第二章金属敏感材料

第二章金属敏感材料磁敏金属材料温敏金属材料形变金属材料超导敏感材料形状记忆材料本章小结金属敏感材料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。1.磁敏金属材料磁敏元件的物理响应与磁性特性的关系直接变化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。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。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）。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。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.√与常规磁阻效应有差异，机理未明。1.磁敏金属材料

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。

1.磁敏金属材料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？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)组分对体材和薄膜Ni-Fe合金的磁阻响应率的影响1.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？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

1.磁敏金属材料用心体会如何去搞科学研究？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。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。）2.2金属薄膜温度敏感元件金属电阻率：薄膜电阻率：

当时，2.温敏金属材料蒸发在云母片上的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。选作感温元件的材料应满足如下要求：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；在测温范围内，材料的物理、化学性质应稳定；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；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.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。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．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。铂热电阻的结构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)]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）铜热电阻技术特性表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；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：电绝缘性能好；在高、低温下有足够的机械强度，在高温下有足够的刚度；体膨胀系数要小，在温度变化后不结热电阻丝造成压力；不对电阻丝产生化学作用。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：∆l/l为金属规的长度变化；v为泊松比（金属时为0.3）3.形变金属材料形变ε∆l/l关系合金名称组分（wt%）G温度系数K1阿范斯康铜康铜卡尔马高电阻镍铬合金锰铜镍铬合金Pt-IrCu-42NiCu-40NiNi-20Cr-3Fe-3CuCu-13MnNi-24Fe-16CrPt-20Ir2.04~2.121.7~2.02.10.45~0.52.0~2.56±20×10620×10620×10615×106160×106800×106金属形变材料的主要特性3.形变金属材料

Bi-Sb（铋-锑）合金薄膜的规率组分(wt%)膜厚(1010m)规率BiBi-10SbBi-20SbBi-40SbBi-60Sb873965965100010805.312.5510.369.5611.16原有的材料因为由形变而容易引起电阻变化的金属多数近于半金属，性能脆，难于作成细线或薄板。然而，若是用蒸发等方法制成薄膜，则可解决此问题。

3.形变金属材料3.2磁形变敏感元件

强磁性体一旦被磁化就显示尺寸变化，通常称为磁致伸缩效应。反之，若因为给强磁性体以形变而磁化发生变化，则称为反磁致伸缩效应。对于磁头等精密磁敏元件，若磁致伸缩不为零，则导致噪声和信号波形杂乱。(弊)但是，磁致伸缩效应可以用于开发形变敏感元件。

(利)3.形变金属材料磁致伸缩产生的原因是：磁偶极矩变化而产生晶格离子位置的偏移，磁弹性结合能变化引起晶格离子位置的偏移，以及由自旋引起的传导电子云分布的变化等。利用磁致伸缩效应的敏感元件有采用矽钢和磁性铁氧体的荷重敏感元件、转矩敏感元件。就新材料而言，有采用非晶的敏感元件，并以此试制了荷重敏感元件、转数敏感元件。

3.形变金属材料超导现象的发现

1908年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯

(Hei-ke

Kamerlingh

Onnes，1853－1926)首次液化了氦气。人们第一次达到了当时地球上的最低温度，大约4.2K

左右。1911年卡末林·昂内斯在研究极低温度下金属导电性时发现，当温度降到4.2K时，汞的电阻率突然降低到接近于零。这种现象称为汞的超导现象。4.超导敏感材料卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖超导现象引起了各国科学家和学者的关注,超导方面的研究也随之突飞猛进,逐渐发现了超导现象的各种特性,这其中包括零电阻效应,完全抗磁性效应(Meissner效应),二级相变效应,单电子隧道效应,约瑟夫逊(Josephson)效应.从此，超导材料的研究引起了广泛的关注，现已发现了上千种超导材料。定义：超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流JC是约束超导现象的三大临界条件。当温度超过临界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均不超过超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象（由Tc、Hc，Jc形成的闭合曲面内为超导态）。超导体的临界转变点一些超导材料的临界温度超导临界温度提高的情况隧道效应：经典力学中，若两个区域被一个势垒隔开，则只有粒子具有足够的能量时，其才会从一个区域进入另一个区域。量子力学中，粒子具有足够的能力不再是一个必要条件，一个能量不太高的粒子也可能会以一定的概率“穿过”势垒，即所谓的“隧道效应”。4.1约瑟夫逊结

在两超导体间插入纳米量级的绝缘体，超导电流会从一块超导体无阻通过绝缘层到另一块超导体。此超导体/绝缘体/超导体结被称为约瑟夫逊结。4.1约瑟夫逊结

若i0为结的临界电流，则约瑟夫逊电流is可表示为：

约瑟夫逊结通电时的电流－电压特性特点是：即使在电压等于零的状态下也流过归因于两个超导体电子的相位差的电流，且当时显示出最大电流i0，一旦超过i0就不再流过超导电流，而产生常导电状态。

4.超导敏感材料薄膜SIS元件:在绝缘衬底上制成超导薄膜S1，并将其表面氧化，再制成超导体S2，从而得到SIS结。点接触型:将尖端面直径为1m以下的超导体针压在另一超导体上。桥型:在超导薄膜的一部分上制作宽度为1m以下的缩颈，以此部分为结。4.超导敏感材料约瑟夫逊结的三种基本类型4.2超导量子干涉仪超导量子干涉仪（SQUID）

的基本结构超导量子干涉仪简称为SQUID。SQUID是在用超导体制作的环内引入一个或两个约瑟夫逊结制成的器件。（a）是一个约瑟夫逊结的情况，且检测电路中使用高频电流，故称为RFSQUID。（b）因为是用直流驱动，所以称为DCSQUID。4.超导敏感材料超导量子干涉仪(SQUID)SQUID实质是一种将磁通转化为电压的磁通传感器，其基本原理是基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象。以SQUID为基础派生出各种传感器和测量仪器，可以用于测量磁场、电压、电流、磁化率等物理量。利用直流约瑟夫逊效应研制成超导量子干涉器（SQUID），可用于测量诸如人体心脏和脑活动所产生的微磁场变化，分辨力高达1013T。SQUID构造

超导量子干涉仪示意图

先讨论一个结的情况。库珀对是玻色子，故它能通过隧道效应穿过势垒。当V≠0时，库珀对从结的一侧贯穿到另一侧，必须将多余的能量释放出来，即发射一个频率为v的光子，其中v=2eV/h,相当于电子对穿过结区时，将在结区产生一个沿与结区平面平行的方向传播的、频率为v的电磁波，表明在结区有一交变的电流分布（见图4）

SQUID的简单原理

-

x+

v=0v=0

图4结区的交变电流

hνSS结区

超导

绝缘

超导

为了表示这一交变电流在结区形成的波，可以将电流I写成或

，称为德布罗意关系式，是初位相。现在，给结区加一垂直于纸面向外的磁场B，由于释放的光子或电磁波与磁场会产生相互作用，因此根据电磁理论中的最小耦合原理，于是因此，B的大小或A的大小将影响电流i的相位，决定其x轴向的分布，由于磁场在交变电流中起着位相作用，而波的频率又相当大，故磁场的一个微小变化也会导致一个显著的位相改变，使得电流也有一个相当大的变化。如果使用两个结，利用两个电流的相干作用，效果会更好，会使电流的值更大。这和光学中用双缝加强光度比用单缝的效果要好一样。SQUID就是根据这一原理设计而成的。SQUID的应用

(1)SQUID用作磁强计，可精确到10-7T。为了对这个量级有所理解，可以列举一些例子。地磁场的磁感应强度为103T；环境磁噪声的磁感应强度为10-4～10-1T；人们的肺、心、脑都有一定的生物磁感应强度，分别为10-1T、10-2T和10-5T。由此可见，比脑磁场还弱100倍的磁场，SQUID都能准确地测量出来。以心脏为例，心磁图可以衡量直流电效应，而心电图对直流电效应无法感知。并且，磁场测量几乎不受信号源和检测线圈之间夹杂物的影响，所以可以检出局部的信号。脑磁场测定病灶

SQUID心磁检测系统(2)用作磁场梯度计。测量微弱磁场时，必须消除强磁场的干扰。为此，可设计一个形如图6的线圈，其中A2和A3绕向相反。均匀的地磁与噪声磁在A2、A3中产生的磁通会互相抵消，对A1不产生影响。而非均匀的待测磁场在A2、A3中不会抵消，因而对A1有影响。用SQUID测出的A1的磁通便无地磁和噪声的干扰。

A1

A3

线圈

A2（3）用作低温温度计。它是利用核磁化率在10-5K的低温时与温度成正比设计而成的。用SQUID测出核磁化率α就可测定温度。（4）用作检流计。将待测的电流引入超导线圈，利用SQUID测出电流产生的磁通，从而确定电流的大小，且能精确到10-9A。改装成电压计精确可达10-16V。(5)军事方面的应用。在探测技术方面，超导量子干涉仪器件具有极高的灵敏度，特别适合用于对微波弱磁场反常现象和红外辐射的探测定位。采用超导量子干涉仪的先进磁导探测系统，可探测到浅海中的潜艇。超导量子干涉仪还可作为微波和红外探测器，灵敏度可达10～15W/Hz。这种探测器可在空间根据卫星微弱的红外辐射来确定其位置。雷达系统若采用高灵敏度超导或纳米接收机，其作用距离可提高1～2个数量级。SQUID还可以用作超低频信号的接收器，进行水下、地下的深处通讯联系。利用SQUID可测量磁悬超导铌棒的微小振动。当铌棒振幅为10-18cm时，其磁场波动能立即被SQUID测出。敏感元件用超导材料

约瑟夫逊结可采用Nb（铌）或Ta（钽）等的体相材料或薄膜形式，其中薄膜是重点。薄膜具有制作容易、温度循环强、机械强度高、适于微细加工等优点。作为约瑟夫逊元件和超导晶体管用材料可采用Sn、Pb、Pb-In合金及Nb、NbN、Nb3Al、Nb3Sn、Ta-Zr、V3Si、Mo-Re（钼-铼）合金等。4.超导敏感材料5.形状记忆材料形状记忆合金则是借助于轻微加热等手段而返回塑性形变前的形状的特异材料。

对于形状记忆合金的功能应用主要包括：（1）形状回复的利用；（2）伴随形状回复的应力应用；（3）热敏感性的利用；（4）作为能