磁敏材料与磁传感器ppt课件.ppt

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1、磁敏材料与新型磁传感器磁传感器：对磁参量敏感的器件或装置，具有把磁学量转换为电信号的功能。磁场参量主要包括磁场强度、磁感强度、磁通、磁矩、磁化强度、磁导率等。磁敏传感器的种类：质子旋进式、光泵式、超导量子干涉器(SQUID)式、磁通门式、感应式磁敏器件、半导体器件(霍耳、磁敏二极管、磁敏晶体管、磁敏电阻)、机械式等。1.概述以磁性材料为主体，磁敏器件把磁场强度转换成电压、电阻等电量，与相应检测技术结合构成不同传感器从10-14T~25T以上的强磁场，都有可用的相应器件。磁传感器在1970～80年代形成发展高潮，1990年代进入

2、成熟和完善期。发展中的新型磁传感技术得益于如下方面：①IC技术的应用应用IC技术，已开发出磁敏电阻电路、巨磁阻电路等多种功能性的集成磁敏器件。②InSb薄膜技术开发成功使霍尔元件产量大增，成本大幅下降.③强磁性合金薄膜在与薄膜表面平行的磁场作用下，以坡莫合金为代表的强磁性合金薄膜的电阻率呈现出2％～5％的变化。1.概述1.概述④巨磁电阻多层膜由不同金属、不同层数和层间材料的不同组合，可制成不同机制的巨磁电阻磁敏器件。它们呈现出随磁场变化的电阻率，比单层的各向异性磁敏电阻器的变化要高出若干倍。⑤采用各种不同成分和比例的非晶合金材

3、料及各种工艺用非晶合金的高导磁率特性和可制成细丝的机械特性，取代坡莫合金芯用于磁通门等器件，其性能得到很大改善。⑥Ⅲ—V族半导体异质结构材料用这种材料制作霍尔元件，其灵敏度在296K时达22.5V/T；灵敏度的温度系数也有大改善，用恒流驱动时为-0.0084％/K。1.概述每年所需的磁传感器数以十亿计，主要应用方面如下:(1)电机：转速、转矩、电流(2)电力电子技术：监测、控制和保护大功率器件的各种电流传感器(3)能源管理：自动监控系统的各控制环节都可利用以磁传感器为基础的电流传感器、互感器等来实施。(4)磁信息读写(5)汽车

4、工业：电机、ABS(防抱制动系统)、点火定时用的速度传感器及点火器。(6)工业自动化、机器人、办公自动化、家电及各种安全系统等2.磁性材料及其效应1.半导体材料的霍耳效应（略）2.非磁体的磁电阻效应在通电流的非磁金属或半导体上加磁场时，其电阻值变化。此现象称磁致电阻变化效应或洛仑兹(Lorentz)磁电阻效应，简称磁电阻(MR)效应。产生原因：磁场改变载流子的漂移路径，使得与外加电场同向的电流分量减小，等价于电阻增大。通常，以磁场引起的电阻率相对变化度量磁(电)阻效应。物理磁阻效应：弱磁场中材料电阻率随磁场增大的效应几何磁阻效

5、应：磁电阻效应与样品形状有关，不同几何形状的样品，在相同强度磁场作用下，其电阻不同。这种只由半导体形状引起的磁阻效应称几何磁电阻效应。2.磁性材料及其效应3.各向异性磁电阻效应具有高磁导率的金属称强磁性金属，如Ni-Fe,Ni-Co基合金。强磁场中其电阻率随磁场增强而减小，称强磁阻效应。在弱磁场中，当磁场强度大于某值时，强磁性金属的电阻率与磁场强度无关，只与磁场和电流间的方向角有关，磁阻呈各向异性，此现象称为定向（或各向异性）磁阻（AMR）效应，也即与外磁场方向平行的强磁性金属磁敏电阻的电流方向的电阻率ρ//和与外磁场方向垂直

6、的电流方向的电阻率ρ⊥发生变化的效应。AMR效应源自各向异性的散射。强磁性磁阻器件主要利用AMR效应。2.磁性材料及其效应4.巨磁电阻(GMR)效应于1988年在Fe/Cr多层膜中被发现。最初是(100)GaAs基片上用分子束外延(MBE)生长的单晶(100)Fe/Cr/Fe三层膜和Fe/Cr超晶格薄膜，发现在4.2K低温时Cr层厚度为0.9nm的膜中，加磁感应强度为20kx79.578A/m)的外场使相邻Fe层的磁矩平行排列，相对不加外场时相邻Fe层磁矩反平行排列的情况，电阻值下降一半，即磁阻变化了50％。这一结果远远超过多

7、层膜中Fe层磁阻效应(MR)的总和，故命名为巨磁电阻效应。类似效应：庞磁电阻(CMR)效应、巨磁阻抗(GMI)效应2.磁性材料及其效应5.磁弹性效应和磁致伸缩某些铁磁物质在外力作用下，其内部产生机械应力引起磁导率改变，此现象称磁弹性效应（例如压磁效应）。相反，某些铁磁物质在外磁场作用下会变形，有些伸长，有些压缩，这种现象称磁致伸缩。当材料受拉时，在受力方向上磁导率增高、在与作用力垂直的方向上磁导率降低的现象称为正磁致伸缩。与此相反，某些材料受拉时，在受力方向上磁导率降低，而垂直方向上磁导率增高，这种现象称逆磁致伸缩。6.非晶态

8、合金（另外章节详细介绍）这是一类新型电磁功能材料，它不仅有独特的微观结构和优良的宏观性能，且有丰富的敏感功能和物理效应3.磁敏元件和磁传感器3.1强磁性金属薄膜磁敏电阻及传感器1）磁敏电阻工作原理基于强磁材料的磁致伸缩效应制成。利用真空镀膜或溅射技术在氧化铝、二氧化硅等绝缘基