学习-磁性材料与器件

Institut o Advance Material an Informatio Technolog磁性材料与主讲先进材料 Institut o Advance Material an Informatio Technolog磁传感磁性元变压

温度传磁电传

磁光MRAM 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog食品储藏 热水保温度的测量与控制在自动化领域中有极其可靠性无可靠性

锅电空调

煤气电冰自动售货 工业机汽车冷体体积精度

自动电饭煲、电水壶的限温器、恒烙铁、过流保护器 件—磁传感一般条件下，要求软磁材料的居里高一些，温度系数小一而磁温度传感器的软磁材料有特殊1、特定的居里2、在居里温度处μ-T曲线的一般条件下，要求软磁材料的居里高一些，温度系数小一而磁温度传感器的软磁材料有特殊1、特定的居里2、在居里温度处μ-T曲线的3、在居里温度处Bs-T曲线快速下4、在设计器件过程中，希望起始磁导5、材料温度敏感要求材料的传热系数要高，比热★作开关用，性能★工作温度不随时间★可加工成各种复杂形状★居里温度可调★不用贵重材料，工艺成熟简单成本、德国已经有系如 东北金属工业公80年代中期，其磁温度开关产量7000万只，工作温度在-40~150ºC的范±1.5ºC，我国大概是±5ºC 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog温度系★磁热为温控材料

软磁磁环的磁μ 率TT1Tc

ΔT=T2-T1越小越好，控温越灵敏弹性系数随温度变化小，导电性能要（通电电流高，接触电阻小 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog当温度T<T1时，开关处于闭当T1<T<T2时，开关保持原来的温度从低温→T1→T2，开关闭★磁热当温度T>T2（>软磁磁环的软磁磁环的磁性，起始磁导率降当温度T<T1（<软磁磁环的T2-T1温度差称滞后当温度T>T2时，开关处于断开

温度从高温→T2→T1，开关断 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog当温度T<T1时，开关处于闭当T1<T<T2时，开关保持原来的温度从低温→T1→T2，开关闭★磁热舌簧开关的特可靠性 耐环境性能优防和耐腐蚀性性能优越，触点的机械频率很高，所以，耐震性也好温控灵动作，控温精度较高（可至±1ºC）

温度从高温→T2→T1，开关断 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog（４）温控范在-40~150ºC范围内，任何动作温可以通过调节软磁磁环的居里温度★磁热舌簧开关的特可靠性 耐环境性能优防和耐腐蚀性性能优越，触点的机械频率很高，所以，耐震性也好温控灵动作，控温精度较高（可至±1ºC）

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★磁热舌簧开关的应（1）用

调整软磁磁环的居里温度到需控的恒用于防止复印机不起振通导回频路振荡回谐不起振通导回频路振荡回谐路振荡

用于制 振起振起 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★过电流保护~

负载

★恒温 烙铁温度低于软磁磁芯的居里温度软磁磁环上绕初级和次级线圈，次级圈感应出的电压控制

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog居里温度时，磁力，拉簧收★电饭煲的自动限电饭煲具有自动限温和保温

杆下移，切断电 ★恒温电烙限温器分：电子式和机械控温，故控温原理与磁热舌簧开关机械式与恒温电烙铁

磁圆 杆

烙铁温度低于软磁磁芯的居里温度 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio电流

Technolog线圈软 气 流 生磁场使磁芯磁化，同时，导次级线圈感生出电势，输出一定的次级线圈的电流会导致磁芯其磁通量发生变

通电线圈在软磁磁芯气隙产生磁 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★位置、磁场传

形成一定规律的磁畴分开关开关间隔呈一定规律变

线圈中的脉冲电流开启继电 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★位置、磁场传

形成一定规律的磁畴分开关开关1、磁环加2、记录密度受到3

线圈中的脉冲电流开启继电 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★位置、磁场传

★各向1、磁环加2、记录密度受到3 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★ 等薄膜

★各向靶电极真空腔电极 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应★ 等薄膜

能带图 靶电极 电极

真空腔

能带图 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应★ 等薄膜靶电极真空腔电极 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应★信息关键问题 介质的记录密度补 介质记录密度问题 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁★信息关键问题 介质的记录密度补 介质记录密度问题

磁泡材石榴石型铁氧体以及非晶态磁泡磁泡材若无外加磁场时，可观察到蜿蜒曲条形条形磁畴运动外加磁场时，条形磁畴会收缩成柱状柱状畴的形貌的水泡——MagneticBubble 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题+++

- ++++

磁+ + ++ ++

磁泡材石榴石型铁氧体以及非晶态磁泡磁泡材若无外加磁场时，可观察到蜿蜒曲条形条形磁畴运动磁泡内Ms与外磁场的方向相

外加磁场时，条形磁畴会收缩成柱状柱状畴的形貌的水泡——MagneticBubble 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题+++

磁一些薄膜磁性材一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——+ + ++ ++

圆柱形磁畴的静态假设磁泡为圆形的柱状，横截面为圆圆柱形畴内包含三种能量（1）畴壁能Er，（2）外磁场能（3）退磁场能故圆柱形畴的总能量E是半径R磁泡内Ms与外磁场的方向相

EErEHEd在稳定状态下，圆柱形畴满足EREErEHEd R R R R 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁设圆柱形畴的高度为h，即是薄膜材的厚度，则畴壁面积等于圆柱体畴的畴壁能ErEr2Rh

圆柱形磁畴的静态E

2h

假设磁泡为圆形的柱状，横截面为圆圆柱形畴内包含三种能量w磁泡内Ms与外磁场的方向相

（1）畴壁能Er，（2）外磁场能（3）退磁场能故圆柱形畴的总能量E是半径REErEHEd在稳定状态下，圆柱形畴满足EErEHEd R R R R 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁设圆柱形畴的高度为h，即是薄膜材的厚度，则畴壁面积等于圆柱体畴的畴壁能ErEr2Rh

圆柱形磁畴的静态E

2h

薄膜内只有圆柱形畴的磁化矢量与外磁场方向相反而成180°，而其余大片区域内w为畴壁磁泡内Ms与外磁场的方向相

圆柱形畴的外磁场能密度为：FH(0MsHcos180)(0MsHcos20Ms圆柱形畴的体积为πR2h，则圆柱的外磁场能为 2R2h H

EH

4Rh R 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁圆柱形畴中的退磁场：Thiele（1969）对磁泡计算Ed(2h2)(M2)F(2R

圆柱形磁畴的静态薄膜内只有圆柱形畴的磁化矢量与外磁场方向相反而成180°，而其余大片区域内

圆柱形畴的外磁场能密度为：FH(0MsHcos180)(0MsHcos磁泡内Ms与外磁场的方向相

20Ms圆柱形畴的体积为πR2h，则圆柱的外磁场能为 2R2h H

EH

4Rh R 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁圆柱形畴中的退磁场：Thiele（1969）对磁泡计算结

圆柱形磁畴的静态则圆柱形畴满足E 2

E2h 4 hH (2h2)(M2)F

(2h2M2)F(2R磁泡内Ms与外磁场的方向相

圆柱形畴的畴壁面积为2πRh，即 Ew2MHh

M2F(2R)2Rh

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——

圆柱形磁畴的静态则圆柱形畴满足代表：圆柱形畴中的压缩力和扩张者相等，并且相互抵

2hw40MshH(2h2M2)F(2R磁泡内Ms与外磁场的方向相

圆柱形畴的畴壁面积为2πRh，即 Ew2MHh

M2F(2R)2Rh

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——

圆柱形磁畴的静态

设l

为由材料决定 M代表：圆柱形畴中的压缩力和扩张者相等，并且相互抵磁泡内Ms与外磁场的方向相

并设d=2R，则可将下式变化l F(d hM

圆柱形畴的畴壁面积为2πRh，即 E

2MHhM2F(2R)2Rh

一些一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁Yd hh hh 设为横坐标，则Y

呈直

圆柱形磁畴的静态a、 两点为交

设l

M

为由材料决定

并设d=2R，则可将下式变化

F(dh

ld hM

F(dh

M

圆柱形畴的畴壁面积为2πRh，即d/h

2MHhM2F(2R)

一些一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁Yd h s h s 设为横坐标，则Y

呈直

圆柱形磁畴的静态a、

两点为交b M

F(dhd/h

因此，外磁场H大小不同，三种情况个点a、b。交点a、b的压缩力Y和扩张力F相等，圆柱形畴处于平衡位置，但并非都是稳定点。a是不稳定点，因为，当d/h从a点略为增大一点时，可得F>Y，即扩张力大于压缩力，导致d/h进一步增大；若d/h从a点稍微减小时，则F<Y，即扩

张力小于压缩力，导致d/h进一步减小。b点则相反，是稳定一些一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁Yd h s h s 设为横坐标，则Y

呈直

圆柱形磁畴的静态a、

两点为交b

F(dh

因此，外磁场H大小不同，三种情况b点对应的d/h值，即可得到厚为h的薄膜内磁泡的泡径dbγ

M

d/h

。 一些一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁Yd h s h s 设为横坐标，则Y

呈直

圆柱形磁畴的静态a、

两点为交b M

F(dhd/h

因此，外磁场H大小不同，三种情况2、当l/h不变时，外磁H增大直线的斜率增大，这时，ab两点会因为H/Ms=0时，只能是H=0，即没有外磁

然不能产生磁泡，故外磁场不能为一些一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁Yd h s h s 设为横坐标，则Y

呈直

圆柱形磁畴的静态a、

两点为交b M

F(dhd/h

因此，外磁场H大小不同，三种情况2、当l/h不变时，外磁H增大直线的斜率增大，这时，ab两点会当Y直线与F曲线相切时，只有一个 一些一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁Yd h s h s 设为横坐标，则Y

呈直

圆柱形磁畴的静态a、

两点为交b M

F(dhd/h

因此，外磁场H大小不同，三种情况2、当l/h不变时，外磁H增大直线的斜率增大，这时，ab两点会因此，对于一定材料，磁泡的最临界泡径dmin是与某一临界最大 一些一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁Yd h s h s 设为横坐标，则Y

呈直

圆柱形磁畴的静态a、

两点为交b M

F(dhd/h

因此，外磁场H大小不同，三种情况2、当l/h不变时，外磁场H3、外磁场H继续增大Y直线离开F曲线，则Y与F曲线无交 对于每一个截距l/h，都有一个的外磁场Hmax，只有H<Hmax时

才能形成磁泡，Hmax为磁泡破灭一些一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁Yd h s h s 设为横坐标，则Y

呈直

圆柱形磁畴的静态a、

两点为交b

F(dh

对于一定的材料，特征长度l是一定的。厚度h越大，则l/h值就越小，直线斜率H/Ms的上限越大，外磁场H的上限也越高。但H 要形成磁泡，必须要形成磁泡→必须加外磁场H→外磁场

M

H的方向须与磁泡的预定磁化方向dh

0HMs 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁一些薄膜磁性材料中一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——磁晶各向异性场Hk>退磁场磁泡材料的Ku必须满k k

圆柱形磁畴的静态d d

对于一定的材料，特征长度l是一定的Ku

M M

hl/h值就越小，直线斜H/Ms的上限越大，外磁场H的上Kuγw相关l磁泡内Ms与外磁场的方向相

也越高。但 过一个最高限值即F曲线通过原点处的最大斜率H/Ms=1要形成磁泡，必须要形成磁泡→必须加外磁场H外磁场H的方向须与磁泡的预定磁化方向相反0HMs 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁一些薄膜磁性材料中一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——磁晶各向异性场Hk>退磁场磁泡材料的Ku必须满k k

圆柱形磁畴的静态d d 1M

若Ku增大，ll增大，Y直线在纵坐标轴的截距也增大，这就使其Y直线的斜率H/MsKuγw相关l磁泡内Ms与外磁场的方向相

上限不能太大，促使外磁场上限HmaxHmax磁泡的因此，所用磁泡材料的与外磁场的强弱又有根据磁泡动态理论，磁泡迁移速2Aw 2Au 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁因此，为了使磁泡运动具有一定的速度，也要求材料的Ku磁泡的最小直径预计Thiele推导的F

圆柱形磁畴的静态2

d2 d 2d2

F 1 E1

若K增大，lh

h

d2

h

l增大，Y直线在纵坐标轴的E为第二类完全椭圆磁泡内Ms与外磁场的方向相

也增大，这就使其Y直线的斜率H/Ms的上限不能太大，促使外磁场上限Hmax不能Hmax的减小对磁泡的因此，所用磁泡材料与外磁场的强弱又有根据磁泡动态理论，磁泡迁移速2Aw 2Au 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题磁因此，为了使磁泡运动具有一定的速度，也要求材料的Ku磁泡的最小直径预计Thiele推导的F

圆柱形磁畴的静态2

d2 d 2d2

F 1 E1 h h d2 h

F函数可以展开成级 E为第二类完全椭圆

2d

1d 3d

4h

64h d 1 3h2

3h

Fh

磁泡内Ms与外磁场的方向相

32d 64d

h/l=4时，磁泡最小直径为 4l 4mi

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog 介质的记录密度问题产生磁泡的条件及应用sHk>Ms，Ku>μ0M2/2，但Ku不能太大s3、当薄膜的厚度为4l时，产生磁泡最小泡径为4l，即等于厚度，其

磁一些薄膜磁性材料中一些薄膜磁性材料中出现的一种状形磁畴——F函数可以展开成级lM

d

2d

1d33d5d Fh

h

4、应用 器、逻辑器件等

4h

64h d 1

3h23h Fh

磁泡内Ms与外磁场的方向相

32d 64d

h/l=4时，磁泡最小直径为 4l 4mi

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应产生磁泡的条件及应用sHk>Ms，Ku>μ0M2/2，但Ku不能太大s3、当薄膜的厚度为4l时，产生磁泡最小泡径为4l，即等于厚度，其l

治 的方法：放射过热疗法无副作治疗过程中 的痛苦相对要2 4、应用 器、逻辑器件等磁泡内Ms与外磁场的方向相

治疗时温度（通过GMR间接控制温度适应症状 、肝 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应治 的方法：放射过热疗法1、纳米磁性粒子注入患部，并用局磁场限制纳米磁性粒子在一定的区42.5ºC，可杀死癌

无副作治疗过程中 的痛苦相对要治疗时温度（通过GMR间接控制温度适应症状 、肝 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应1、纳米磁性粒子注入患部，并用局磁场限制纳米磁性粒子在一定的区42.5ºC，可杀死癌

通过计算温 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应Q fD B f激励频率（kHz）,Dw（mgFe/cc）;B0磁通密度（T）；km为3.14×10-3（W/Hz/(mgFe/cc)/T2cc1、纳米磁性粒子注入患部，并用局磁场限制纳米磁性粒子在一定的区42.5ºC，可杀死癌

若知道治疗前、治疗期间磁流体的磁性离子的重量密度等，可以得到热磁流体的重量密度与体密度紧密相 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog磁流体（磁珠与水）的相对由其磁通密度估基于磁流体重量密度和相对磁导率可计算磁流体的体密度设磁珠的固有引力（specificgravity）则：磁流体重量密度（单位体积内fDv

Q fD B f激励频率（kHz）,Dw（mgFe/cc）;B0磁通密度（T）；km常数3.14×10-3（W/Hz/(mgFe/cc)/T2cc若知道治疗前、治疗期间磁流体的磁性离子的重量密度等，可以得到热Dw

1

磁流体的重量密度与体密度紧密磁性离子注入癌病变组织后，磁性子扩散，因此，磁流体体密度1(1/Dv1)/ Dv 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog磁流体（磁珠与水）的相对由其磁通密度估基于磁流体重量密度和相对磁导率可计算磁流体的体密度设磁珠的固有引力（specificgravity）则：磁流体重量密度（单位体积内fDv

Q fD B DvDw/Dw

1 1(1/Dv1)/ Dv 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应Q fD B DvDw/磁珠、水的相对磁导率分别为无穷和 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应Q fD B DvDw/磁珠、水的相对磁导率分别为无穷和不含 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应Q fD B

DvDw/磁珠、水的相对磁导率分别为无穷和d 件—磁传感Institut o Advance Material

an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应Q fD B DvDw/含磁珠磁路的 r2/4p p

d0 0

不含磁珠磁路的磁

Pg

d

rpdp

/4 件—磁传感Institut o Advance Material在磁流体中，单位体积的

an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应 fD B S PP1/d2

/ g

1/d

含磁珠磁路的 r2/4p p

d0 0

不含磁珠磁路的磁

Pg

d

rpdp

/4 件—磁传感Institut o Advance Material在磁流体中，单位体积的

an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应 fD B S PP1/d2

/ g

1/d

含磁珠磁路的因此，磁流体的相对磁导

r2/4 d 2 4 2 p

不含磁珠磁路的磁 d2r2 Pgd 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应在磁流体中，单位体积的 S PP1/d2

fD B / g

1/d 因此，磁流体的相对磁导r4p2 dr*dr2p 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog22将直径rp的磁珠近似看作圆柱其高和上、下表面园的直径分别为

Qk fD μ=

在磁流体体密度、重量密度小的条件B磁流体的体密BDvDw/因此，磁流体的相对磁4p4pp*

2 pd2rp 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog将直径rp的磁珠近似看作圆柱其高和上、下表面园的直径分别为μ=

Q fD B DvDw/因此，磁流体的相对磁pp4

磁流体的相对磁导率与体密度的关rp2 *1 2 d

*14D D

2 2 2

d 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio TechnologHelmholtz线圈产生均B0施加给特别封装的腔体，其中心磁通B1腔体中心的磁场为H1H1H0HdH0NH01 N*01

Q fD B DvDw/磁流体的相对磁导率与体密度的关rpppp 2p14Dv

d2r 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio TechnologHelmholtz线圈产生均B0施加给特别封装的腔体，其中心磁通B1腔体中心的磁场为H1H1H0HdH0NH N* 磁通B1、B0对应的磁场分

Q fD B DvDw/B00H

磁流体的相对磁导率与体密度的关腔体中心磁通

rpr为B1

*B

*14D;D

2 p1 Np

*1

d2r 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio TechnologHelmholtz线圈产生均B0加给特别封装的腔体，其中心磁通腔体内外磁通差与外磁通

Q fD B 在磁流体体密度、重量密度小的条件B1B0B

41NDv

磁流体的体密DvDw/腔体中心磁通

磁流体的相对磁导率与体密度的关rp为B1

*B

*14D;D

2 p1 Np

*1

d2r 件—磁传感Helmholtz线圈产生均B0加给特别封装的腔体，其中心磁通腔体内外磁通差与外磁通之B1B0 41N 0腔体中心磁通B1*BB11 NHelmholtz线圈产生均B0加给特别封装的腔体，其中心磁通腔体内外磁通差与外磁通之B1B0 41N 0腔体中心磁通B1*BB11 N 1TDK研制的SV-检测方向平行于直流电流直流电流0.5mA应用给SV- 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应TDK研制的SV-检测方向平行于直流电流0.5mA应用给SV- 件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应TDK研制的SV-

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应TDK研制的SV-实验平台：GMR测量磁通密度，获GMR（通过锁相放大器）的相关

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Technolog★巨磁阻效应（GMR）其它应癌治疗中的应TDK研制的SV-实验平台：GMR测量磁通密度，获GMR（通过锁相放大器）的相关

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio TechnologTDK研制的SV-实验平台：GMR测量磁通密度，获GMR（通过锁相放大器）的相关

件—磁传感Institut o Advance Material an Informatio Techn