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磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器原理

磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器早由D. Robbes等人提出，該類傳感器主要由磁電阻傳感器和超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器構(gòu)成。其中超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器是一個(gè)由超導(dǎo)薄膜構(gòu)成的閉合環(huán)路。超導(dǎo)環(huán)路中有一段寬度狹窄區(qū)域。磁電阻傳感器位于超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器環(huán)路狹窄區(qū)域上方并由絕緣層分隔。

對(duì)于超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器而言，其磁場(chǎng)放大倍數(shù)主要由放大器的尺寸和狹窄區(qū)域?qū)挾葲Q定。增大超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器的尺寸，以及減小狹窄區(qū)域的寬度，都會(huì)顯著增加超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器的磁場(chǎng)放大倍數(shù)。例如，理論計(jì)算表明，當(dāng)超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器直徑達(dá)到25 mm，狹窄區(qū)域?qū)挾葹? μm時(shí)，磁場(chǎng)放大倍數(shù)將達(dá)到3500 倍，而相應(yīng)的磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的磁場(chǎng)探測(cè)能力將有望達(dá)到1 f，甚至更低的磁場(chǎng)。

磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的性能不僅取決于超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器的磁場(chǎng)放大能力，同時(shí)也取決于磁電阻傳感器的靈敏度、噪聲等特性。目前在磁電阻傳感器領(lǐng)域性能為優(yōu)異、同時(shí)有應(yīng)用價(jià)值及潛力的當(dāng)屬GMR和TMR磁傳感器。下面將分別對(duì)GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的發(fā)展及本課題組在TMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器制備、測(cè)試方面開展的工作進(jìn)行介紹。

壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器原理基于壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

壓電式壓力傳感器的種類和型號(hào)繁多，按彈元件和受力機(jī)構(gòu)的形式可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成。壓電元件支撐于本體上，由膜片將被測(cè)壓力傳遞給壓電元件，再由壓電元件輸出與被測(cè)壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。這種傳感器的特點(diǎn)是體積小、動(dòng)態(tài)特性好、耐高溫等?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)對(duì)傳感器的性能出越來越高的要求。

例如用壓力傳感器測(cè)量繪制內(nèi)燃機(jī)示功圖，在測(cè)量中不允許用水冷卻，并要求傳感器能耐高溫和體積小。壓電材料適合于研制這種壓力傳感器。石英是一種非常好的壓電材料，壓電效應(yīng)就是在它上面發(fā)現(xiàn)。比較有效的辦法是選擇適合高溫條件的石英晶體切割方法,例如XYδ（+20°～+30°）割型的石英晶體可耐350℃的高溫。而LiNbO3單晶的居里點(diǎn)高達(dá)1210℃，是制造高溫傳感器的理想壓電材料。

電阻應(yīng)變式壓力傳感器

將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件特定表面上，當(dāng)力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于彈性元件時(shí)，會(huì)導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化，進(jìn)而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化。電阻的變化經(jīng)電路處理后的以電信號(hào)的方式輸出，這就是電阻應(yīng)變片傳感器的工作原理。

電阻應(yīng)變片應(yīng)用的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D 轉(zhuǎn)換和 CPU ）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的一種敏感元件。半導(dǎo)體應(yīng)變片需要粘貼在試件上測(cè)量試件應(yīng)變或粘貼在彈元件上間接地感受被測(cè)外力。利用不同構(gòu)形的彈元件可測(cè)量各種物體的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、扭矩、加速度等機(jī)械量。半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片相比，具有靈敏系數(shù)高（約高 50～100倍）、機(jī)械滯后小、體積小、耗電少等優(yōu)點(diǎn)。