吉林大学：《传感器原理及检测技术》课程PPT教学课件（讲稿）第二章 磁敏传感器（SQUID、磁通门式、感应式、半导体、机械式）

第二章磁敏传感器 磁敏传感器是对磁场参量BHq)敏感的元器件或 装置,具有把磁学物理量转换为电信号的功能 第一节质子施进式磁敏传感器 第二节光泵式磁敏传感器 第三节SQUD磁敏传感器 第四节磁通门式磁敏传感器 第五节感应式磁敏传感器 第六节半导体磁敏传感器 第七节机棫式磁敏传感器

第二章 磁敏传感器 第一节 质子旋进式磁敏传感器 第二节 光泵式磁敏传感器 第三节 SQUID磁敏传感器 第四节 磁通门式磁敏传感器 第五节 感应式磁敏传感器 第六节 半导体磁敏传感器 第七节 机械式磁敏传感器 磁敏传感器是对磁场参量(B,H,φ)敏感的元器件或 装置 ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能

第三节S22躐敏传器 SQUID磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感 器,是以约瑟夫逊( Jose Phon)效应为理论基础, 用超导材料制成的,在超导状态下检测外磁场变化的 种新型磁测装置 特点 灵敏度极高:可达10-T,比灵敏度较高的光泵式磁 敏传感器要高出几个数量级; 测量范围宽:可从零场测量到几kT; 频带宽:响应频率可从零响应到几kHz

灵敏度极高：可达10-15T，比灵敏度较高的光泵式磁 敏传感器要高出几个数量级； 第三节 SQUID磁敏传感器 SQUID磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感 器，是以约瑟夫逊（Jose Phson）效应为理论基础， 用超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的 一种新型磁测装置。 特点 频带宽：响应频率可从零响应到几kHz。 测量范围宽：可从零场测量到几kT；

应用领域 ■深部地球物理:用带有 SQUID磁敏传感器的大地电磁 测深仪进行大地电磁测深,效果甚好。 ■在古地磁考古、测井、重力勘探及预报天然地震中, SQUID也具有重要作用 ■在生物医学方面,应用 SQUID磁测仪器可测量心磁图 脑磁图等,从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科, 为医学研究开辟了新的领域 ■在固体物理、生物物理、宇宙空间的研究中, SQUID 可用来测量极微弱的磁场,如美国国家航空宇航局用 SQUID磁测仪器测量了阿波罗飞行器带回的月球样品的 磁矩。 ■ SQUID技术还可用作电流计,电压标准,计算机中存 储器,通讯电缆等;在超导电机、超导输电、超导磁流 体发电、超导磁悬浮列车等方面,均得到广泛应用

◼深部地球物理：用带有SQUID磁敏传感器的大地电磁 测深仪进行大地电磁测深，效果甚好。 ◼在古地磁考古、测井、重力勘探及预报天然地震中， SQUID也具有重要作用。 ◼在生物医学方面，应用SQUID磁测仪器可测量心磁图、 脑磁图等，从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科， 为医学研究开辟了新的领域。 ◼在固体物理、生物物理、宇宙空间的研究中，SQUID 可用来测量极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用 SQUID磁测仪器测量了阿波罗飞行器带回的月球样品的 磁矩。 ◼SQUID技术还可用作电流计，电压标准，计算机中存 储器，通讯电缆等；在超导电机、超导输电、超导磁流 体发电、超导磁悬浮列车等方面，均得到广泛应用。 应用领域

s22臘敏传感器的基原理 0 T/K (b) T/K 电阻随温度变化曲线 正常导体;b、超导体 超导电性:在某一温度Tc以下电阻值突然消失的现象 超导体:具有超导电性的物体。 临界温度(7):超导体从具有一定电阻值的正常态转变为 电阻值突然为零时所对应的温度,其值一般从3.4K至18K 超导体特性:理想导电性;完全逆磁性;磁通量子化

超导电性：在某一温度TC以下电阻值突然消失的现象。 （a） ρ T/K 0 T/K ρ 0 ρ0K ρ0 TC （b） 电阻随温度变化曲线 a、正常导体；b、超导体 一 、SQUID磁敏传感器的基本原理 超导体：具有超导电性的物体。 临界温度(TC)：超导体从具有一定电阻值的正常态转变为 电阻值突然为零时所对应的温度,其值一般从3.4K至18K 超导体特性：理想导电性；完全逆磁性；磁通量子化

1、理想导电性—零电阻特性 (b) 理想导电性实验 (a)t>Tc (b)t<tc (c) T<to H≠0 H=0 H≠0 若将一超导环置于外磁场中,然后使其降温至临 界温度以下,再撤掉外加磁场,此时发现超导环内有 一感生电流,超导环内无电阻消耗能量,此电流将永 远维持下去,因无电阻

S S N N H H （a） （b） （c） （a）T＞Tc H ≠ 0 （b）T＜TC H ≠ 0 （c）T＜TC H = 0 理想导电性实验 1、理想导电性——零电阻特性 若将一超导环置于外磁场中，然后使其降温至临 界温度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有 一感生电流I，超导环内无电阻消耗能量，此电流将永 远维持下去 ，因无电阻

2、完全递磁性,迈斯绚 MEissner)应, 或排磁敛应 la (6 迈斯纳效应示意图 (a)正常态时,超导体内部磁场分布 (b)在超导态时,超导体内部磁场分布 超导体不管在有无外磁场存在情况下,一旦进入超导 状态,其内部磁场均为零,即磁场不能进入超导体内 部而具有排磁性,亦称之为迈斯纳效应

（a） （b） 迈斯纳效应示意图 （a）正常态时，超导体内部磁场分布 （b）在超导态时，超导体内部磁场分布 2、完全逆磁性，迈斯纳(Meissner)效应， 或排磁效应 超导体不管在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导 状态，其内部磁场均为零，即磁场不能进入超导体内 部而具有排磁性，亦称之为迈斯纳效应

超导球 磁导盘 a (b) 磁悬浮现象示意图 根据迈斯纳效应,把磁体放在超导盘上方,或在超导 环上方放一超导球时,图(a)中超导盘和磁铁之间有排 斥力,能把磁铁浮在超导盘的上面;图(b)中由于超导 球有磁屏蔽作用,其结果可使超导球悬浮起来。这种 现象称为磁悬浮现象

根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导 环上方放一超导球时， 图(a)中超导盘和磁铁之间有排 斥力，能把磁铁浮在超导盘的上面；图(b)中由于超导 球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种 现象称为磁悬浮现象。 N S 超导球 磁导盘 （a） （b） 磁悬浮现象示意图

3、磁通量子化 假定有一中空圆筒形超导体(如图)并 按下列步骤进行: (1)常态让磁场H穿过圆筒的中空部分。 (2)超导态筒的中空部分有磁场 (3)超导态撤掉磁场H,圆筒的中 感生电流 空部分仍有磁场,并使磁场保持 H≠07Tc 不变。称为冻结磁通现象。 冻结磁通示意图 超导圆筒在超导态时,中空部分的磁通量是量子化的, 并且只能取φ的整数倍,而不能取任何别的值。 h普郎克常数,e一电子电量 2e=2.07×10-Wb中。—磁通量量子,磁通量自然单位 中空部分通过的总磁通量女=(n+1

假定有一中空圆筒形超导体(如图)并 按下列步骤进行： (1)常态让磁场H穿过圆筒的中空部分。 (2)超导态筒的中空部分有磁场。 3、 磁通量子化 感生电流 H≠0 T<TC 冻结磁通示意图 (3)超导态撤掉磁场H，圆筒的中 空部分仍有磁场，并使磁场保持 不变。称为冻结磁通现象。 超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的， 并且只能取φ0的整数倍，而不能取任何别的值。 Wb e h 15 0 2.07 10 2 −  = =  h—普郎克常数，e —电子电量， φ0—磁通量量子，磁通量自然单位 中空部分通过的总磁通量 ( )  = n +10

4、约瑟夫逊数应 绝缘层 该图是两块超导体中间隔 着一厚度仅10~30A的绝缘介质 超导体 超导体层而形成的“超导体一绝缘层一 超导体”的结构,通常称这种结 超导结示意图 构为超导隧道结,也称约瑟夫逊 结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隊道结具有特 殊而有用的性质 超导电子能通过绝缘介质层,表现为电流能够无阻挡 地流过,表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超 导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象,称为 超导隊道结的约瑟夫逊效应,也称直流约瑟夫逊效应 超导结在直流电压作用下可产生交变电流,从而辐射和 吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应

该图是两块超导体中间隔 着一厚度仅10～30Å的绝缘介质 层而形成的 “超导体—绝缘层— 超导体”的结构，通常称这种结 构为超导隧道结，也称约瑟夫逊 结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特 殊而有用的性质。 超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡 地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超 导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为 超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。 超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和 吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。 绝缘层 超导体 超导体 超导结示意图 4、约瑟夫逊效应

直流约瑟夫逊效应表明,超导隧道结的介质层具有 超导体的一些性质,但不能认为它是临界电流很小的超 导体,它还有一般超导体所没有的性质 实验证明,当结区两端加上直流电压时,结区会出 现高频的正弦电流,其频率正比于所加的直流电压,即 f=Kv 式中K=2e/h=4836101HzV。 根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波 可见,超导隧道结在直流电压作用下,产生交变电流, 辐射和吸收电磁波,这种特性即交流约瑟夫逊效应

直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具有 超导体的一些性质，但不能认为它是临界电流很小的超 导体，它还有一般超导体所没有的性质。 实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出 现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压，即 f = KV 式中 K=2e/h=483.61012Hz/V。 根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。 可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流， 辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应