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、
26、耐高温、抗冲击性好、弯曲性强等特点。 3.1 形变规形变规 对用于形变规的金属材料，要求由外应力引起的对用于形变规的金属材料，要求由外应力引起的形变形变 产生产生的电阻变化率的电阻变化率 R/R高高 、线性度好、电阻的温度系数低。、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（与形变相应的电阻变化率通常称为标准因子（规率规率）G，可，可由下式定义：由下式定义： 1/llRRGl/l为为金金属规属规的的长长度度变变化；化；v 为为泊松比（金泊松比（金属时为属时为0.3）3. 形变金属材料形变金属材料形变形变 l/l关系关系合金名称合金名称组分（组分（wt%）G温度系数温度系
27、数K 1阿范斯康铜阿范斯康铜康康 铜铜卡尔马高电阻镍卡尔马高电阻镍铬合金铬合金锰锰 铜铜镍铬合金镍铬合金Pt-IrCu-42NiCu-40NiNi-20Cr-3Fe-3CuCu-13MnNi-24Fe-16CrPt-20Ir2.042.121.72.02.10.450.52.02.562010 6 2010 6 2010 6 1510 6 16010 6 80010 6v 金属形变材料的主要特性金属形变材料的主要特性 3. 形变金属材料形变金属材料v Bi-Sb（铋（铋-锑）锑） 合金薄膜的规率合金薄膜的规率 组分组分(wt%)膜厚膜厚(10 10m)规规 率率BiBi-10SbBi-20Sb
28、Bi-40SbBi-60Sb873965965100010805.31 2.5510.369.5611.16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。等方法制成薄膜，则可解决此问题。 3. 形变金属材料形变金属材料3.2 磁形变敏感元件磁形变敏感元件 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。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
29、变化，则称为反磁反之，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。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。信号波形杂乱。(弊弊) 但是，磁致伸缩效应可以用于开发形变敏感元件。但是，磁致伸缩效应可以用于开发形变敏感元件。 (利利)3. 形变金属材料形变金属材料 磁致伸缩产生的原因是：磁致伸缩产生的原因是：磁偶极矩变化磁偶极矩变化而产生晶而产生晶格离子位置的偏移，格离子位置的偏移，磁弹性结合能变化磁弹性结合能变化引起晶格引起晶格离子位置的偏移，以及由离子位置的偏移，以及由自旋引起的传导电
30、子云自旋引起的传导电子云分布的变化分布的变化等。等。 利用磁致伸缩效应的敏感元件有采用矽钢和磁性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铁氧体的荷重敏感元件、转矩敏感元件荷重敏感元件、转矩敏感元件。就新材。就新材料而言，有采用非晶的敏感元件，并以此试制了料而言，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。荷重敏感元件、转数敏感元件。 3. 形变金属材料形变金属材料超导现象的发现超导现象的发现p 1908 1908年年，荷兰物理学家，荷兰物理学家卡末林卡末林昂昂内斯内斯 ( Hei-ke Kamerlingh Onnes( Hei-ke Kamerlingh Onne
31、s，185318531926 ) 1926 ) 首次液化了氦气首次液化了氦气 。人。人们们 第一次达到了当时地球上的第一次达到了当时地球上的 最低最低 温度，大约温度，大约 4.2 K4.2 K 左右。左右。p19111911年卡末林年卡末林昂内斯昂内斯在研究在研究极低温极低温度下金属导电性度下金属导电性时发现，当温度降到时发现，当温度降到4.2K4.2K时，汞的电阻率突然降低到接近时，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。于零。这种现象称为汞的超导现象。4. 超导敏感材料超导敏感材料卡末林由于他的这一发现获得了卡末林由于他的这一发现获得了19131913年诺贝尔奖年诺贝尔奖
32、 超导现象引起了各国科学家和学者的关注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超导方面的研究也随之突飞猛进猛进,逐渐发现了超导现象的各种特性逐渐发现了超导现象的各种特性,这其中包括这其中包括零电阻效应零电阻效应,完全抗完全抗磁性效应磁性效应(Meissner效应效应),二级相变效应二级相变效应,单电子隧道效应单电子隧道效应,约瑟夫逊约瑟夫逊(Josephson)效应效应. 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。料。 定义：定义： 超导电现象超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现
33、零电阻的现象。材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。 超导体超导体：低于某一温度出现超导电性的物质：低于某一温度出现超导电性的物质。临界温度（临界温度（Tc）、临界磁场（）、临界磁场（Hc）、临界电流）、临界电流JC是约是约束超导现象的三大临界条件。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，三者具有磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。明显的相关性。只有当只有当上述三个条件均不超过超导材上述三个条件均不超过超导材料本身的临界值料本身的临界值
34、时，才能发生超导现时，才能发生超导现象（由象（由TcTc、HcHc，JcJc形成的闭合曲面内形成的闭合曲面内为超导态）。为超导态）。超导体的临界转变点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：隧道效应：p经典力学经典力学中，中，若两个区域被一个势垒隔开若两个区域被一个势垒隔开，则只有，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。个区域。p量子力学量子力学中，粒子具有足够的能力不再是一个必要中，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条件，一个能量不太高的粒子也可能会以
35、一定的概率概率“穿过穿过”势垒，即所谓的势垒，即所谓的“隧道效应隧道效应”。4.1 约瑟夫逊结约瑟夫逊结 超 导 体 1 超 导 体 2 is 绝 缘 膜 （ 2 6nm ） V I I0 In 0 在在两超导体两超导体间插入间插入纳米量级纳米量级的的绝缘体绝缘体，超导电流会从一块，超导电流会从一块超导体超导体无阻通过无阻通过绝缘层到另一块超导体。此超导体绝缘层到另一块超导体。此超导体/绝缘体绝缘体/超导体结被称为超导体结被称为约瑟夫逊结约瑟夫逊结。 4.1 约瑟夫逊结约瑟夫逊结 若若i0为结的临界电流，则约瑟夫逊为结的临界电流，则约瑟夫逊电流电流is可表示为：可表示为： 021()sii约瑟
36、夫逊结通电时的电流电压特性特点是：即使在电压等于零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状态下也流过归因于两个超导体电子的相位差 的电的电流，且当时流，且当时 显示出显示出最大电流最大电流i0，一旦超过一旦超过i0就不再流过就不再流过超导电流，而产生常导电状态。超导电流，而产生常导电状态。 21 / 24. 超导敏感材料超导敏感材料a. 薄膜薄膜SIS元件元件: 在绝缘衬底上制成超导薄膜在绝缘衬底上制成超导薄膜S1，并将其表面氧化，并将其表面氧化，再制成超导体再制成超导体S2，从而得到，从而得到SIS结。结。b. 点接触型点接触型:
37、将尖端面直径为将尖端面直径为1 m以下的超导体针压在另一超导体以下的超导体针压在另一超导体上。上。c. 桥型桥型: 在超导薄膜的一部分上制作宽度为在超导薄膜的一部分上制作宽度为1 m以下的缩颈，以此以下的缩颈，以此部分为结。部分为结。 绝 缘 膜 衬 底 衬 底 S1 S1 S1 S2 S2 S2 （ a） （ b） （ c） I 4. 超导敏感材料超导敏感材料约瑟夫逊结的三种基本类型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 （ a） R F SQ U ID （ b） D C SQ U ID 结 结 结 I I IA Ia 超导量子干涉仪（超导量子干涉仪（SQUID）的基本
38、结构的基本结构 超导量子干涉仪简称为超导量子干涉仪简称为SQUID。SQUID是在用超导体制作的环是在用超导体制作的环内内引入一个或两个约瑟夫逊结引入一个或两个约瑟夫逊结制成的器件。制成的器件。（a）是一个约瑟）是一个约瑟夫逊结的情况，且检测电路中夫逊结的情况，且检测电路中使用高频电流，故称为使用高频电流，故称为RF SQUID。（。（b）因为是用直流驱）因为是用直流驱动，所以称为动，所以称为DC SQUID。4. 超导敏感材料超导敏感材料超导量子干涉仪超导量子干涉仪 (SQUID)vSQUID实质是实质是一种将磁通转化为电压的磁通传感器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
39、瑟夫森效应和磁通量子化其基本原理是基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象。现象。v以以SQUID为基础派生出各种传感器和测量仪器，可为基础派生出各种传感器和测量仪器，可以用于以用于测量磁场、电压、电流、磁化率等物理量。测量磁场、电压、电流、磁化率等物理量。v利用直流约瑟夫逊效应研制成超导量子干涉器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），可用于测量诸如人体心脏和脑活动所产生的微磁场变化，分辨力高达产生的微磁场变化，分辨力高达10 13T。SQUID构造 超导量子干涉仪示意图 先讨论一个结的情况。先讨论一个结的情况。库珀对库珀对是玻色子，故它能通是
40、玻色子，故它能通过隧道效应穿过势垒。当过隧道效应穿过势垒。当V0时，库珀对从结的一时，库珀对从结的一侧贯穿到另一侧，侧贯穿到另一侧，必须将多余的能量释放出来，即必须将多余的能量释放出来，即发射一个频率为发射一个频率为v的光子，其中的光子，其中v=2eV/h,相当于电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、频率为平行的方向传播的、频率为v的电磁波，表明在结的电磁波，表明在结区有一交变的电流分布（见图区有一交变的电流分布（见图4） SQUID的简单原理 - x + v=0 v=0 图4 结区的交变电流 h S S结区 超导
41、绝缘 超导 p为了表示这一交变电流在结区形成的波，可以将电为了表示这一交变电流在结区形成的波，可以将电流流I写成写成 或或 ， 称为德布罗意关系式，是初位相。称为德布罗意关系式，是初位相。p现在，给结区加一垂直于纸面向外的磁场现在，给结区加一垂直于纸面向外的磁场B，由于释，由于释放的光子或电磁波与磁场会产生相互作用，因此根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，于是据电磁理论中的最小耦合原理，于是022s i n ( 2ce Viitxh 02sin (2ceVpiitxhh 2h2ph 因此，因此，B的大小或的大小或A的大小将影响电流的大小将影响电流i的相位的
42、相位(A是磁场沿是磁场沿x方方向的矢势向的矢势)，决定其，决定其x轴向的分布，轴向的分布，由于磁场在交变电流中起由于磁场在交变电流中起着位相作用着位相作用，而波的频率，而波的频率 又相当大，又相当大，故磁场的一个微小变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。的变化。如果使用两个结，利用两个电流的相干作用，效果如果使用两个结，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。用单缝的效果要好一样。SQUI
43、D就是根据这一原理设计而成就是根据这一原理设计而成的。的。022sinceVpeiitxA xhhcheV2SQUID的应用的应用 (1)SQUID用作用作磁强计磁强计，可，可精确到精确到10-7T。为了对这个量级有所理解，可以。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；环境磁噪声的磁感应强度为为10-410-1T；人们的；人们的肺、心、脑肺、心、脑都有一定的生物磁感应强度，分别为都有一定的生物磁感应强度，分别为 10-1T、10-2T和和10-5T。由此可见，比脑磁场还弱。由此可见，比脑磁场还弱100倍的
44、磁场，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。圈之间夹杂物的影响，所以可以检出局部的信号。脑磁场测定病灶脑磁场测定病灶 (2)用作用作磁场梯度计磁场梯度计。测量微弱磁场时，必须消除强磁场的测量微弱磁场时，必须消除强磁场的干扰。为此，可设计一个形如图干扰。为此，可设计一个形如图6的线圈，其中的线圈，其中A2和和A3绕向相绕向相反
45、。均匀的地磁与噪声磁在反。均匀的地磁与噪声磁在A2、A3中产生的磁通会互相抵消，中产生的磁通会互相抵消，对对A1不产生影响。而非均匀的待测磁场在不产生影响。而非均匀的待测磁场在A2、A3中不会抵消，中不会抵消，因而对因而对A1有影响。用有影响。用SQUID测出的测出的A1的磁通便无地磁和噪声的磁通便无地磁和噪声的干扰。的干扰。 A1 A3 线圈 A2（3）用作）用作低温温度计低温温度计。它是利用它是利用核磁化率核磁化率在在10-5K的低温时的低温时与温度成正比设计与温度成正比设计而成而成的。用的。用SQUID测出核磁化率测出核磁化率就可测就可测定温度。定温度。（4）用作）用作检流计检流计。将将
46、待测的电流引入超导线圈待测的电流引入超导线圈，利用，利用SQUID测出电流产生的磁通，从而确定电流的大小，且能精测出电流产生的磁通，从而确定电流的大小，且能精确到确到10-9A。改装成电压计精确可达。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。测定位。采用超导量子干涉仪的先进磁导探测系统采用超导量子干涉仪的先进磁导探测系统，可探测到浅海，可探测到浅海中的潜艇。超导
47、量子干涉仪还可作为微波和红外探测器，灵敏度可中的潜艇。超导量子干涉仪还可作为微波和红外探测器，灵敏度可达达1015W/Hz。这种探测器可在空间根据卫星微弱的红外辐射来。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，其作用距离可提高距离可提高12个数量级。个数量级。SQUID还可以用作超低频信号的接收器，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。进行水下、地下的深处通讯联系。 利用利用SQUID可测量磁悬超导铌棒的微小振动。当铌棒振幅为可测量磁悬超导铌棒的微小振动。当铌棒振
48、幅为10-18cm时，其磁场波动能立即被时，其磁场波动能立即被SQUID测出。测出。v 敏感元件用超导材料敏感元件用超导材料 p约瑟夫逊结可采用约瑟夫逊结可采用Nb（铌）或（铌）或Ta（钽）等的体相材料（钽）等的体相材料或薄膜形式，其中薄膜是重点。或薄膜形式，其中薄膜是重点。薄膜具有制作容易、温薄膜具有制作容易、温度循环强、机械强度高、适于微细加工等优点。度循环强、机械强度高、适于微细加工等优点。p作为约瑟夫逊元件和超导晶体管用材料可采用作为约瑟夫逊元件和超导晶体管用材料可采用Sn、Pb、Pb-In合金及合金及Nb、NbN、Nb3Al、Nb3Sn、Ta-Zr、V3Si、Mo-Re（钼（钼-铼）
49、合金等。铼）合金等。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 形状记忆合金则是借助于形状记忆合金则是借助于轻微加热轻微加热等手段而返回等手段而返回塑性形变前塑性形变前的形状的特异材料。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：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；）形状回复的利用； （2）伴随形状回复的应力应用；）伴随形状回复的应力应用； （3）热敏感性的利用；）热敏感性的利用； （4）作为能量储藏体的利用；）作为能量储藏体的利用； （5）准弹性效应的利用。）准弹性效应的利用。 A热弹性型马氏体相变热弹性型马氏体相变 5.1 形状记忆现象
50、的机制形状记忆现象的机制 p马氏体相变是晶格相变。马氏体相变是晶格相变。由于不伴随原子的扩散，所以是因剪切由于不伴随原子的扩散，所以是因剪切位移而变为不同的晶格结构的相变。在马氏体相变中，在样品冷却位移而变为不同的晶格结构的相变。在马氏体相变中，在样品冷却开始时马氏体相变的温度点开始时马氏体相变的温度点M Ms s，且由于相变，系统的自由能减少。，且由于相变，系统的自由能减少。因为相变由原子的剪切位移产生，所以形变产生的弹性能增大。因为相变由原子的剪切位移产生，所以形变产生的弹性能增大。p就热弹性马氏体相变而言，一边保持化学能降低和弹性能增大的就热弹性马氏体相变而言，一边保持化学能降低和弹性能
