电子科技大学：《敏感材料与传感器 Sensitive Materials and Sensors》课程教学资源（课件讲稿）第二章 金属敏感材料 第1节 磁敏金属材料

986 第二章 金属敏感材料 1.磁敏金属材料 2.温敏金属材料 3.形变金属材料 4.超导敏感材料 电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作

第二章 金属敏感材料 1.磁敏金属材料 2.温敏金属材料 3.形变金属材料 4.超导敏感材料

磁敏金属材料 /986 >在金属所具有的物性中，磁性是重要特性之一。 >物质的磁性起源于原子中电子的自旋运动 >运动的带电粒子在磁场中会受到Lorentz力作用 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作

Ø在金属所具有的物性中，磁性是重要特性之一 。 一 、磁敏金属材料 Ø物质的磁性起源于原子中电子的自旋运动 Ø运动的带电粒子在磁场中会受到Lorentz力作用

、磁敏金属材料 986 1.磁阻效应 磁阻效应(Magnetoresistance Effects):磁场使物体电阻发生变化 的现象。 1857年由英国物理学家威廉•汤姆森发现的. 原理：当处于磁场中时，载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两 侧产生积聚电荷并产生霍耳电场。如果载流子受到的霍耳电场作用和洛 仑兹力作用不能抵消，那么部分载流子将发生偏转，而使沿外加电场方 向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应（普通磁 阻效应)。 电子料技大学敏感材料与传感器课程组 制帽

1. 磁阻效应 Ø 磁阻效应（Magnetoresistance Effects）：磁场使物体电阻发生变化 的现象。 Ø 1857年由英国物理学家威廉•汤姆森发现的. Ø 原理：当处于磁场中时，载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两 侧产生积聚电荷并产生霍耳电场。如果载流子受到的霍耳电场作用和洛 仑兹力作用不能抵消，那么部分载流子将发生偏转，而使沿外加电场方 向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应(普通磁 阻效应)。 一 、磁敏金属材料

一、磁敏金属材料 986 a V+ ~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。 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。 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作

Ø 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。 Ø 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。 一 、磁敏金属材料

磁敏金属材料 98 2.各向异性磁阻效应 8.20 对于强磁性体金属(Fe、Co、Ni 8.15 及其合金)，当外磁场的方向平 平行 291K 8.10 行于磁体内部的磁化方向时，电 阻几乎不随外磁场强度而变化， 8.05 垂直 器 但若外磁场偏离磁体内部的磁化 8.00 方向，则电阻随外加磁场强度增 加而减小。 10 15 20 ,25 磁场(kG) 与常规磁阻效应有差异，机理（基于自旋轨道耦合作用诱 导的态密度及自旋相关散射的各向异性)未明。 电子到技大学敏感材料与传感器课程组 制

2. 各向异性磁阻效应 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 阻几乎不随外磁场强度而变化， 但若外磁场偏离磁体内部的磁化 方向，则电阻随外加磁场强度增 加而减小. 磁场（kG） 0 5 10 15 20 25 8.15 8.10 8.05 电8.00 阻 率( µ Ω  c m ) 平行 垂直 291K 8.20 √ 与常规磁阻效应有差异，机理（基于自旋轨道耦合作用诱 导的态密度及自旋相关散射的各向异性）未明。 一 、磁敏金属材料

磁敏金属材料 /986 2.各向异性磁阻效应 薄膜磁阻效应元件 就通常使用的Ni-20wt%Fe合金 电极 Ni-20%Fe (坡莫合金)薄膜而言，膜厚 薄膜 为30~300nm,w和1因目的而 异，但w为数十微米，1从数十 (a)剖面 微米到几毫米。 I(1/M) 磁阻响应率 个 -货 外磁场 电流 薄膜元件还是体材元件？ (b)平面 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制帽

I(//M i) ( a ) 剖 面 (b ) 平 面 电 流 外 磁 场  M I(//M i) 电 极 N i-2 0 % F e 薄 膜 绝 缘 衬 底 （ a） 剖 面 （ b ） 平 面 电 流 外 磁 场 M  l 薄膜磁阻效应元件 薄膜元件还是体材元件？ 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。 一 、磁敏金属材料 2. 各向异性磁阻效应 2 0 1 1 He l V i wt H                                    磁阻响应率

、磁敏金属材料 吸好 /986 2.各向异性磁阻效应 显示各向异性磁阻效应的金属主要是以F、Ni、Co为主要成分的合金， 而不含这些元素的磁性材料的磁阻效应极小（10-5%量级) 主要合金块材的磁阻响应率(293K) 组分(wt%) △p/p(%) 组分(wt%) △p/p(%) Ni-20Fe 4.0 Ni-17Pd 2.3 Ni-8Fe 5.4 Fe-10V 1.3 Ni-35Co 5.8 Ni-5Zn 2.6 Ni-20Co 6.5 Ni-6Mn 2.5 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作

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， 而不含这些元素的磁性材料的磁阻效应极小（10-5%量级） 组分（wt%） 组分（wt%） Ni-20Fe Ni-8Fe Ni-35Co Ni-20Co 4.0 5.4 5.8 6.5 Ni-17Pd Fe-10V Ni-5Zn Ni-6Mn 2.3 1.3 2.6 2.5 主要合金块材的磁阻响应率 (293K)   / ( % )   / ( % ) 一 、磁敏金属材料 2. 各向异性磁阻效应

一、磁敏金属材料 /986 2.各向异性磁阻效应 >体材Ni-Fe合金：在 10%Fe附近观察到的 4 体材 △p/p最大值 2 >薄膜Ni-Fe合金： OOO/Oo兰a口团 /薄膜(36nm) 在20wt%Fe附近显示最 01o 大值。 40 60 80 100 Ni浓度(wt%) 组分对体材和薄膜Ni-Fe合金的磁阻响应率的影响 薄膜的磁阻响应率比块材低 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作

组分对体材和薄膜Ni-Fe合金的磁阻响应率的影响 2 6 4 体 材 薄 膜 (3 6 n m ) 4 0 6 0 8 0 1 0 0 磁 阻 响 应 率 /  ( % ) N i 浓 度 （ w t% ） 0 薄膜的磁阻响应率比块材低 Ø 体材Ni-Fe合金:在 10%Fe附近观察到的 ∆ρ/ρ最大值 Ø 薄膜Ni-Fe合金: 在20wt%Fe附近显示最 大值。 一 、磁敏金属材料 2. 各向异性磁阻效应

磁敏金属材料 2.各向异性磁阻效应 为了增大薄膜△p/p，可采用提高蒸发时的真空度、采用合理的退 火工艺（退火温度、气氛、时间等）等方法 8 50nm 80 0.8 △P 60 -0.6 3 s_0I/d 40 20nm 20 0.2 10-710-6 10-5104 2 3 4 真空度(Pa) 退火时间(h) 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制

为了增大薄膜∆ρ/ρ ，可采用提高蒸发时的真空度、采用合理的退 火工艺（退火温度、气氛、时间等）等方法 1 0  7 1 0  6 1 0  5 1 0  4 4 3 2 磁 阻 响 应 率 /  ( % ) 5 0 n m 2 0 n m 真 空 度 （ P a） 0 1 2 3 4 退 火 时 间 （ h ）    0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 8 0 6 0 4 0 2 0 / 1 0  3 Ω m / 1 0  1 Ω m 一 、磁敏金属材料 2. 各向异性磁阻效应

磁敏金属材料 /986 2.各向异性磁阻效应 基于磁阻效应的敏感元件应用示例 旋转体 磁阻元件 人人 八 永久磁铁 时间 (a)简单的敏感元件 (b)输出波形 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作

旋转体 磁阻元件 永久磁铁 时间 输 出 电 压 （a）简单的敏感元件 （b）输出波形 l 基于磁阻效应的敏感元件应用示例 一 、磁敏金属材料 2. 各向异性磁阻效应