第二章金属敏感材料课件.ppt
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1、第二章第二章 金属敏感材料金属敏感材料1.磁敏金属材料磁敏金属材料 2.温敏金属材料温敏金属材料 3.形变金属材料形变金属材料 4.超导敏感材料超导敏感材料5.形状记忆材料形状记忆材料 本章小结本章小结金属敏感材料金属敏感材料 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
2、物质中的电子自由度与化学、物理量的相互作用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,对金属而言,自由电子和自旋自由电子和自旋是敏感元件利用的中心。是敏感元件利用的中心。 1.磁敏金属材料磁敏金属材料 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磁敏元件的物理响应与磁性特性的关系 直接变化直接变化磁阻效应磁阻效应 物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效应。物质在磁场中电阻发生变
3、化的现象称为磁阻效应。 磁阻效应可分为基于霍尔效应的磁阻效应可分为基于霍尔效应的普通磁阻效应普通磁阻效应和在强和在强磁性体中出现的磁性体中出现的各向异性磁阻效应各向异性磁阻效应。 基于磁阻效应的磁敏元件主要是半导体基于磁阻效应的磁敏元件主要是半导体,但利用其,但利用其各各向异性磁阻效应,向异性磁阻效应,Fe-Ni合金和合金和Co-Ni合金合金在低磁场下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。入实用化阶段。基于霍尔效应的普通磁阻效应基于霍尔效应的普通磁阻效应v概念:概念:磁阻效应(磁阻效应(Magnetoresistan
4、ce Effects):是是1857年由英国物年由英国物理学家理学家威廉威廉汤姆森汤姆森发现的,是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁发现的,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。场变化而变化的现象。v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。兹力而产生的。在达到稳态时,某在达到稳态时,某速度的载流子所受到的电场力与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
5、速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。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。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或者说,沿外加电场方向运动的载流子数减少,从而的载流子数减少,从而使电阻增加使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。这种现象称为磁阻效应。v分类: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
6、感强度不引起载流子偏移,因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,因而而无纵向磁阻效应无纵向磁阻效应。历史历史v它在金属里可以忽略,在半导体中则可能由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,磁阻发展经历小到中等。从一般磁阻开始,磁阻发展经历了了巨磁阻(巨磁阻(GMR)、庞磁阻()、庞磁阻(CMR)、穿隧)、穿隧磁阻(磁阻(TMR)、直冲磁阻()、直冲磁阻(BMR)和异常磁)和异常磁阻(阻(EMR)。)。1.磁敏金属材料磁敏金属材料 在金属所具有的物性中,磁性是重要特性之一。在金属所具有的物性中,磁性是重要特性之一。 虽然虽然铁氧体等氧化物和氮化物铁氧体
7、等氧化物和氮化物具有磁性,但是具有磁性,但是磁性磁性材料仍以金属为主材料仍以金属为主。 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。的物理响应相对应的敏感元件。1. 磁敏金属材料磁敏金属材料1.1 各向异性磁阻效应型元件的基本结构各向异性磁阻效应型元件的基本结构对于强磁性体金属(对于强磁性体金属(Fe、Co、Ni及其合金),当外及其合金),当外磁场的
8、方向磁场的方向平行于磁体内平行于磁体内部的磁化方向部的磁化方向时,电阻几时,电阻几乎不随外磁场而变化,但乎不随外磁场而变化,但若外磁场偏离内磁场的方若外磁场偏离内磁场的方向,向,则电阻减小则电阻减小 . 磁场(磁场(kG) 0 5 10 15 20 25 8.15 8.10 8.05 8.00 电阻率电阻率 ( cm) 平行 垂直 291K 8.20 与常规磁阻效应有差异,机理未明。与常规磁阻效应有差异,机理未明。1.磁敏金属材料磁敏金属材料 I(/Mi) 电 极 N i-20% Fe 薄 膜 绝 缘 衬 底 ( a) 剖 面 ( b) 平 面 电 流 外 磁 场 M v 薄膜磁阻效应元件薄膜
9、磁阻效应元件 薄膜元件比体元件好。好薄膜元件比体元件好。好在哪儿?是更敏感还是更在哪儿?是更敏感还是更好集成?好集成?就通常使用的就通常使用的Ni-20wt%Fe合合金(坡莫合金)薄膜而言,金(坡莫合金)薄膜而言,膜厚为膜厚为30300nm,w和和l因因目的而异,但目的而异,但w为数十微米,为数十微米,l从数十微米到几毫米。从数十微米到几毫米。 1.磁敏金属材料磁敏金属材料 旋转体旋转体 磁阻元件磁阻元件 永久磁铁永久磁铁 时间时间 输出电压输出电压 (a)简单的敏感元件)简单的敏感元件 (b)输出波形)输出波形 v 磁阻元件的简单敏感元件和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
10、怎么理解?这个示意图怎么理解?1.磁敏金属材料磁敏金属材料1.2 各向异性磁阻效应材料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显示各向异性磁阻效应的金属主要是以Fe、Ni、Co为主要为主要成分的成分的合金合金,而不含这些元素的强磁性合金的磁阻效应极,而不含这些元素的强磁性合金的磁阻效应极小小 组分(组分(wt%)组分(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主要合金块材的磁阻效应率 (293K)/ (%)/ (%)组分组分对体材和
11、薄膜对体材和薄膜Ni-Fe合金的磁阻合金的磁阻响应率的影响响应率的影响 2 6 4 体 材 薄 膜 (36nm ) 40 60 80 100 磁阻响应率/ (%) N i 浓 度 ( w t% ) 0 1.磁敏金属材料磁敏金属材料薄膜的磁阻响应率比块材低薄膜的磁阻响应率比块材低p体材体材Ni-Fe合金合金:在在10%Fe附近观察到的附近观察到的/最大值最大值p薄膜薄膜Ni-Fe合金合金: 在在20wt%Fe附近显示附近显示最大值。最大值。有何体会?有何体会?为了增大薄膜为了增大薄膜/ ,可采用提高,可采用提高蒸发蒸发时的真空度、时的真空度、氢退火、氢离子注入等氢退火、氢离子注入等方法方法 10
12、7 106 105 104 4 3 2 磁阻响应率/ (%) 50nm 20nm 真 空 度 ( P a) 0 1 2 3 4 退 火 时 间 ( h) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 80 60 40 20 /103m /101m 1.磁敏金属材料磁敏金属材料用心体会如何去搞科学研究?用心体会如何去搞科学研究?2. 温敏金属材料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的
13、不同,对温敏元件的输入信号可采用各种物理量变换方式。式。 热输入 机械量 热膨胀 热形变 双金属 形状记忆合金、弹簧 电阻 测温电阻、热噪声电阻、熔断器 热电势 热电偶 热磁 感温磁铁、光磁 相移 磁铁、超导体、形状记忆合金、熔断器 v利用利用机械量机械量的敏感元件(如的敏感元件(如双金属元件双金属元件)中,特点是)中,特点是精度低精度低,但,但廉价、简便廉价、简便。v而利用电阻温度依赖关系的温敏元件(而利用电阻温度依赖关系的温敏元件(热敏电阻热敏电阻)使用)使用温度范围温度范围广广,且,且精度高精度高。v作为金属系温度敏感元件,作为金属系温度敏感元件,使用最广且精度也高使用最广且精度也高的是
14、基于的是基于热电势热电势的温敏元件。的温敏元件。v利用马氏体相变的利用马氏体相变的形状记忆合金和规则形状记忆合金和规则不规则相变中的电阻变不规则相变中的电阻变化化的的熔断丝熔断丝是利用是利用相移相移的例子,且已实用化。的例子,且已实用化。v利用利用磁性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。金属系磁铁是磁补偿合金,使用实例较少。v光磁光磁敏感元件还在应用研究阶段。敏感元件还在应用研究阶段。超导相移超导相移等的利用也在开发中。等的利用也在开发中。 2. 温敏金属材料温敏金属材料2.1 双金属双金属
15、概念: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。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。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。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:分类:分低温用(分低温用( 200150)、中温用()、中温用(0250)、高温用)、高温用(0400)三类。)三类。 形状:有平板形、形状:有平板形、U字形、圆环形、螺旋形等。字形、圆环形、螺旋形等。 用途:双金属温敏元件用途:双金属温敏元件(也称为双金属温度计也称为双金属温度计)主要
16、用于主要用于温度控制及切断电温度控制及切断电路路,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,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。其他工业应用领域。 2. 温敏金属材料温敏金属材料双金属温度计双金属温度计v双金属温度计是利用两种不同金属在温度改变时膨胀程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。度不同的原理工作的。v工业用双金属温度计主要的元件是一个用两种或多种金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属片叠压叠压在一起组成的多层金属片。在一起组成的多层金属片。v为提高测温灵敏度,通常将金属片制成
17、螺旋卷形状。为提高测温灵敏度,通常将金属片制成螺旋卷形状。(原理:原理:当多层金属片的温度改变时,各层金属膨胀或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。由于螺旋卷的收缩量不等,使得螺旋卷卷起或松开。由于螺旋卷的一一端固定而另一端和一可以自由转动的指针相连端固定而另一端和一可以自由转动的指针相连,因此,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。)标尺上指示出温度来。) 2.2 金属薄膜温度敏感元件金属薄膜温度敏感元件 金属电阻率:金属电阻率: 02tm Vne l薄膜电阻率:薄膜电阻
18、率: 031( )8ltlt 当当 时,时,0413ln()0.423ll t2. 温敏金属材料温敏金属材料 0 1 2 3 4 5 T2( kK2) 10 20 30 40 50 60 70 15 10 5 35 53 79 126 210 507 电阻率 (cm) T( K ) 蒸发在云母片上的蒸发在云母片上的Au薄膜的电阻与膜厚和薄膜的电阻与膜厚和温度的依赖关系温度的依赖关系2. 温敏金属材料温敏金属材料金属热电阻金属热电阻 一、工作原理、结构和材料一、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。其特性方程式如下性
19、方程式如下: RiR01+a(T-T0)式中:式中: Ri,R0分别为热电阻在分别为热电阻在T和和0时的电阻值;时的电阻值; a热电阻的电阻温度系数热电阻的电阻温度系数(1)。 对于绝大多数金属导体,对于绝大多数金属导体,a并不是一个常数,而是温度的并不是一个常数,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,同的金属导体,a保持常数所对应的湿度范围不同。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: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材料的电阻温度系数a要越大越好要越大
20、越好,纯金属的纯金属的a比合金的高比合金的高,所以一般均采用纯金属作熟电阻元件;所以一般均采用纯金属作熟电阻元件;2.在测温范围内,在测温范围内,材料的物理、化学性质应稳定材料的物理、化学性质应稳定;3.在测温范围内,在测温范围内,a保持常数保持常数,便于实现温度表的线性刻度特性;,便于实现温度表的线性刻度特性;4.具有具有比较大的电阻率比较大的电阻率,以利于减少热电阻的体积,减小热惯,以利于减少热电阻的体积,减小热惯性性.5.特性复现性好,容易复制特性复现性好,容易复制。比较适合以上要求的材料有:比较适合以上要求的材料有:铂、铜、铁和镍铂、铜、铁和镍。A铂热电阻铂热电阻铂的纯度铂的纯度通常用
21、通常用W(100)表示,即表示,即:0630.755:-1900: 对对W(100)1.391有有A3.9684710-3B-5.84710-72 , C-4.2210 -12/4 对对W(100)1.389有有A3.9485110-3. B-5.85110-7/ 2 , C-4.04 10 -12/4 0100)100(RRW)1(20BtAtRRt320)100(1ttCBtAtRRt 铂电阻一般由直径为铂电阻一般由直径为0.05一一0.07mm铂丝绕在片形云母骨架上,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。铀丝的引线采用银线,引线用双孔瓷绝缘套管绝缘。铂热电
22、阻的结构铂热电阻的结构B铜热电阻v铜丝可用来制造铜丝可用来制造-50150范围范围内的工业用电阻温度汁。在此温内的工业用电阻温度汁。在此温度范围内线性关系好,度范围内线性关系好,灵敏度比灵敏度比铂电阻高铂电阻高(a(4.254.28)10-3)容易得到高纯度材料,复容易得到高纯度材料,复制性能好。制性能好。v但铜易于氧化,但铜易于氧化,一般只 用 于一般只 用 于150以下的低温测量和没有水以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介中的温度测量。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通常利用二项式计算测量的铜电阻值为电阻值为: RTR01十十a(TT0)电阻与温度关系电阻与温度关系
23、分度号 G Cu50Cu100Re( )53 50100R100/R01.4250.001 1.4250.002精度等级 R0允许误差(%)0.1 0.1最大允许误差(%)(0.33.5) (0.36.0)t310t310铜热电阻技术特性表铜热电阻技术特性表C.铁电阻和镍电阻铁电阻和镍电阻p 铁和镍这两种金属的铁和镍这两种金属的电阻温度系数较高,电阻温度系数较高,电阻率较大电阻率较大,故可作成,故可作成体积小、灵敏度高体积小、灵敏度高的的的电阻温度计。的电阻温度计。p其特点是其特点是容易氧化容易氧化、化学稳定性差、不易提、化学稳定性差、不易提纯,复制性差,而且电阻值与温度的纯,复制性差,而且电
24、阻值与温度的线性关线性关系差系差。p目前目前应用不多应用不多;p 热电阻的结构比较简单,一般将电阻丝绕在热电阻的结构比较简单,一般将电阻丝绕在云母、石英、陶云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架瓷、塑料等绝缘骨架上,经过固定,外面再加上保护套管。上,经过固定,外面再加上保护套管。p 但骨架性能的好坏,影响其测量精度、体积大小和使用寿命。但骨架性能的好坏,影响其测量精度、体积大小和使用寿命。p 对骨架的要求是对骨架的要求是: 电绝缘性能好;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;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
25、成压力;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。不对电阻丝产生化学作用。3. 形变金属材料形变金属材料 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。感元件。 用作形变规的材料:有金属、半导体、电介质等。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、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。价廉、
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