1、第二章第二章 金屬敏感材料金屬敏感材料1.磁敏金屬材料磁敏金屬材料 2.溫敏金屬材料溫敏金屬材料 3.形變金屬材料形變金屬材料 4.超導(dǎo)敏感材料超導(dǎo)敏感材料5.形狀記憶材料形狀記憶材料 本章小結(jié)本章小結(jié)金屬敏感材料金屬敏感材料 金 屬 傳 導(dǎo) 超 導(dǎo) 半 絕 緣 體 半 導(dǎo) 體 半 金 屬 絕 緣 體 電 子 的 自 由 度電 子 的 狀 態(tài) 電 子 態(tài) 的 調(diào) 整 與 其 他 物 理 量的 相 互 作 用 自 由 約 束 超 導(dǎo) 電 子 自 由 電 子 傳 導(dǎo) 電 子 價(jià) 電 子 超 導(dǎo) 雜 質(zhì) 傳 導(dǎo) 離 子 傳 導(dǎo) 磁 (耦 合 ) 表 面 傳 導(dǎo) 光 耦 合 化 學(xué) 機(jī) 械 熱 量 在

2、物質(zhì)中的電子自由度與化學(xué)、物理量的相互作用在物質(zhì)中的電子自由度與化學(xué)、物理量的相互作用 對(duì)金屬而言，對(duì)金屬而言，自由電子和自旋自由電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.磁敏金屬材料磁敏金屬材料 物理刺激 磁特性變化 物理刺激 間接變化 溫度（熱） 電 場(chǎng) 磁 場(chǎng) 應(yīng) 力 光 化 學(xué) 各向異性磁場(chǎng) 導(dǎo) 磁 率 磁 化 矯頑磁力 磁滯伸縮 鐵 損 磁 阻 位移等 旋轉(zhuǎn) 流速 壓力 轉(zhuǎn)矩 位置 尺寸 （輸出） 磁敏元件的物理響應(yīng)與磁性特性的關(guān)系磁敏元件的物理響應(yīng)與磁性特性的關(guān)系 直接變化直接變化磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻發(fā)生變

3、化的現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。 磁阻效應(yīng)可分為基于霍爾效應(yīng)的磁阻效應(yīng)可分為基于霍爾效應(yīng)的普通磁阻效應(yīng)普通磁阻效應(yīng)和在強(qiáng)和在強(qiáng)磁性體中出現(xiàn)的磁性體中出現(xiàn)的各向異性磁阻效應(yīng)各向異性磁阻效應(yīng)。 基于磁阻效應(yīng)的磁敏元件主要是半導(dǎo)體基于磁阻效應(yīng)的磁敏元件主要是半導(dǎo)體，但利用其，但利用其各各向異性磁阻效應(yīng)，向異性磁阻效應(yīng)，F(xiàn)e-Ni合金和合金和Co-Ni合金合金在低磁場(chǎng)下在低磁場(chǎng)下具有高的電阻變化率，使這類(lèi)金屬磁敏材料正迅速進(jìn)具有高的電阻變化率，使這類(lèi)金屬磁敏材料正迅速進(jìn)入實(shí)用化階段。入實(shí)用化階段。基于霍爾效應(yīng)的普通磁阻效應(yīng)基于霍爾效應(yīng)的普通磁阻效應(yīng)v概念：概念：磁阻效應(yīng)（磁阻效應(yīng)（Magnetoresistan

4、ce Effects）:是是1857年由英國(guó)物年由英國(guó)物理學(xué)家理學(xué)家威廉威廉湯姆森湯姆森發(fā)現(xiàn)的，是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁發(fā)現(xiàn)的，是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象。場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象。v原理：同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫原理：同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。茲力而產(chǎn)生的。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，某在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，某速度的載流子所受到的電場(chǎng)力與速度的載流子所受到的電場(chǎng)力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)，比該速度慢的載流洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)，比該速度慢的載流子將向電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，比該

5、速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。子將向電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加。或者說(shuō)，沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)或者說(shuō)，沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)減少，從而的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加使電阻增加。這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。v分類(lèi)：分類(lèi)：若外加磁場(chǎng)與外加電場(chǎng)垂直，稱(chēng)為橫向磁阻效應(yīng)；若外加磁場(chǎng)若外加磁場(chǎng)與外加電場(chǎng)垂直，稱(chēng)為橫向磁阻效應(yīng)；若外加磁場(chǎng)與外加電場(chǎng)平行，稱(chēng)為縱向磁阻效應(yīng)。一般情況下，載流子的有效質(zhì)與外加電場(chǎng)平行，稱(chēng)為縱向磁阻效應(yīng)。一般情況下，載流子的有效質(zhì)量的馳豫時(shí)時(shí)間與方向無(wú)關(guān)，則縱向磁

6、感強(qiáng)度不引起載流子偏移，因量的馳豫時(shí)時(shí)間與方向無(wú)關(guān)，則縱向磁感強(qiáng)度不引起載流子偏移，因而而無(wú)縱向磁阻效應(yīng)無(wú)縱向磁阻效應(yīng)。歷史歷史v它在金屬里可以忽略，在半導(dǎo)體中則可能由它在金屬里可以忽略，在半導(dǎo)體中則可能由小到中等。從一般磁阻開(kāi)始，磁阻發(fā)展經(jīng)歷小到中等。從一般磁阻開(kāi)始，磁阻發(fā)展經(jīng)歷了了巨磁阻（巨磁阻（GMR）、龐磁阻（）、龐磁阻（CMR）、穿隧）、穿隧磁阻（磁阻（TMR）、直沖磁阻（）、直沖磁阻（BMR）和異常磁）和異常磁阻（阻（EMR）。）。1.磁敏金屬材料磁敏金屬材料 在金屬所具有的物性中，磁性是重要特性之一。在金屬所具有的物性中，磁性是重要特性之一。 雖然雖然鐵氧體等氧化物和氮化物鐵氧體

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屬為主材料仍以金屬為主。 直接利用磁性的敏感元件只限于磁場(chǎng)敏感元件，但直接利用磁性的敏感元件只限于磁場(chǎng)敏感元件，但是如果利用與有不同特性的磁性體的組合或磁性與是如果利用與有不同特性的磁性體的組合或磁性與其他特性的相互作用（磁效應(yīng)），則可制成與廣泛其他特性的相互作用（磁效應(yīng)），則可制成與廣泛的物理響應(yīng)相對(duì)應(yīng)的敏感元件。的物理響應(yīng)相對(duì)應(yīng)的敏感元件。1. 磁敏金屬材料磁敏金屬材料1.1 各向異性磁阻效應(yīng)型元件的基本結(jié)構(gòu)各向異性磁阻效應(yīng)型元件的基本結(jié)構(gòu)對(duì)于強(qiáng)磁性體金屬（對(duì)于強(qiáng)磁性體金屬（Fe、Co、Ni及其合金），當(dāng)外及其合金），當(dāng)外磁場(chǎng)的

8、方向磁場(chǎng)的方向平行于磁體內(nèi)平行于磁體內(nèi)部的磁化方向部的磁化方向時(shí)，電阻幾時(shí)，電阻幾乎不隨外磁場(chǎng)而變化，但乎不隨外磁場(chǎng)而變化，但若外磁場(chǎng)偏離內(nèi)磁場(chǎng)的方若外磁場(chǎng)偏離內(nèi)磁場(chǎng)的方向，向，則電阻減小則電阻減小 . 磁場(chǎng)（磁場(chǎng)（kG） 0 5 10 15 20 25 8.15 8.10 8.05 8.00 電阻率電阻率 ( cm) 平行 垂直 291K 8.20 與常規(guī)磁阻效應(yīng)有差異，機(jī)理未明。與常規(guī)磁阻效應(yīng)有差異，機(jī)理未明。1.磁敏金屬材料磁敏金屬材料 I(/Mi) 電 極 N i-20% Fe 薄 膜 絕 緣 襯 底 （ a） 剖 面 （ b） 平 面 電 流 外 磁 場(chǎng) M v 薄膜磁阻效應(yīng)元件薄膜

9、磁阻效應(yīng)元件 薄膜元件比體元件好。好薄膜元件比體元件好。好在哪兒？是更敏感還是更在哪兒？是更敏感還是更好集成？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，膜厚為膜厚為30300nm，w和和l因因目的而異，但目的而異，但w為數(shù)十微米，為數(shù)十微米，l從數(shù)十微米到幾毫米。從數(shù)十微米到幾毫米。 1.磁敏金屬材料磁敏金屬材料 旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)體 磁阻元件磁阻元件 永久磁鐵永久磁鐵 時(shí)間時(shí)間 輸出電壓輸出電壓 （a）簡(jiǎn)單的敏感元件）簡(jiǎn)單的敏感元件 （b）輸出波形）輸出波形 v 磁阻元件的簡(jiǎn)單敏感元件和輸出波形磁阻元件的簡(jiǎn)單敏感元件和輸出波形 這個(gè)示意圖

10、怎么理解？這個(gè)示意圖怎么理解？1.磁敏金屬材料磁敏金屬材料1.2 各向異性磁阻效應(yīng)材料各向異性磁阻效應(yīng)材料 顯示各向異性磁阻效應(yīng)的金屬主要是以顯示各向異性磁阻效應(yīng)的金屬主要是以Fe、Ni、Co為主要為主要成分的成分的合金合金，而不含這些元素的強(qiáng)磁性合金的磁阻效應(yīng)極，而不含這些元素的強(qiáng)磁性合金的磁阻效應(yīng)極小小 組分（組分（wt%）組分（組分（wt%）Ni-20FeNi-8FeNi-35CoNi-20Co4.05.45.86.5Ni-17PdFe-10VNi-5ZnNi-6Mn2.31.32.62.5主要合金塊材的磁阻效應(yīng)率主要合金塊材的磁阻效應(yīng)率 (293K)/ (%)/ (%)組分組分對(duì)體材和

11、薄膜對(duì)體材和薄膜Ni-Fe合金的磁阻合金的磁阻響應(yīng)率的影響響應(yīng)率的影響 2 6 4 體 材 薄 膜 (36nm ) 40 60 80 100 磁阻響應(yīng)率/ (%) N i 濃 度 （ w t% ） 0 1.磁敏金屬材料磁敏金屬材料薄膜的磁阻響應(yīng)率比塊材低薄膜的磁阻響應(yīng)率比塊材低p體材體材Ni-Fe合金合金:在在10%Fe附近觀察到的附近觀察到的/最大值最大值p薄膜薄膜Ni-Fe合金合金: 在在20wt%Fe附近顯示附近顯示最大值。最大值。有何體會(huì)？有何體會(huì)？為了增大薄膜為了增大薄膜/ ，可采用提高，可采用提高蒸發(fā)蒸發(fā)時(shí)的真空度、時(shí)的真空度、氫退火、氫離子注入等氫退火、氫離子注入等方法方法 10

12、7 106 105 104 4 3 2 磁阻響應(yīng)率/ (%) 50nm 20nm 真 空 度 （ P a） 0 1 2 3 4 退 火 時(shí) 間 （ h） 0.8 0.6 0.4 0.2 0 80 60 40 20 /103m /101m 1.磁敏金屬材料磁敏金屬材料用心體會(huì)如何去搞科學(xué)研究？用心體會(huì)如何去搞科學(xué)研究？2. 溫敏金屬材料溫敏金屬材料溫度傳感器的物理量輸出方式有從最簡(jiǎn)單的刻度輸出到以溫度傳感器的物理量輸出方式有從最簡(jiǎn)單的刻度輸出到以反饋控制為目的的電信號(hào)輸出，范圍極廣。根據(jù)使用目的反饋控制為目的的電信號(hào)輸出，范圍極廣。根據(jù)使用目的的不同，對(duì)溫敏元件的輸入信號(hào)可采用各種物理量變換方的

13、不同，對(duì)溫敏元件的輸入信號(hào)可采用各種物理量變換方式。式。 熱輸入 機(jī)械量 熱膨脹 熱形變 雙金屬 形狀記憶合金、彈簧 電阻 測(cè)溫電阻、熱噪聲電阻、熔斷器 熱電勢(shì) 熱電偶 熱磁 感溫磁鐵、光磁 相移 磁鐵、超導(dǎo)體、形狀記憶合金、熔斷器 v利用利用機(jī)械量機(jī)械量的敏感元件（如的敏感元件（如雙金屬元件雙金屬元件）中，特點(diǎn)是）中，特點(diǎn)是精度低精度低，但，但廉價(jià)、簡(jiǎn)便廉價(jià)、簡(jiǎn)便。v而利用電阻溫度依賴(lài)關(guān)系的溫敏元件（而利用電阻溫度依賴(lài)關(guān)系的溫敏元件（熱敏電阻熱敏電阻）使用）使用溫度范圍溫度范圍廣廣，且，且精度高精度高。v作為金屬系溫度敏感元件，作為金屬系溫度敏感元件，使用最廣且精度也高使用最廣且精度也高的是

14、基于的是基于熱電勢(shì)熱電勢(shì)的溫敏元件。的溫敏元件。v利用馬氏體相變的利用馬氏體相變的形狀記憶合金和規(guī)則形狀記憶合金和規(guī)則不規(guī)則相變中的電阻變不規(guī)則相變中的電阻變化化的的熔斷絲熔斷絲是利用是利用相移相移的例子，且已實(shí)用化。的例子，且已實(shí)用化。v利用利用磁性磁性的溫度依賴(lài)性的敏感元件中典型的是感溫鐵鐵氧體，但的溫度依賴(lài)性的敏感元件中典型的是感溫鐵鐵氧體，但金屬系磁鐵是磁補(bǔ)償合金，使用實(shí)例較少。金屬系磁鐵是磁補(bǔ)償合金，使用實(shí)例較少。v光磁光磁敏感元件還在應(yīng)用研究階段。敏感元件還在應(yīng)用研究階段。超導(dǎo)相移超導(dǎo)相移等的利用也在開(kāi)發(fā)中。等的利用也在開(kāi)發(fā)中。 2. 溫敏金屬材料溫敏金屬材料2.1 雙金屬雙金屬

15、概念：概念：雙金屬是將熱膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片貼合而成的敏感元件。雙金屬是將熱膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片貼合而成的敏感元件。 貼合方法：有熱壓法和冷壓法。貼合方法：有熱壓法和冷壓法。 要求：用于雙金屬的金屬材料要求熱膨脹系數(shù)適當(dāng)、耐熱、耐腐蝕。要求：用于雙金屬的金屬材料要求熱膨脹系數(shù)適當(dāng)、耐熱、耐腐蝕。 分類(lèi)：分類(lèi)：分低溫用（分低溫用（ 200150）、中溫用（）、中溫用（0250）、高溫用）、高溫用（0400）三類(lèi)。）三類(lèi)。 形狀：有平板形、形狀：有平板形、U字形、圓環(huán)形、螺旋形等。字形、圓環(huán)形、螺旋形等。 用途：雙金屬溫敏元件用途：雙金屬溫敏元件(也稱(chēng)為雙金屬溫度計(jì)也稱(chēng)為雙金屬溫度計(jì))主要

16、用于主要用于溫度控制及切斷電溫度控制及切斷電路路，且因?yàn)閮r(jià)廉而大量用于家用電器；此外，也用于火災(zāi)報(bào)警敏感元件及，且因?yàn)閮r(jià)廉而大量用于家用電器；此外，也用于火災(zāi)報(bào)警敏感元件及其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。 2. 溫敏金屬材料溫敏金屬材料雙金屬溫度計(jì)雙金屬溫度計(jì)v雙金屬溫度計(jì)是利用兩種不同金屬在溫度改變時(shí)膨脹程雙金屬溫度計(jì)是利用兩種不同金屬在溫度改變時(shí)膨脹程度不同的原理工作的。度不同的原理工作的。v工業(yè)用雙金屬溫度計(jì)主要的元件是一個(gè)用兩種或多種金工業(yè)用雙金屬溫度計(jì)主要的元件是一個(gè)用兩種或多種金屬片屬片疊壓疊壓在一起組成的多層金屬片。在一起組成的多層金屬片。v為提高測(cè)溫靈敏度，通常將金屬片制成

17、螺旋卷形狀。為提高測(cè)溫靈敏度，通常將金屬片制成螺旋卷形狀。（原理：原理：當(dāng)多層金屬片的溫度改變時(shí)，各層金屬膨脹或當(dāng)多層金屬片的溫度改變時(shí)，各層金屬膨脹或收縮量不等，使得螺旋卷卷起或松開(kāi)。由于螺旋卷的收縮量不等，使得螺旋卷卷起或松開(kāi)。由于螺旋卷的一一端固定而另一端和一可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的指針相連端固定而另一端和一可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的指針相連，因此，因此，當(dāng)雙金屬片感受到溫度變化時(shí)，指針即可在一圓形分度當(dāng)雙金屬片感受到溫度變化時(shí)，指針即可在一圓形分度標(biāo)尺上指示出溫度來(lái)。）標(biāo)尺上指示出溫度來(lái)。） 2.2 金屬薄膜溫度敏感元件金屬薄膜溫度敏感元件 金屬電阻率：金屬電阻率： 02tm Vne l薄膜電阻率：薄膜電阻

18、率： 031( )8ltlt 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，0413ln()0.423ll t2. 溫敏金屬材料溫敏金屬材料 0 1 2 3 4 5 T2（ kK2） 10 20 30 40 50 60 70 15 10 5 35 53 79 126 210 507 電阻率 (cm) T（ K ） 蒸發(fā)在云母片上的蒸發(fā)在云母片上的Au薄膜的電阻與膜厚和薄膜的電阻與膜厚和溫度的依賴(lài)關(guān)系溫度的依賴(lài)關(guān)系2. 溫敏金屬材料溫敏金屬材料金屬熱電阻金屬熱電阻 一、工作原理、結(jié)構(gòu)和材料一、工作原理、結(jié)構(gòu)和材料 大多數(shù)金屆導(dǎo)體的電阻，都具有隨溫度變化的特性。其特大多數(shù)金屆導(dǎo)體的電阻，都具有隨溫度變化的特性。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分別為熱電阻在分別為熱電阻在T和和0時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值； a熱電阻的電阻溫度系數(shù)熱電阻的電阻溫度系數(shù)(1)。 對(duì)于絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，對(duì)于絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，a并不是一個(gè)常數(shù)，而是溫度的并不是一個(gè)常數(shù)，而是溫度的函數(shù)。但在一定的溫度范圍內(nèi)，可近似地看作為一個(gè)常數(shù)。不函數(shù)。但在一定的溫度范圍內(nèi)，可近似地看作為一個(gè)常數(shù)。不同的金屬導(dǎo)體，同的金屬導(dǎo)體，a保持常數(shù)所對(duì)應(yīng)的濕度范圍不同。保持常數(shù)所對(duì)應(yīng)的濕度范圍不同。選作感溫元件的材料應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：選作感溫元件的材料應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：1.材料的電阻溫度系數(shù)材料的電阻溫度系數(shù)a要越大越好要越大

20、越好，純金屬的純金屬的a比合金的高比合金的高，所以一般均采用純金屬作熟電阻元件；所以一般均采用純金屬作熟電阻元件；2.在測(cè)溫范圍內(nèi)，在測(cè)溫范圍內(nèi)，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)應(yīng)穩(wěn)定材料的物理、化學(xué)性質(zhì)應(yīng)穩(wěn)定；3.在測(cè)溫范圍內(nèi)，在測(cè)溫范圍內(nèi)，a保持常數(shù)保持常數(shù)，便于實(shí)現(xiàn)溫度表的線(xiàn)性刻度特性；，便于實(shí)現(xiàn)溫度表的線(xiàn)性刻度特性；4.具有具有比較大的電阻率比較大的電阻率，以利于減少熱電阻的體積，減小熱慣，以利于減少熱電阻的體積，減小熱慣性性.5.特性復(fù)現(xiàn)性好，容易復(fù)制特性復(fù)現(xiàn)性好，容易復(fù)制。比較適合以上要求的材料有：比較適合以上要求的材料有：鉑、銅、鐵和鎳鉑、銅、鐵和鎳。A鉑熱電阻鉑熱電阻鉑的純度鉑的純度通常用

21、通常用W(100)表示，即表示，即:0630.755:-1900: 對(duì)對(duì)W(100)1.391有有A3.9684710-3B-5.84710-72 ， C-4.2210 -12/4 對(duì)對(duì)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 鉑電阻一般由直徑為鉑電阻一般由直徑為0.05一一0.07mm鉑絲繞在片形云母骨架上，鉑絲繞在片形云母骨架上，鈾絲的引線(xiàn)采用銀線(xiàn)，引線(xiàn)用雙孔瓷絕緣套管絕緣。鈾絲的引線(xiàn)采用銀線(xiàn)，引線(xiàn)用雙孔瓷絕緣套管絕緣。鉑熱電

22、阻的結(jié)構(gòu)鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)B銅熱電阻v銅絲可用來(lái)制造銅絲可用來(lái)制造-50150范圍范圍內(nèi)的工業(yè)用電阻溫度汁。在此溫內(nèi)的工業(yè)用電阻溫度汁。在此溫度范圍內(nèi)線(xiàn)性關(guān)系好，度范圍內(nèi)線(xiàn)性關(guān)系好，靈敏度比靈敏度比鉑電阻高鉑電阻高(a(4.254.28)10-3)容易得到高純度材料，復(fù)容易得到高純度材料，復(fù)制性能好。制性能好。v但銅易于氧化，但銅易于氧化，一般只 用 于一般只 用 于150以下的低溫測(cè)量和沒(méi)有水以下的低溫測(cè)量和沒(méi)有水分及無(wú)侵蝕性介中的溫度測(cè)量。分及無(wú)侵蝕性介中的溫度測(cè)量。 通常利用二項(xiàng)式計(jì)算測(cè)量的銅通常利用二項(xiàng)式計(jì)算測(cè)量的銅電阻值為電阻值為: RTR01十十a(chǎn)(TT0)電阻與溫度關(guān)系電阻與溫度關(guān)系

23、分度號(hào) G Cu50Cu100Re( )53 50100R100/R01.4250.001 1.4250.002精度等級(jí) R0允許誤差（%）0.1 0.1最大允許誤差（%）（0.33.5） （0.36.0）t310t310銅熱電阻技術(shù)特性表銅熱電阻技術(shù)特性表C.鐵電阻和鎳電阻鐵電阻和鎳電阻p 鐵和鎳這兩種金屬的鐵和鎳這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高，電阻溫度系數(shù)較高，電阻率較大電阻率較大，故可作成，故可作成體積小、靈敏度高體積小、靈敏度高的的的電阻溫度計(jì)。的電阻溫度計(jì)。p其特點(diǎn)是其特點(diǎn)是容易氧化容易氧化、化學(xué)穩(wěn)定性差、不易提、化學(xué)穩(wěn)定性差、不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的純，復(fù)制性差，而且電

24、阻值與溫度的線(xiàn)性關(guān)線(xiàn)性關(guān)系差系差。p目前目前應(yīng)用不多應(yīng)用不多；p 熱電阻的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般將電阻絲繞在熱電阻的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般將電阻絲繞在云母、石英、陶云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣骨架瓷、塑料等絕緣骨架上，經(jīng)過(guò)固定，外面再加上保護(hù)套管。上，經(jīng)過(guò)固定，外面再加上保護(hù)套管。p 但骨架性能的好壞，影響其測(cè)量精度、體積大小和使用壽命。但骨架性能的好壞，影響其測(cè)量精度、體積大小和使用壽命。p 對(duì)骨架的要求是對(duì)骨架的要求是： 電絕緣性能好；電絕緣性能好； 在高、低溫下有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，在高溫下有足夠的剛度；在高、低溫下有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，在高溫下有足夠的剛度； 體膨脹系數(shù)要小，在溫度變化后不結(jié)熱電阻絲造

25、成壓力；體膨脹系數(shù)要小，在溫度變化后不結(jié)熱電阻絲造成壓力； 不對(duì)電阻絲產(chǎn)生化學(xué)作用。不對(duì)電阻絲產(chǎn)生化學(xué)作用。3. 形變金屬材料形變金屬材料 概念：形變規(guī)是利用物質(zhì)因受力而使其電阻發(fā)生變化的敏概念：形變規(guī)是利用物質(zhì)因受力而使其電阻發(fā)生變化的敏感元件。感元件。 用作形變規(guī)的材料：有金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)等。用作形變規(guī)的材料：有金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)等。 金屬系材料的優(yōu)劣：使用最早，最近半導(dǎo)體形變規(guī)的使用金屬系材料的優(yōu)劣：使用最早，最近半導(dǎo)體形變規(guī)的使用急劇增加。然而與半導(dǎo)體相比較，金屬系材料有容易制作、急劇增加。然而與半導(dǎo)體相比較，金屬系材料有容易制作、價(jià)廉、耐高溫、抗沖擊性好、彎曲性強(qiáng)等特點(diǎn)。價(jià)廉、

26、耐高溫、抗沖擊性好、彎曲性強(qiáng)等特點(diǎn)。 3.1 形變規(guī)形變規(guī) 對(duì)用于形變規(guī)的金屬材料，要求由外應(yīng)力引起的對(duì)用于形變規(guī)的金屬材料，要求由外應(yīng)力引起的形變形變 產(chǎn)生產(chǎn)生的電阻變化率的電阻變化率 R/R高高 、線(xiàn)性度好、電阻的溫度系數(shù)低。、線(xiàn)性度好、電阻的溫度系數(shù)低。與形變相應(yīng)的電阻變化率通常稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)因子（與形變相應(yīng)的電阻變化率通常稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)因子（規(guī)率規(guī)率）G，可，可由下式定義：由下式定義： 1/llRRGl/l為為金金屬規(guī)屬規(guī)的的長(zhǎng)長(zhǎng)度度變變化；化；v 為為泊松比（金泊松比（金屬時(shí)為屬時(shí)為0.3）3. 形變金屬材料形變金屬材料形變形變 l/l關(guān)系關(guān)系合金名稱(chēng)合金名稱(chēng)組分（組分（wt%）G溫度系數(shù)溫度系

27、數(shù)K 1阿范斯康銅阿范斯康銅康康 銅銅卡爾馬高電阻鎳卡爾馬高電阻鎳鉻合金鉻合金錳錳 銅銅鎳鉻合金鎳鉻合金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 金屬形變材料的主要特性金屬形變材料的主要特性 3. 形變金屬材料形變金屬材料v Bi-Sb（鉍（鉍-銻）銻） 合金薄膜的規(guī)率合金薄膜的規(guī)率 組分組分(wt%)膜厚膜厚(10 10m)規(guī)規(guī) 率率BiBi-10SbBi-20Sb

28、Bi-40SbBi-60Sb873965965100010805.31 2.5510.369.5611.16原有的材料因?yàn)橛尚巫兌菀滓痣娮枳兓慕饘俣鄶?shù)近于原有的材料因?yàn)橛尚巫兌菀滓痣娮枳兓慕饘俣鄶?shù)近于半金屬，性能脆，難于作成細(xì)線(xiàn)或薄板。然而，若是用蒸發(fā)半金屬，性能脆，難于作成細(xì)線(xiàn)或薄板。然而，若是用蒸發(fā)等方法制成薄膜，則可解決此問(wèn)題。等方法制成薄膜，則可解決此問(wèn)題。 3. 形變金屬材料形變金屬材料3.2 磁形變敏感元件磁形變敏感元件 強(qiáng)磁性體一旦被磁化就顯示尺寸變化，通常稱(chēng)為磁致伸縮效應(yīng)。強(qiáng)磁性體一旦被磁化就顯示尺寸變化，通常稱(chēng)為磁致伸縮效應(yīng)。反之，若因?yàn)榻o強(qiáng)磁性體以形變而磁化發(fā)生

29、變化，則稱(chēng)為反磁反之，若因?yàn)榻o強(qiáng)磁性體以形變而磁化發(fā)生變化，則稱(chēng)為反磁致伸縮效應(yīng)。致伸縮效應(yīng)。 對(duì)于磁頭等精密磁敏元件，若磁致伸縮不為零，則導(dǎo)致噪聲和對(duì)于磁頭等精密磁敏元件，若磁致伸縮不為零，則導(dǎo)致噪聲和信號(hào)波形雜亂。信號(hào)波形雜亂。(弊弊) 但是，磁致伸縮效應(yīng)可以用于開(kāi)發(fā)形變敏感元件。但是，磁致伸縮效應(yīng)可以用于開(kāi)發(fā)形變敏感元件。 (利利)3. 形變金屬材料形變金屬材料 磁致伸縮產(chǎn)生的原因是：磁致伸縮產(chǎn)生的原因是：磁偶極矩變化磁偶極矩變化而產(chǎn)生晶而產(chǎn)生晶格離子位置的偏移，格離子位置的偏移，磁彈性結(jié)合能變化磁彈性結(jié)合能變化引起晶格引起晶格離子位置的偏移，以及由離子位置的偏移，以及由自旋引起的傳導(dǎo)電

30、子云自旋引起的傳導(dǎo)電子云分布的變化分布的變化等。等。 利用磁致伸縮效應(yīng)的敏感元件有采用矽鋼和磁性利用磁致伸縮效應(yīng)的敏感元件有采用矽鋼和磁性鐵氧體的鐵氧體的荷重敏感元件、轉(zhuǎn)矩敏感元件荷重敏感元件、轉(zhuǎn)矩敏感元件。就新材。就新材料而言，有采用非晶的敏感元件，并以此試制了料而言，有采用非晶的敏感元件，并以此試制了荷重敏感元件、轉(zhuǎn)數(shù)敏感元件。荷重敏感元件、轉(zhuǎn)數(shù)敏感元件。 3. 形變金屬材料形變金屬材料超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)p 1908 1908年年，荷蘭物理學(xué)家，荷蘭物理學(xué)家卡末林卡末林昂昂內(nèi)斯內(nèi)斯 ( Hei-ke Kamerlingh Onnes( Hei-ke Kamerlingh Onne

31、s，185318531926 ) 1926 ) 首次液化了氦氣首次液化了氦氣 。人。人們們 第一次達(dá)到了當(dāng)時(shí)地球上的第一次達(dá)到了當(dāng)時(shí)地球上的 最低最低 溫度，大約溫度，大約 4.2 K4.2 K 左右。左右。p19111911年卡末林年卡末林昂內(nèi)斯昂內(nèi)斯在研究在研究極低溫極低溫度下金屬導(dǎo)電性度下金屬導(dǎo)電性時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K4.2K時(shí)，汞的電阻率突然降低到接近時(shí)，汞的電阻率突然降低到接近于零。這種現(xiàn)象稱(chēng)為汞的超導(dǎo)現(xiàn)象。于零。這種現(xiàn)象稱(chēng)為汞的超導(dǎo)現(xiàn)象。4. 超導(dǎo)敏感材料超導(dǎo)敏感材料卡末林由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了卡末林由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了19131913年諾貝爾獎(jiǎng)年諾貝爾獎(jiǎng)

32、 超導(dǎo)現(xiàn)象引起了各國(guó)科學(xué)家和學(xué)者的關(guān)注超導(dǎo)現(xiàn)象引起了各國(guó)科學(xué)家和學(xué)者的關(guān)注,超導(dǎo)方面的研究也隨之突飛超導(dǎo)方面的研究也隨之突飛猛進(jìn)猛進(jìn),逐漸發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象的各種特性逐漸發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象的各種特性,這其中包括這其中包括零電阻效應(yīng)零電阻效應(yīng),完全抗完全抗磁性效應(yīng)磁性效應(yīng)(Meissner效應(yīng)效應(yīng)),二級(jí)相變效應(yīng)二級(jí)相變效應(yīng),單電子隧道效應(yīng)單電子隧道效應(yīng),約瑟夫遜約瑟夫遜(Josephson)效應(yīng)效應(yīng). 從此，超導(dǎo)材料的研究引起了廣泛的關(guān)注，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了上千種超導(dǎo)材從此，超導(dǎo)材料的研究引起了廣泛的關(guān)注，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了上千種超導(dǎo)材料。料。 定義：定義： 超導(dǎo)電現(xiàn)象超導(dǎo)電現(xiàn)象：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)

33、零電阻的現(xiàn)象。材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象。 超導(dǎo)體超導(dǎo)體：低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)：低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。臨界溫度（臨界溫度（Tc）、臨界磁場(chǎng)（）、臨界磁場(chǎng)（Hc）、臨界電流）、臨界電流JC是約是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，超導(dǎo)態(tài)就消當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，超導(dǎo)態(tài)就消失；同時(shí)，當(dāng)超過(guò)臨界電流或者臨界失；同時(shí)，當(dāng)超過(guò)臨界電流或者臨界磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)也會(huì)消失，三者具有磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)也會(huì)消失，三者具有明顯的相關(guān)性。明顯的相關(guān)性。只有當(dāng)只有當(dāng)上述三個(gè)條件均不超過(guò)超導(dǎo)材上述三個(gè)條件均不超過(guò)超導(dǎo)材料本身的臨界值料本身的臨界值

34、時(shí)，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)時(shí)，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象（由象（由TcTc、HcHc，JcJc形成的閉合曲面內(nèi)形成的閉合曲面內(nèi)為超導(dǎo)態(tài)）。為超導(dǎo)態(tài)）。超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)一些超導(dǎo)材料的臨界溫度 超導(dǎo)臨界溫度提高的情況隧道效應(yīng)：隧道效應(yīng)：p經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)中，中，若兩個(gè)區(qū)域被一個(gè)勢(shì)壘隔開(kāi)若兩個(gè)區(qū)域被一個(gè)勢(shì)壘隔開(kāi)，則只有，則只有粒子具有足夠的能量時(shí)，其才會(huì)從一個(gè)區(qū)域進(jìn)入另一粒子具有足夠的能量時(shí)，其才會(huì)從一個(gè)區(qū)域進(jìn)入另一個(gè)區(qū)域。個(gè)區(qū)域。p量子力學(xué)量子力學(xué)中，粒子具有足夠的能力不再是一個(gè)必要中，粒子具有足夠的能力不再是一個(gè)必要條件，一個(gè)能量不太高的粒子也可能會(huì)以一定的條件，一個(gè)能量不太高的粒子也可能會(huì)以

35、一定的概率概率“穿過(guò)穿過(guò)”勢(shì)壘，即所謂的勢(shì)壘，即所謂的“隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)”。4.1 約瑟夫遜結(jié)約瑟夫遜結(jié) 超 導(dǎo) 體 1 超 導(dǎo) 體 2 is 絕 緣 膜 （ 2 6nm ） V I I0 In 0 在在兩超導(dǎo)體兩超導(dǎo)體間插入間插入納米量級(jí)納米量級(jí)的的絕緣體絕緣體，超導(dǎo)電流會(huì)從一塊，超導(dǎo)電流會(huì)從一塊超導(dǎo)體超導(dǎo)體無(wú)阻通過(guò)無(wú)阻通過(guò)絕緣層到另一塊超導(dǎo)體。此超導(dǎo)體絕緣層到另一塊超導(dǎo)體。此超導(dǎo)體/絕緣體絕緣體/超導(dǎo)體結(jié)被稱(chēng)為超導(dǎo)體結(jié)被稱(chēng)為約瑟夫遜結(jié)約瑟夫遜結(jié)。 4.1 約瑟夫遜結(jié)約瑟夫遜結(jié) 若若i0為結(jié)的臨界電流，則約瑟夫遜為結(jié)的臨界電流，則約瑟夫遜電流電流is可表示為：可表示為： 021()sii約瑟

36、夫遜結(jié)通電時(shí)的電流電壓特性特點(diǎn)是：即使在電壓等于零約瑟夫遜結(jié)通電時(shí)的電流電壓特性特點(diǎn)是：即使在電壓等于零的狀態(tài)下也流過(guò)歸因于兩個(gè)超導(dǎo)體電子的相位差的狀態(tài)下也流過(guò)歸因于兩個(gè)超導(dǎo)體電子的相位差 的電的電流，且當(dāng)時(shí)流，且當(dāng)時(shí) 顯示出顯示出最大電流最大電流i0，一旦超過(guò)一旦超過(guò)i0就不再流過(guò)就不再流過(guò)超導(dǎo)電流，而產(chǎn)生常導(dǎo)電狀態(tài)。超導(dǎo)電流，而產(chǎn)生常導(dǎo)電狀態(tài)。 21 / 24. 超導(dǎo)敏感材料超導(dǎo)敏感材料a. 薄膜薄膜SIS元件元件: 在絕緣襯底上制成超導(dǎo)薄膜在絕緣襯底上制成超導(dǎo)薄膜S1，并將其表面氧化，并將其表面氧化，再制成超導(dǎo)體再制成超導(dǎo)體S2，從而得到，從而得到SIS結(jié)。結(jié)。b. 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型:

37、將尖端面直徑為將尖端面直徑為1 m以下的超導(dǎo)體針壓在另一超導(dǎo)體以下的超導(dǎo)體針壓在另一超導(dǎo)體上。上。c. 橋型橋型: 在超導(dǎo)薄膜的一部分上制作寬度為在超導(dǎo)薄膜的一部分上制作寬度為1 m以下的縮頸，以此以下的縮頸，以此部分為結(jié)。部分為結(jié)。 絕 緣 膜 襯 底 襯 底 S1 S1 S1 S2 S2 S2 （ a） （ b） （ c） I 4. 超導(dǎo)敏感材料超導(dǎo)敏感材料約瑟夫遜結(jié)的三種基本類(lèi)型約瑟夫遜結(jié)的三種基本類(lèi)型4.2 超導(dǎo)量子干涉儀超導(dǎo)量子干涉儀 （ a） R F SQ U ID （ b） D C SQ U ID 結(jié) 結(jié) 結(jié) I I IA Ia 超導(dǎo)量子干涉儀（超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）的基本

38、結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 超導(dǎo)量子干涉儀簡(jiǎn)稱(chēng)為超導(dǎo)量子干涉儀簡(jiǎn)稱(chēng)為SQUID。SQUID是在用超導(dǎo)體制作的環(huán)是在用超導(dǎo)體制作的環(huán)內(nèi)內(nèi)引入一個(gè)或兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)引入一個(gè)或兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)制成的器件。制成的器件。（a）是一個(gè)約瑟）是一個(gè)約瑟夫遜結(jié)的情況，且檢測(cè)電路中夫遜結(jié)的情況，且檢測(cè)電路中使用高頻電流，故稱(chēng)為使用高頻電流，故稱(chēng)為RF SQUID。（。（b）因?yàn)槭怯弥绷黩?qū)）因?yàn)槭怯弥绷黩?qū)動(dòng)，所以稱(chēng)為動(dòng)，所以稱(chēng)為DC SQUID。4. 超導(dǎo)敏感材料超導(dǎo)敏感材料超導(dǎo)量子干涉儀超導(dǎo)量子干涉儀 (SQUID)vSQUID實(shí)質(zhì)是實(shí)質(zhì)是一種將磁通轉(zhuǎn)化為電壓的磁通傳感器一種將磁通轉(zhuǎn)化為電壓的磁通傳感器，其基本原理是基于超導(dǎo)約

39、瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化其基本原理是基于超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化現(xiàn)象。現(xiàn)象。v以以SQUID為基礎(chǔ)派生出各種傳感器和測(cè)量?jī)x器，可為基礎(chǔ)派生出各種傳感器和測(cè)量?jī)x器，可以用于以用于測(cè)量磁場(chǎng)、電壓、電流、磁化率等物理量。測(cè)量磁場(chǎng)、電壓、電流、磁化率等物理量。v利用直流約瑟夫遜效應(yīng)研制成超導(dǎo)量子干涉器利用直流約瑟夫遜效應(yīng)研制成超導(dǎo)量子干涉器（SQUID），可用于測(cè)量諸如人體心臟和腦活動(dòng)所），可用于測(cè)量諸如人體心臟和腦活動(dòng)所產(chǎn)生的微磁場(chǎng)變化，分辨力高達(dá)產(chǎn)生的微磁場(chǎng)變化，分辨力高達(dá)10 13T。SQUID構(gòu)造 超導(dǎo)量子干涉儀示意圖 先討論一個(gè)結(jié)的情況。先討論一個(gè)結(jié)的情況。庫(kù)珀對(duì)庫(kù)珀對(duì)是玻色子，故它能通是

40、玻色子，故它能通過(guò)隧道效應(yīng)穿過(guò)勢(shì)壘。當(dāng)過(guò)隧道效應(yīng)穿過(guò)勢(shì)壘。當(dāng)V0時(shí)，庫(kù)珀對(duì)從結(jié)的一時(shí)，庫(kù)珀對(duì)從結(jié)的一側(cè)貫穿到另一側(cè)，側(cè)貫穿到另一側(cè)，必須將多余的能量釋放出來(lái)，即必須將多余的能量釋放出來(lái)，即發(fā)射一個(gè)頻率為發(fā)射一個(gè)頻率為v的光子，其中的光子，其中v=2eV/h,相當(dāng)于電相當(dāng)于電子對(duì)穿過(guò)結(jié)區(qū)時(shí)，將在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)沿與結(jié)區(qū)平面子對(duì)穿過(guò)結(jié)區(qū)時(shí)，將在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)沿與結(jié)區(qū)平面平行的方向傳播的、頻率為平行的方向傳播的、頻率為v的電磁波，表明在結(jié)的電磁波，表明在結(jié)區(qū)有一交變的電流分布（見(jiàn)圖區(qū)有一交變的電流分布（見(jiàn)圖4） SQUID的簡(jiǎn)單原理 - x + v=0 v=0 圖4 結(jié)區(qū)的交變電流 h S S結(jié)區(qū) 超導(dǎo)

41、絕緣 超導(dǎo) p為了表示這一交變電流在結(jié)區(qū)形成的波，可以將電為了表示這一交變電流在結(jié)區(qū)形成的波，可以將電流流I寫(xiě)成寫(xiě)成 或或 ， 稱(chēng)為德布羅意關(guān)系式，是初位相。稱(chēng)為德布羅意關(guān)系式，是初位相。p現(xiàn)在，給結(jié)區(qū)加一垂直于紙面向外的磁場(chǎng)現(xiàn)在，給結(jié)區(qū)加一垂直于紙面向外的磁場(chǎng)B，由于釋?zhuān)捎卺尫诺墓庾踊螂姶挪ㄅc磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生相互作用，因此根放的光子或電磁波與磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生相互作用，因此根據(jù)電磁理論中的最小耦合原理，于是據(jù)電磁理論中的最小耦合原理，于是022s i n ( 2ce Viitxh 02sin (2ceVpiitxhh 2h2ph 因此，因此，B的大小或的大小或A的大小將影響電流的大小將影響電流i的相位的

42、相位(A是磁場(chǎng)沿是磁場(chǎng)沿x方方向的矢勢(shì)向的矢勢(shì))，決定其，決定其x軸向的分布，軸向的分布，由于磁場(chǎng)在交變電流中起由于磁場(chǎng)在交變電流中起著位相作用著位相作用，而波的頻率，而波的頻率 又相當(dāng)大，又相當(dāng)大，故磁場(chǎng)的一個(gè)微小變故磁場(chǎng)的一個(gè)微小變化也會(huì)導(dǎo)致一個(gè)顯著的位相改變，使得電流也有一個(gè)相當(dāng)大化也會(huì)導(dǎo)致一個(gè)顯著的位相改變，使得電流也有一個(gè)相當(dāng)大的變化。的變化。如果使用兩個(gè)結(jié)，利用兩個(gè)電流的相干作用，效果如果使用兩個(gè)結(jié)，利用兩個(gè)電流的相干作用，效果會(huì)更好，會(huì)使電流的值更大。這和光學(xué)中用雙縫加強(qiáng)光度比會(huì)更好，會(huì)使電流的值更大。這和光學(xué)中用雙縫加強(qiáng)光度比用單縫的效果要好一樣。用單縫的效果要好一樣。SQUI

43、D就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)而成就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)而成的。的。022sinceVpeiitxA xhhcheV2SQUID的應(yīng)用的應(yīng)用 (1)SQUID用作用作磁強(qiáng)計(jì)磁強(qiáng)計(jì)，可，可精確到精確到10-7T。為了對(duì)這個(gè)量級(jí)有所理解，可以。為了對(duì)這個(gè)量級(jí)有所理解，可以列舉一些例子。地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為列舉一些例子。地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為103T；環(huán)境磁噪聲的磁感應(yīng)強(qiáng)度；環(huán)境磁噪聲的磁感應(yīng)強(qiáng)度為為10-410-1T；人們的；人們的肺、心、腦肺、心、腦都有一定的生物磁感應(yīng)強(qiáng)度，分別為都有一定的生物磁感應(yīng)強(qiáng)度，分別為 10-1T、10-2T和和10-5T。由此可見(jiàn)，比腦磁場(chǎng)還弱。由此可見(jiàn)，比腦磁場(chǎng)還弱100倍的

44、磁場(chǎng)，倍的磁場(chǎng)，SQUID都能準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)。以心臟為例，心磁圖可以衡量直流電效應(yīng)，而心都能準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)。以心臟為例，心磁圖可以衡量直流電效應(yīng)，而心電圖對(duì)直流電效應(yīng)無(wú)法感知。并且，磁場(chǎng)測(cè)量幾乎不受信號(hào)源和檢測(cè)線(xiàn)電圖對(duì)直流電效應(yīng)無(wú)法感知。并且，磁場(chǎng)測(cè)量幾乎不受信號(hào)源和檢測(cè)線(xiàn)圈之間夾雜物的影響，所以可以檢出局部的信號(hào)。圈之間夾雜物的影響，所以可以檢出局部的信號(hào)。腦磁場(chǎng)測(cè)定病灶腦磁場(chǎng)測(cè)定病灶 (2)用作用作磁場(chǎng)梯度計(jì)磁場(chǎng)梯度計(jì)。測(cè)量微弱磁場(chǎng)時(shí)，必須消除強(qiáng)磁場(chǎng)的測(cè)量微弱磁場(chǎng)時(shí)，必須消除強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾。為此，可設(shè)計(jì)一個(gè)形如圖干擾。為此，可設(shè)計(jì)一個(gè)形如圖6的線(xiàn)圈，其中的線(xiàn)圈，其中A2和和A3繞向相繞向相反

45、。均勻的地磁與噪聲磁在反。均勻的地磁與噪聲磁在A2、A3中產(chǎn)生的磁通會(huì)互相抵消，中產(chǎn)生的磁通會(huì)互相抵消，對(duì)對(duì)A1不產(chǎn)生影響。而非均勻的待測(cè)磁場(chǎng)在不產(chǎn)生影響。而非均勻的待測(cè)磁場(chǎng)在A2、A3中不會(huì)抵消，中不會(huì)抵消，因而對(duì)因而對(duì)A1有影響。用有影響。用SQUID測(cè)出的測(cè)出的A1的磁通便無(wú)地磁和噪聲的磁通便無(wú)地磁和噪聲的干擾。的干擾。 A1 A3 線(xiàn)圈 A2（3）用作）用作低溫溫度計(jì)低溫溫度計(jì)。它是利用它是利用核磁化率核磁化率在在10-5K的低溫時(shí)的低溫時(shí)與溫度成正比設(shè)計(jì)與溫度成正比設(shè)計(jì)而成而成的。用的。用SQUID測(cè)出核磁化率測(cè)出核磁化率就可測(cè)就可測(cè)定溫度。定溫度。（4）用作）用作檢流計(jì)檢流計(jì)。將將

46、待測(cè)的電流引入超導(dǎo)線(xiàn)圈待測(cè)的電流引入超導(dǎo)線(xiàn)圈，利用，利用SQUID測(cè)出電流產(chǎn)生的磁通，從而確定電流的大小，且能精測(cè)出電流產(chǎn)生的磁通，從而確定電流的大小，且能精確到確到10-9A。改裝成電壓計(jì)精確可達(dá)。改裝成電壓計(jì)精確可達(dá)10-16V。 (5)軍事方面的應(yīng)用。在探測(cè)技術(shù)方面，超導(dǎo)量子干涉儀器件具有極軍事方面的應(yīng)用。在探測(cè)技術(shù)方面，超導(dǎo)量子干涉儀器件具有極高的靈敏度，特別適合用于對(duì)微波弱磁場(chǎng)反?，F(xiàn)象和紅外輻射的探高的靈敏度，特別適合用于對(duì)微波弱磁場(chǎng)反?，F(xiàn)象和紅外輻射的探測(cè)定位。測(cè)定位。采用超導(dǎo)量子干涉儀的先進(jìn)磁導(dǎo)探測(cè)系統(tǒng)采用超導(dǎo)量子干涉儀的先進(jìn)磁導(dǎo)探測(cè)系統(tǒng)，可探測(cè)到淺海，可探測(cè)到淺海中的潛艇。超導(dǎo)

47、量子干涉儀還可作為微波和紅外探測(cè)器，靈敏度可中的潛艇。超導(dǎo)量子干涉儀還可作為微波和紅外探測(cè)器，靈敏度可達(dá)達(dá)1015W/Hz。這種探測(cè)器可在空間根據(jù)衛(wèi)星微弱的紅外輻射來(lái)。這種探測(cè)器可在空間根據(jù)衛(wèi)星微弱的紅外輻射來(lái)確定其位置。雷達(dá)系統(tǒng)若采用高靈敏度超導(dǎo)或納米接收機(jī)，其作用確定其位置。雷達(dá)系統(tǒng)若采用高靈敏度超導(dǎo)或納米接收機(jī)，其作用距離可提高距離可提高12個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。SQUID還可以用作超低頻信號(hào)的接收器，還可以用作超低頻信號(hào)的接收器，進(jìn)行水下、地下的深處通訊聯(lián)系。進(jìn)行水下、地下的深處通訊聯(lián)系。 利用利用SQUID可測(cè)量磁懸超導(dǎo)鈮棒的微小振動(dòng)。當(dāng)鈮棒振幅為可測(cè)量磁懸超導(dǎo)鈮棒的微小振動(dòng)。當(dāng)鈮棒振

48、幅為10-18cm時(shí)，其磁場(chǎng)波動(dòng)能立即被時(shí)，其磁場(chǎng)波動(dòng)能立即被SQUID測(cè)出。測(cè)出。v 敏感元件用超導(dǎo)材料敏感元件用超導(dǎo)材料 p約瑟夫遜結(jié)可采用約瑟夫遜結(jié)可采用Nb（鈮）或（鈮）或Ta（鉭）等的體相材料（鉭）等的體相材料或薄膜形式，其中薄膜是重點(diǎn)。或薄膜形式，其中薄膜是重點(diǎn)。薄膜具有制作容易、溫薄膜具有制作容易、溫度循環(huán)強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、適于微細(xì)加工等優(yōu)點(diǎn)。度循環(huán)強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、適于微細(xì)加工等優(yōu)點(diǎn)。p作為約瑟夫遜元件和超導(dǎo)晶體管用材料可采用作為約瑟夫遜元件和超導(dǎo)晶體管用材料可采用Sn、Pb、Pb-In合金及合金及Nb、NbN、Nb3Al、Nb3Sn、Ta-Zr、V3Si、Mo-Re（鉬（鉬-錸）

49、合金等。錸）合金等。4. 超導(dǎo)敏感材料超導(dǎo)敏感材料5. 形狀記憶材料形狀記憶材料 形狀記憶合金則是借助于形狀記憶合金則是借助于輕微加熱輕微加熱等手段而返回等手段而返回塑性形變前塑性形變前的形狀的特異材料。的形狀的特異材料。 對(duì)于形狀記憶合金的功能應(yīng)用主要包括：對(duì)于形狀記憶合金的功能應(yīng)用主要包括： （1）形狀回復(fù)的利用；）形狀回復(fù)的利用； （2）伴隨形狀回復(fù)的應(yīng)力應(yīng)用；）伴隨形狀回復(fù)的應(yīng)力應(yīng)用； （3）熱敏感性的利用；）熱敏感性的利用； （4）作為能量?jī)?chǔ)藏體的利用；）作為能量?jī)?chǔ)藏體的利用； （5）準(zhǔn)彈性效應(yīng)的利用。）準(zhǔn)彈性效應(yīng)的利用。 A熱彈性型馬氏體相變熱彈性型馬氏體相變 5.1 形狀記憶現(xiàn)象

50、的機(jī)制形狀記憶現(xiàn)象的機(jī)制 p馬氏體相變是晶格相變。馬氏體相變是晶格相變。由于不伴隨原子的擴(kuò)散，所以是因剪切由于不伴隨原子的擴(kuò)散，所以是因剪切位移而變?yōu)椴煌木Ц窠Y(jié)構(gòu)的相變。在馬氏體相變中，在樣品冷卻位移而變?yōu)椴煌木Ц窠Y(jié)構(gòu)的相變。在馬氏體相變中，在樣品冷卻開(kāi)始時(shí)馬氏體相變的溫度點(diǎn)開(kāi)始時(shí)馬氏體相變的溫度點(diǎn)M Ms s，且由于相變，系統(tǒng)的自由能減少。，且由于相變，系統(tǒng)的自由能減少。因?yàn)橄嘧冇稍拥募羟形灰飘a(chǎn)生，所以形變產(chǎn)生的彈性能增大。因?yàn)橄嘧冇稍拥募羟形灰飘a(chǎn)生，所以形變產(chǎn)生的彈性能增大。p就熱彈性馬氏體相變而言，一邊保持化學(xué)能降低和彈性能增大的就熱彈性馬氏體相變而言，一邊保持化學(xué)能降低和彈性能增大的平衡，一邊發(fā)生相變，平衡，一邊發(fā)生相變，即在點(diǎn)即在點(diǎn)M Ms s 生成的馬氏體在溫度降低的同時(shí)生成的馬氏體在溫