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（任课教师：谢光忠）

第二章金属敏感材料 986 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 5.形状记忆材料 本章小结 电子科技大学 敏感材料与传感器课程组制作

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 5.形状记忆材料 本章小结

金属敏感材料 超导 金属传导 半金属 半导体 半绝缘体 绝缘体 电子的自由度 自由← 约束 电子的状态 超导电子 (耦合) 自由电子 传导电子 价电子 电子态的调整 超导 杂质传导 离子传导 耦合 表面传导 光 与其他物理量 磁 的相互作用 化学 机械 热量 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，自由电子和自旋是敏感元件利用的中心。 电子科技大学敏席材料与传感器课程组制作

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 金属敏感材料 超导 金属传导 半金属 半导体 半绝缘体 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，自由电子和自旋是敏感元件利用的中心

1磁敏金属材料 好 >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 电子科技大学敏常材料与传感器课程组 制

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 在金属所具有的物性中，磁性是重要特性之一。 1. 磁敏金属材料 物质的磁性起源于原子中电子的运动 运动的带电粒子在磁场中会受到Lorentz力作用

1.磁敏金属材料 /986 >虽然铁氧体等氧化物和氮化物具有磁性，但是磁性材料仍以金 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)，则可制成与广泛的物理响应相对应的敏感元件。 电子科技大学敏常材料与传感器课程组制作

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 虽然铁氧体等氧化物和氮化物具有磁性，但是磁性材料仍以金 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），则可制成与广泛的物理响应相对应的敏感元件。 1. 磁敏金属材料

1.磁敏金属材料 导磁率 温度（热） 旋转 磁 化 电场 流速 矫硕磁力 磁场 压力 各向异性磁场 位移等 应 力 转矩 磁滞伸缩 光 铁 损 位置 化学 尺寸 磁 阻 物理刺激 值接变化 磁特性变化 间接变化》 物理刺激 (输出) 磁敏元件的物理响应与磁性特性的关系 电子科技大学敏席材料与传感器课程组制作

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 1.磁敏金属材料 磁特性变化 物理刺激 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 直接变化

磁阻效应 798 > 物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效应。 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。 基于磁阻效应的磁敏元件主要是半导体，但利用其各 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 技大学 材料与传感器课程组

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 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。  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。  基于磁阻效应的磁敏元件主要是半导体，但利用其各 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

基于霍尔效应的普通磁阻效应 概念：磁阻效应（Magnetoresistance Effects):是1857年由英国物 理学家威廉•汤姆森发现的，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。 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。在达到稳态时，某一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 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。或者说，沿外加电场方向运动 的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。 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 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，则纵向磁感强度不引起载流子偏移，因 而无纵向磁阻效应。 电子技大学 戚材料与传感器课限组

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 基于霍尔效应的普通磁阻效应  概念：磁阻效应（Magnetoresistance Effects）:是1857年由英国物 理学家威廉•汤姆森发现的，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。  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。在达到稳态时，某—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 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。或者说，沿外加电场方向运动 的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。  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 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，则纵向磁感强度不引起载流子偏移，因 而无纵向磁阻效应

历史 /986 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 了巨磁阻(GMR)、庞磁阻(CMR)、穿隧 磁阻(TMR)、直冲磁阻(BMR)和异常磁 阻(EMR)o 电子科技大学敏常材料与传感器课程组制作

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 历史  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 了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、穿隧 磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁 阻（EMR）

1.磁敏金属材料 986 1.1各向异性磁阻效应型元件的基本结构 对于强磁性体金属（Fe、 8.200oo-0 Co、Ni及其合金)，当外 (1a.23M0 8.15 平行 291K 磁场的方向平行于磁体内 8.10 部的磁化方向时，电阻几 8.05 垂直 乎不随外磁场而变化，但 田 8.00 若外磁场偏离内磁场的方 10 15 20 25 向，则电阻减小 磁场(kG) 与常规磁阻效应有差异，机理未明。 电子科技大学敏席材料与传廊器课程组制作

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 1. 磁敏金属材料 1.1 各向异性磁阻效应型元件的基本结构 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 乎不随外磁场而变化，但 若外磁场偏离内磁场的方 向，则电阻减小 . 磁场（kG） 0 5 10 15 20 25 8.15 8.10 8.05 电阻率 8.00 (µΩcm) 平行 垂直 291K 8.20 √ 与常规磁阻效应有差异，机理未明

1.磁敏金属材料 薄膜磁阻效应元件 就通常使用的Ni-20wt%Fe合 电极 Ni-20%Fe 薄膜 金（坡莫合金）薄膜而言 绝缘衬底 膜厚为30~300nm,w和1因 (a)剖面 目的而异，但w为数十微米， M 从数十微米到几毫米。 I(/M) 个 外磁场 电流 薄膜元件比体元件好。好 (b)平面 在哪儿？是更敏感还是更 好集成？ 电子科技大学敏席材料与传感器课程组 制作

电子科技大学 敏感材料与传感器 课程组 制作 1.磁敏金属材料 I(//Mi) (a) 剖面 (b) 平面 电流 外磁场  M I(//Mi ) 电极 Ni-20%Fe 薄膜 绝缘衬底 （a）剖面 （b）平面 电流 外磁场 M   薄膜磁阻效应元件 薄膜元件比体元件好。好 在哪儿？是更敏感还是更 好集成？ 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