信息材料

——这种物理现象称为霍尔效应。 ——可用于位移、压力、角度等传感。
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❖ 令霍尔元件的工作电流保持不变，使其在一个均 匀梯度磁场中移动
——它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位 移量Z来决定。
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霍尔速度传感器
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2）磁敏二极管
➢ 高纯本征半导体Ge两端形成P型区和N型区 ➢ 中间本征区的一个侧面磨成光滑的复合表面（I
有电流通过
➢ 但是当外加电压超过这个临界电压时，电阻将急 剧变小，并且有电流通过
➢ 随着电压的少量增加，电流增加会很快
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——一般被制成压敏电阻使用。
❖ 应用领域：大量应用于电气设备的过流（过压） 保护电路以及避雷器等
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二、信息存储材料
❖ 信息存储材料是指用来制作各种信息存储器的一 些能够记录和存储信息的材料
信息材料
Information Materials
人体与信息技术
❖ 信息技术是收集、存储、处理、传递和显示各种 信息的技术：
➢ 收集信息：眼、耳、鼻、舌、皮肤——感测技术 ➢ 传送信息：神经系统——通信技术 ➢ 存储和处理信息：大脑——信息处理、存储技术 ➢ 显示信息：肌肉、四肢根据大脑指令对感知信息
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酒精传感器
二氧化碳传感器 烟雾报警器
❖ 气敏材料用于制作气敏传感器
——气敏氧化物半导体材料一般都具有多孔结构。 ——气体比较容易深入到材料内部，使其体电阻发
生明显改变。
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6. 湿敏材料
❖ 湿敏材料是指电阻值随环境湿度增加而显著增大 或降低的一些材料
➢ 陶瓷湿敏材料主要有MgCr2O3系、ZnCr2O3系和 MnWO4、NiWO4等
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垂直记录硬盘工作原理
垂直记录硬盘
❖ 因此，在使磁粒子的排列更紧密的同时，由热量 而引起的“超磁极限”效应将不再明显
——确保数据存储的安全和稳定。
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2. 光存储材料
❖ 光存储材料是由记录介质层、反射层以及保护层 等构成的、具有光学匹配的多层结构
❖ 多层膜通常用物理或化学的方法沉积在衬盘上， 在衬盘上沉积了光存储材科的盘片称为光盘
——用来制成各种常温下压力、应力、应变、速度、 加速度传感器，逐步取代金属型应变计。
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3）压电材料
❖ 压电效应：某些电介质，在一定方向上受到外力 作用而变形时，内部会产生极化现象
——同时在其表面上会产生电荷，当外力去掉后， 又重新回到不带电状态的现象。
❖ 压电材料：具有压电效应的电介物质
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石英晶体压电效应示意图
❖ 在外加物理场如电场、磁场、光照等的影响下， 材料发生物理或化学变化，实现对信息的存储
——主要介绍磁存储材料和光存储材料。
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1. 磁存储材料
❖ 磁存储材料是指利用矩形磁滞回线或磁矩的变化 来存储信息的一类磁性材料
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❖ 磁性存贮器具有数据的存储和读取方便、容量大、 成本低等优点
❖ 根据磁化方向与存储介质的运动方向是平行还是 垂直，可把磁记录方式分为两种：
——如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。
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光电管
➢ 当阴极受到适当波长的光线照射时便发射光电子 ➢ 电子被正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电
子流，在外电路中便产生电流
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光电导效应和光生伏特效应
❖ 光电导效应：在入射光的作用下，电子吸收光子 能量从键合状态过渡到自由状态
——从而引起材料电导率变化的现象。 ❖ 光生伏特效应：当大于禁带宽度的光子照射到PN
➢ 力敏材料、热敏材料 ➢ 光敏材料、磁敏材料 ➢ 气敏材料、湿敏材料 ➢ 压敏材料等
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1. 力敏传感材料
❖ 力敏传感材料是指在外力作用下，电学性质会发 生明显变化的材料，分为：
➢ 金属应变电阻材料 ➢ 半导体压阻材料 ➢ 压电材料
力敏传感器
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1）金属应变电阻材料
❖ 电阻应变效应是指金属导体的电阻在导体受力产 生变形（伸长或缩短）时发生变化的物理现象：
——电流随时间的变化转化成磁化强度随距离的变 化而被存储在磁带上。
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垂直磁记录
➢ 首先，由于可以在同样的面积里容纳更多的存储 物质（磁粒子）
——其结果就是单位存储容量的提升，最多将有10 倍的差距。
➢ 其次，因为磁粒子与盘片之间的接触面积减小， 因此“升温效应”将得到缓解
——盘片的热量不再迅速地被传导给磁性记录物质。
——取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关。 ——对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，
总热电势就只与温度T成单值函数关系。
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3）热敏电阻式温度传感器
❖ 利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的 原理进行测温
❖ 在实际生产中，热敏传感材料主要是指电阻值随 温度显著变化的半导体热敏电阻陶瓷
热敏电阻
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PTC热敏电阻材料
❖ PTC是指超过某一温度电阻急剧增加、具有正温 度系数的热敏电阻现象或材料
——可专门用作恒定温度传感器。
❖ 该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为基的烧结 体，其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等 氧化物进行原子价控制而使之半导体化
——常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导 （体）陶瓷。
❖ 磁阻效应：指材料的电阻率随外加磁场变化而变 化的现象
——磁敏传感材料分为半导体磁敏电阻材料和强磁 性薄膜磁敏电阻材料两种。
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磁敏电阻
——磁敏电阻器与霍尔器件均属磁敏元件，但前者 结构简单，且可集成，温度系数可变得很小。
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1）霍尔传感器
❖ 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时， 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势
➢ 高分子湿敏材料是指吸湿后电阻率或介电常数会 发生变化的高分子电解质膜
——如吸湿性树脂、硝化纤维系高分子膜。
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湿敏传感器
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7. 压敏材料
❖ 电压敏感陶瓷是指具有非线性伏安特性，即电阻 值对电压变化敏感的半导体陶瓷：
——种类很多，主要有ZnO、SiC、BaTiO3等。 ➢ 它在某一临界电压以下，电阻值非常高，几乎没
迅速做出反应——控制技术
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信息材料分类
❖ 信息材料就是指与现代信息技术相关，用于实现 信息的收集、存储、处理、传递和显示的材料
❖ 根据其功能，可把信息材料主要分为： ➢ 信息收集材料 ➢ 信息存储材料 ➢ 信息处理材料 ➢ 信息传递材料 ➢ 信息显示材料
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一、信息收集（传感）材料
❖ 信息传感材料是指用于信息传感器和探测器的一 类对外界信息敏感的材料，主要包括：
➢ 当金属电阻丝受到轴向拉力时，其长度增加而横 截面变小，引起电阻增加
➢ 反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小
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主要的金属应变电阻材料
❖ 铜镍合金（康铜）：灵敏系数稳定性、耐辐射性 能好，低温性能较差
❖ 镍铬系合金：电阻率和抗氧化能力高、工作温度 较宽
❖ 铁铬铝合金：抗氧化、耐高温性能最好 ❖ 镍铬铁合金：电阻温度系数小、电阻率高 ❖ 铂和铂合金：抗氧化、耐高温性能最好 ——前三种最常用。
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2. 热敏传感材料
❖ 指对温度变化具有灵敏响应的材料
1）双金属温度计（热膨胀式）
❖ 把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成 ——它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换
成机械量变化。
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❖ 优点：结构简单、牢固、可靠、防爆
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2）热电势式温度计（热电偶）
➢ 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路 ➢ 当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电
❖ 压阻系数G：单位应力作用下电阻率的相对变化
——主要采用单晶硅，为调节力敏元件的压阻系数、 电阻值和温度特性，还要掺杂B、P等杂质。
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半导体压阻材料优点
❖ 灵敏度与精度高 ❖ 易于微型化和集成化 ❖ 结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，
性能保持不变 ❖ 动态特性好，其响应频率为103~105 Hz
➢ 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大 ➢ 从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高
温端的要多 ➢ 结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得
多余的电子而带负电 ➢ 在导体两端便形成温差电动势
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热电偶回路中产生的总热电势
eAB(T, T0) = eAB(T) + eB(T, T0) – eAB(T0) – eA(T, T0) ➢ 忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：
❖ 气敏材料是对气体敏感，电阻值会随外界气体种 类和浓度变化的材料
❖ 常用的气敏材料有SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2、 TiO2和WO2等n型或p型金属氧化物半导体
——利用气体在半导体表面吸附产生的氧化和还原 反应引起载流子数量变化。
——从而导致表面电阻率变化，进而对气体的种类 和浓度进行探测。
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（2）一次写入光盘材料
——一次写入光盘利用聚焦激光在介质的记录微区 产生不可逆的物理化学变化写入信息。
➢ 激光在盘片上刻出的小坑代表“1” ➢ 空白处代表“0”
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❖ 将要存储的信息、模拟量或数字量，通过调制激 光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区发生物 理或化学的变化实现记录，这就是信息的写入
❖ 读出信息时，低功率密度的激光扫描信息轨道， 反射光通过光电检测器检测、解调取出所要信息
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（1）只读存储光盘材料
区），另一侧面打毛，设置成高复合区（r区） ➢ 电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失
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磁敏二极管工作原理
❖ 不加外磁场：空穴从P区到N区，电子从N区到P 区形成电流
❖ 加正向磁场：电子和空穴向r区偏转，并在r区复 合，电流减小