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磁電阻/超導復合式磁傳感器原理

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

對于超導磁場放大器而言，其磁場放大倍數(shù)主要由放大器的尺寸和狹窄區(qū)域寬度決定。增大超導磁場放大器的尺寸，以及減小狹窄區(qū)域的寬度，都會顯著增加超導磁場放大器的磁場放大倍數(shù)。例如，理論計算表明，當超導磁場放大器直徑達到25 mm，狹窄區(qū)域寬度為2 μm時，磁場放大倍數(shù)將達到3500 倍，而相應的磁電阻/超導復合式磁傳感器的磁場探測能力將有望達到1 f，甚至更低的磁場。

磁電阻/超導復合式磁傳感器的性能不僅取決于超導磁場放大器的磁場放大能力，同時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域性能為優(yōu)異、同時有應用價值及潛力的當屬GMR和TMR磁傳感器。下面將分別對GMR/超導復合式磁傳感器的發(fā)展及本課題組在TMR/超導復合式磁傳感器制備、測試方面開展的工作進行介紹。

壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器原理基于壓電效應。壓電效應是某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。

壓電式壓力傳感器的種類和型號繁多，按彈元件和受力機構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，由膜片將被測壓力傳遞給壓電元件，再由壓電元件輸出與被測壓力成一定關系的電信號。這種傳感器的特點是體積小、動態(tài)特性好、耐高溫等?，F(xiàn)代測量技術對傳感器的性能出越來越高的要求。

例如用壓力傳感器測量繪制內(nèi)燃機示功圖，在測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單晶的居里點高達1210℃，是制造高溫傳感器的理想壓電材料。

電阻應變式壓力傳感器

將電阻應變片粘貼在彈性元件特定表面上，當力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于彈性元件時，會導致元件應力和應變的變化，進而引起電阻應變片電阻的變化。電阻的變化經(jīng)電路處理后的以電信號的方式輸出，這就是電阻應變片傳感器的工作原理。

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

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