取出，向外输