灭磁电阻

灭磁电阻（精选4篇）

灭磁电阻 篇1

0 引言

非线性电阻用于发电机灭磁具有速度快、限制过电压等优点,在发电机灭磁领域得到了广泛的应用[1,2]。长期以来,使用传统性能指标来评价发电机励磁系统所使用的非线性灭磁电阻具有一定的局限性,不能反映非线性灭磁电阻组的分布一致性。如果非线性灭磁电阻特性差异较大,可能会导致灭磁过程中部分灭磁电阻烧毁,对于发电机励磁系统带来安全隐患。因此,有必要对非线性灭磁电阻的一致性进行评价,对非线性电阻的选择配置予以指导、检验,以避免类似问题的发生。

本文着重从数理统计的角度提出一组可反映发电机灭磁系统用非线性电阻组一致性的指标,并以氧化锌灭磁电阻组为例,在统计计算的基础上提出了具体衡量指标,以评价非线性灭磁电阻组性能的优劣,亦可为灭磁系统的安全性评价提供参考。

1 非线性灭磁电阻对均流和均能的要求

由于发电机转子灭磁系统的特殊性,灭磁用非线性电阻必须具有足够的能容量[3]。单个非线性阀片的能容量已远远不能满足发电机灭磁的需求,通常把多组氧化锌电阻串并联组合在一起才能用于发电机转子灭磁[4]。若并联在一起的多组氧化锌阀片性能有差异,就会造成灭磁时流过不同组阀片的电流不均衡,导致只有部分阀片处于工作状态,等效能容量就会低于整组阀片标称能容量的总和,进而影响到阀片的整组性能[1]。只有保证氧化锌阀片均匀吸收能量,才能充分发挥其灭磁的优势,延长使用期限[5]因此多组氧化锌灭磁电阻并联使用时必须考虑到均能和均流的要求。选择伏安特性尽可能相近的非线性电阻阀片是比较可行的办法[4]。

2 氧化锌电阻的主要传统性能指标

用于发电机灭磁系统的氧化锌电阻具有压敏电压低、残压低、能容量高的特点[5]。其伏安特性常用下式表示:

式中:U为施加在电阻两端的电压;I为通过氧化锌电阻的电流;C为常数,表示氧化锌电阻本身的特性,与体积大小等有关系;β为非线性系数,表示氧化锌电阻本身的特性,0<β<1。

β与多种氧化物的配比等有关系[1],其值越小,非线性特性就越明显。氧化锌非线性灭磁电阻通常选用的β范围不大于0.04～0.08。

氧化锌电阻的能量密度大,其主要传统性能指标如下:

1)标称电压U10 mA:是指阀片通过10 mA电流时电阻两端的电压降。

2)残压比:阀片通过60 A电流与通过10 mA电流时电压降的比值。

3)能容量:高能氧化锌电阻能够吸收的额定能量。

4)非线性系数β:反映非线性特性。

5)漏电流:阀片两端施加50%U10 mA电压下的泄漏电流,是非线性电阻工作特性是否稳定的一项重要指标。

这5项基本性能指标能衡量单片氧化锌非线性电阻的基本特性,但并未对多组并联氧化锌整组性能的一致性作出描述。因此有必要对发电机灭磁系统用非线性电阻提出一组新的指标

3 新指标的提出

3.1 两点法

对式(1)两边取对数:

在以U-I表示的双对数坐标系中,非线性电阻的伏安特性近似为一条直线。对于灭磁用非线性灭磁电阻,其通过10 mA电流时两端的电压降U10 mA和通过60 A电流时两端的电压降U60 A就可以确定这条直线,从而充分描述其非线性特性。因此,对于并联非线性电阻组来说,每只非线性电阻特性曲线的一致性代表的U10 mA和U60 A的一致性就可以表示该组非线性电阻的一致性。

3.2 变异系数

由于发电机组容量、励磁电压和励磁电流,以及灭磁的要求不同,所使用的氧化锌灭磁电阻阀片的标称电压、容量、所配并联支路数并不相同,所以不能直接使用标准差来进行对比分析,因此,需要引入不直接受统计量数值大小的影响且能够反映相对分散程度的变异系数。

变异系数又称离散系数,是一组数据的标准差与其均值之比,是测算数据分布离散程度的相对指标,是以归一化形式表示的变异指标,不直接受统计量数值大小的影响而反映差异程度[6],其计算式为:

式中:CV为该组数据的变异系数;S为该组数据的均方差;为该组数据的平均值。

变异系数反映单位均值上的分布离散程度,适合于非线性灭磁电阻组相关指标离散性的评价。

3.3 极差系数

发电机灭磁系统用氧化锌阀片标称电压的极值表达式[6]为:

式中:1≤i≤n。

此指标能够直接反映整组灭磁阀片中标称电压的最大值与最小值的差值,是一个绝对值。该指标越小,说明整组的特性越一致;越大,说明整组特性越离散[7]。极差只指明了测定值的最大离散范围,而未能利用全部测量值的信息,不能细致地反映测量值彼此相符合的程度。因此引入极差系数DnV的概念:

该系数是归一化的数值,可以对具有不同非线性特性的灭磁电阻组的一致性作出相对客观的评价。由于它仅仅取决于2个极端值的水平,不能反映其间的变量分布情况,同时易受极端值的影响,因此必须与变异系数配合使用、分析。

3.4 实际数据分析

附录A表A1、表A2针对5组不同氧化锌灭磁电阻组,分别对其10 mA和60 A下电压值进行极差系数、变异系数的分析计算,以期寻求一个科学的数学分析评价方法和相应的数据指标,以达到衡量多组并联氧化锌电阻的分布一致性程度(参见附录A表A1、表A2)。

变异系数和极差系数的大小能够反映该组数据的分散性程度。表1中的数据表明,组1的U10 mA变异系数达到了2.33%,极差系数达到了8.79%,2项系数均较大。从实际电压值来看,组1的U10 mA数据分布确实较为分散;组4的U10 mA变异系数仅为0.68%,极差系数为2.27%,为这5组中的最小者。从具体数据看,组4的U10 mA数据分布确实较为一致。组1的U60 A变异系数达到了2.056%,极差系数达到了6.27%,2项系数均较大。从实际电压值来看,组1的U60 A数据分布确实较为分散;组4的U60 A变异系数仅为0.49%,极差系数为1.63%,为这5组中的最小者。从具体数据看,组4的U60 A数据分布确实较为一致。

从上述数据的变异系数和极差系数分析来看,组1的一致性较差,其次是组3,而组4的一致性较好。由此可以判断,用于发电机灭磁系统的非线性电阻组,在其他因素相同的条件下,组4的安全性较组1高,其整组等效能容量与标称能容量总和也较接近。

4 结论

1)变异系数与极差系数是能够反映多组并联非线性电阻分布一致性的。变异系数与极差系数越大,表明该组非线性电阻的分布越离散;变异系数与极差系数越小,表明该组非线性电阻的一致性越好。

2)通过对超过50组氧化锌灭磁电阻阀片U10 mA变异系数与极差系数、U60 A变异系数与极差系数的统计计算,其中96%氧化锌灭磁电阻阀片的U10 mA变异系数与U60 A变异系数均不超过2%,U10 mA极差系数与U60 A极差系数均不超过5%。因此,建议变异系数不宜超过2%、极差系数均不宜超过5%作为衡量非线性电阻阀片的指标。

3)U10 mA的变异系数与U60 A的变异系数均需计算考核,U10 mA的极差系数与U60 A的极差系数亦应如此,二者需结合起来分析判别,均应达到相应要求。这是出于保证整组非线性电阻的残压比、非线性特性一致性的需要。考核了这4个参数,也相当于同时考核了残压比的一致性。因此,这4个参数对于保证非线性电阻组的一致性是充分和必要的。

4)均流系数也可用来描述并联非线性电阻的通流效果,但由于存在测量困难、对试验条件要求较高等原因,在实际灭磁用非线性电阻描述应用中很少采用。而变异系数和极差系数的获取仅需要测取单片非线性电阻特性,通过数理统计的方法即可计算获得,方法简便,实现容易。

5)对于不满足上述要求的灭磁阀片组,需要重新进行配片、选片工作,并重新进行上述分析计算,直至满足变异系数与极差系数的要求。

6)上述数据要求是针对氧化锌灭磁电阻而提议的。对于碳化硅灭磁电阻,可参考上述计算方法制定相类似指标的变异系数、极差系数的要求,并根据实际情况进行确定。

将变异系数和极差系数作为重要指标引入灭磁用非线性电阻的评价和检验体系之中,对于非线性灭磁电阻的设计选择提出了新的要求,可以更好地保证非线性电阻组的均流、均能,提高非线性电阻组灭磁的可靠性、安全性。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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巨磁电阻传感器的研究与应用 篇2

早在1988年,法国巴黎大学阿尔伯特·费尔和德国优利西研究所彼得·格鲁伯格分别独立地发现了巨磁电阻效应,之后2007年的诺贝尔物理学奖授予了先后独立发现“巨磁电阻”(GMR)效应的这两位科学家[1,2,3]。巨磁电阻效应,是指在一个磁电阻系统中,非常弱小的磁性变化就能导致巨大的电阻变化的特殊效应[4]。如今,巨磁电阻效应已经广泛应用于计算机硬盘磁头的数据读取、随机存储器(MRAM)、纳米技术等多种领域[5]。这个发现还导致了新一代磁传感器的出现。

如今,巨磁电阻效应传感器已广泛应用于非接触位置测量、交通速度检测、生物探测、电力系统等多种领域[4]。GMR传感器——一类新的磁电阻传感器,它与传统的磁阻传感器相比,具有灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、抗恶劣环境、体积小等优点,有很好的应用前景[6]。但由于GMR传感器互换性较差,且存在非线性特性等缺点也相对限制了其在电力系统中的应用。

1 巨磁电阻传感器概况

1.1 巨磁材料的分类

按照巨磁材料的结构,可以得出图1的分类总图,其中,自旋阀多层膜可分为简单型和对称型两类[7];也可将其分为钉扎型和非钉扎型两类。

1.2 巨磁电阻传感器的发展

巨磁电阻传感器的原理是基于电子自旋相关散射效应。1994年C.Tsang等研制出全集成化的GMR自旋阀器件,2000年左右已研制出利用GMR效应的位置传感器,在2000年的第三届欧洲磁场传感器和驱动器学术会议上,关于GMR传感器的论文占论文总数的1/3以上,可见GMR的发展程度。目前市场上主要用来探测磁场变化的磁场传感器主要有以下几种[8]:(1)探测微弱磁场的GMR传感器;(2)线性GMR传感器,该类传感器大多可应用于直流线路中;(3)数字脉冲型GMR传感器,这类传感器主要应用在位置检测。

目前GMR传感器针对高压交流或直流的测量已研究很多,也有一些文献提出了对GMR传感器交/直流特性的一致性研究[9]。

按照GMR的结构,主要有多层膜巨磁电阻和自旋阀巨磁电阻两种,参考文献[7,9]对这两种主要的结构进行了比较如表1所示。

因为存在上述区别,所以在实际使用时应根据需要采用不同种类和不同规格的巨磁电阻。多层膜巨磁电阻因为其电阻线性范围广、测量范围大等优点更适合用于直流电路传感器。

2 巨磁电阻传感器特性

参考文献[8]通过自行设计的实验平台,对深圳某公司和美国NEV公司的传感器特性测试比较,得出比较全面的传感器特性指标。两者区别总结见表2。

由此可见,NVE公司的传感器具有更好的特性和更广阔的应用空间,其中,AA系列GMR传感器具备优越的性能,适用于较宽领域的应用。

3 巨磁电阻直流电子式电流互感器

早在1936年,德国科学家克莱麦尔教授就研制成功了直流电流互感器,随后分流器法、霍尔效应法、直流电流比较仪法、法拉第效应法等多种直流电流测量方法得到了较广泛的研究[10]。巨磁电阻效应因为其自身的优点也越来越多得应用于测量直流电流的电路中。

3.1 直流巨磁电阻传感器的基本原理

如今相对比较成熟的理论机理是利用二流体模型对磁性多层膜巨磁电阻效应进行定性解释[11],如图2所示。

注:电阻值R1>R2,FM表示铁磁层,NM表示非铁磁层。

图2 a)中铁磁金属的电流由自旋向上、向下的电子分别传输,自旋磁矩方向与区域磁化方向平行的传导电子所受到的散射小,因而电阻率低,当磁性多层膜相邻磁层的磁矩反铁磁耦合时,自旋向上、向下的传导电子在传输过程中分别受周期性的强、弱散射而表现为高阻态;图2 b)中相邻磁层在外加磁场作用下趋于平行时,自旋向上的传导电子受较弱的散射而构成低阻通道,自旋向下的传导电子则受强散射形成高阻通道,因两通道并联,故多层膜表现为低阻态。

对于该传感器,通常构造成如图3所示的惠斯登电桥结构来进行测量和设计传感头,即可用NVE公司的巨磁电阻传感器,该结构有助于提高传感器的输出灵敏度[12]。

3.2 巨磁电阻传感器的静态特性

巨磁电阻应用于直流电流测量,其实质是对静态磁场的敏感,参考文献[13]为更全面了解其静态特性,设计了一套装置以获取其全面的静态特性指标,特性展示如图4所示。

注:拟合直线U=2.108 3B-0.096 2,线性度为1.943%。

测试正/负向磁场下的传感器静态特性,是因为直流输电过程中存在双极性输电的情况,从图中可得出以下的结论:

(1)正/负向磁场下传感器的线性度指标并不理想,应考虑非线性补偿问题。

(2)正/负向磁场下传感器的静态特性存在微小差别。另外,测试出了对应的温漂和时漂测试结果,说明了该传感器具有良好的稳定性。

此外,参考文献[14-15]也对GMR的动态性能进行了测试与分析,各种分析与测试结果表明将巨磁电阻传感器应用于电力系统中交流大电流的测量是有可能的。

3.3 巨磁电阻直流电流互感器总体方案

在全面获取传感器的静态特性后,可设计出如图5所示的巨磁电阻直流电流互感器总体方案。

鉴于传感器输出需调理成光信号以实现高、低压间的绝缘,因此该传感器属于有源电子式互感器范畴。

互感器运行时单片机2可先不工作,由单片机1完成高压侧电路的所有功能,如果低压侧电路判断出高压侧电路可能存在故障,即唤醒高压侧的单片机2,并对单片机1发出复位指令。对高压侧电路进行测试诊断以排查故障原因,最坏情况是单片机1存在故障,此时将单片机1的工作任务倒换至单片机2以使互感器保持正常工作,从而克服了高压侧电路因单片机1出现故障而导致互感器不能工作的缺陷。通过对激光供能方法的优化研究,有可能实现高压侧的冗余备份方案[13]。

参考文献[16]还对直流GMR电流互感器可能遇到的各种电磁干扰进行了电磁兼容性设计。采用AD592温度传感器设计的温度补偿电路,采用PCB板的抗干扰设计及屏蔽、接地、瞬态抑制、电源的抗干扰设计等措施来抑制干扰。

3.4 巨磁电阻传感器用于母线电流测量

参考文献[10]以高精度霍尔传感器的磁感应强度B测量结果作为标准磁场值,将静态和动态两种情况下巨磁电阻传感器的输出和霍尔传感器的输出都还原到原始的传感器输出,得出如图6所示的对比图。

注:动态拟合曲线U=0.208 4B-0.000 3,静态拟合曲线U=0.215 6B-0.007 7。

从图6中可以看出,动、静态特性对应关系良好,所以还可将其用于电力系统母线电流测量,并做交/直流两用测量。基于巨磁电阻效应的母线电流测量系统结构如图7所示[15]。

高压侧采集电流和温度信号后,调制成光信号通过光纤发送到低压侧实现信号调理、频谱分析和输出驱动后续装置的功能。

3.5 巨磁电阻传感器的智能化方法

参考文献[13]还对非线性误差进行了详细的分析并提出了可行的补偿方法,此外,参考文献[17]讨论了该电流式互感器的智能化方法,提出利用舵机来控制永磁铁与巨磁电阻传感器间的方法,从而产生多个标准磁场值,实现了自校准模块;通过备用单片机的引入实现了自诊断模块;利用多项式拟合的方法改善巨磁电阻传感器的线性度指标,从而实现自校准算法。参考文献[18]在Labview的虚拟仪器技术上,设计完成了一套具有GMR效应的样品的H-R曲线虚拟仪器测试系统,测量精度高、速度快、测试界面直观、友好。参考文献[19]基于巨磁电阻(GMR)自旋阀的实验平台,设计了一种用于线性校正用途的模糊神经网络(FNN),并以此构建了智能GMR磁传感器系统,讨论了单芯片系统(SOC)实现该智能GMR磁传感器的可行性。

4 结语

灭磁电阻 篇3

具有庞磁电阻效应(CMR)的稀土掺杂钙钛矿锰氧化物属于强关联电子体系,表现出许多复杂的物理效应,在电荷-自旋-轨道-晶格之间存在各种相互作用,从而诱发绝缘体-金属相变、有序化和相分离等一系列奇异效应,是近年来凝聚态物理和材料物理领域的一个热点课题[1,2]。

CMR分为高场磁电阻(HFMR)和低场磁电阻(LFMR)。HFMR是源于双交换作用的本征磁电阻效应,是温度敏感的函数,在居里温度Tc附近达到峰值,远离Tc时迅速减小,这使得利用本征的磁电阻效应并不是理想的选择。LFMR是非本征的磁电阻,一般发生在晶界效用明显的多晶样品中。LFMR只需要很小的驱动磁场,而且对温度不敏感,这使得CMR材料很有可能进入实用化阶段。因此,对低场增强磁电阻的研究成为了近年来CMR研究领域中的一个重要方向。在体系中引入第二相物质形成复合相锰氧化物,是低场增强磁电阻的一种有效方法[3,4]。本文阐述了国内外近年来在复相钙钛矿锰氧化物低场磁电阻增强这一研究领域的最新进展。

磁电阻 (Magnetic resistance,MR) 效应是指材料的电阻率在外磁场作用下发生变化的现象。目前,已被研究的磁电阻效应可以大致分为:由磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻(OMR,Ordinary magnetoresistance)、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻(AMR,Anisotropic magnetoresis-tance)、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻(GMR,Giant magnetoresistance)以及隧道磁电阻(TMR,Tunnel magnetoresistance)、掺杂稀土氧化物中特大磁电阻(CMR,Colossal magnetoresistance)[2]。

Helmolt等[5]在LaBaMnO3铁磁薄膜中发现了室温50 kOe外场下150%的磁电阻效应, Jin等[6]在外延的薄膜中观察到了高达105%的特大磁电阻效应。它比磁性多层膜中的GMR效应高出几个数量级,因此为区别于GMR效应,被称为超大磁电阻效应或庞磁电阻效应(Colossal magentoresistance,简称CMR)。CMR效应的发现,使得这类钙钛矿锰氧化物材料引起了人们的广泛关注。进一步研究发现,CMR锰氧化物材料中观察到的在外磁场下的反常输运性质,不同于金属磁性超晶格、颗粒膜样品中的巨磁电阻机制。为了与金属多层膜等的GMR效应相区别,稀土掺杂锰氧化物的磁电阻效应统称为庞磁电阻效应(CMR),以MR衡量磁电阻变化率,而不管其具体的磁电阻值[2]。

1 低场磁电阻效应

虽然钙钛矿锰氧化物表现出高的CMR效应,具有应用潜力,但是就应用角度而言,发展以这类材料为基的磁电子学器件为时尚早,主要原因是它们只有在很高的磁场下(几个特斯拉)才能表现出大的CMR效应,磁电阻表现出温度敏感性,并且一般出现在远低于室温的低温区。

Hwang等[7,8] 发现,在温度远离其居里温度Tc时,锰氧化物单晶或外延薄膜在较低磁场下MR 值很低,但多晶锰氧化物仍表现出显著磁电阻效应,这一效应被称为低场磁电阻效应(Low-field magnetoresistance,LFMR)。这一工作预示着CMR锰氧化物正突破自旋电子学应用瓶颈,从而引发了国内外众多学者的强烈兴趣,并在不长时间内取得了可观的进展。

1.1 物理机制——自旋极化隧穿和/或散射

低场磁电阻(LFMR)的发现引起了广泛关注,不仅仅是由于LFMR只需几百高斯甚至几十高斯的磁场,在实际自旋电子器件中有着应用前景,也是因为LFMR背后有与CMR不同的物理机制,称之为自旋极化隧穿(Spin polarized tunneling,SPT)和自旋极化散射(Spin polarized scattering,SPS)。

1.1.1 自旋极化散射

La0.67Sr0.33MnO3、La0.67Ca0.33MnO3以及La0.85Sr0.15-MnO3多晶样品在低温和低磁场下表现出显著磁电阻,只是MR 随着温度升高而降低,但在Tc 附近又出现磁电阻峰值。而单晶样品或外延生长的薄膜则仅在居里点Tc 附近出现显著的磁电阻效应。Li等[8]对此的物理解释是:由于存在晶粒边界,多晶的电阻率比单晶高;而磁阻产生源于2种机制,即Tc附近MR 极大值来源于晶粒中本征的CMR机制,而低温下的MR来源于晶粒边界处自旋极化散射(Spin polarized scattering, SPS)。SPS 的基本物理图像是:晶粒边界处磁无序使之成为强散射中心,导致较大电阻率;而外加磁场使得晶粒内磁畴平行排列,强烈地减弱了晶粒边界处载流子散射,导致了低场磁电阻效应[3]。

1.1.2 自旋极化隧穿

Hwang等[7]提供了另一种物理解释, 即晶粒间自旋极化隧穿(Spin polarized intergrain tunneling, SPT)。多晶中磁畴基本上与晶粒重合,无外加磁场时,相邻晶粒边界间自旋不平行,晶粒边界间的电子隧穿几率较小,故呈现高阻态;加上外加磁场后,与晶粒相联系的磁畴平行排列, 电子隧穿几率增加,从而呈现低阻态。

1.2 低场磁电阻增强的方法

虽然多晶锰氧化物表现出低场磁电阻效应,但其MR值离实际要求仍有距离。在材料微结构中引入自旋无序区域将能有效地提高材料的磁阻率。现阶段的研究工作主要包括在材料中引入弱联接颗粒边界、引入第二相形成锰氧化物复合系统以及引入磁畴畴壁等[3]。

1.2.1 通过改变工艺条件减弱颗粒间的联接性

改变材料的制备工艺条件从而减弱颗粒之间的联接性可以提高LFMR。因为在多晶锰氧化物中,当颗粒之间为弱联接时,磁畴间自旋在较低外场下就能达到平行排列,从而具有较高的LFMR,减弱颗粒之间的联接有多种方式,也就是形成人工晶界[9,10,11]。

1.2.2 通过引入第二相形成稀土锰氧化物复合体系

在锰氧化物中引入第二相也能引入自旋无序,因此锰氧化物复合材料也可得到较大LFMR。在这方面的研究很多,有代表意义的系统如下所述。

(1)绝缘性氧化物

Balcells等[12]研究了一系列[La2/3Sr1/3MnO3]x/[CeO2]1-x复合材料的磁电阻效应。研究表明在CeO2掺杂浓度20%附近(渗流阀值),样品对于外加磁场的敏感性大大加强, LFMR效应增强。

在La0.67Ca0.33MnO3样品中引入绝缘性Co3O4[13]得到增强的LFMR效应。复相材料MR值在Co3O4 含量10%、温度80K、磁场3kOe时,达到最大,即24.68%,而在同样条件下纯的La0.67Ca0.33MnO3的磁电阻仅有18.36%。

Gaur等[14]研究了La0.7Sr0.3MnO3/TiO2复相材料,认为TiO2含量为10%、80K时MR为29%,而在同样条件下纯LSMO的MR则为11%。

Xia等[15]研究了LCMO/YSZ(钇稳定氧化锆)复合体系中的电输运和磁电阻效应,认为在复合体系中电输运和磁电阻的不同与第二相在基体中的分布有很大的关联。

Karmakar等[16]通过在La0.67Ca0.33MnO3样品中引入绝缘相V2O5,在低温(93K)时,同样得到了增强的LFMR,复相(La0.67Ca0.33MnO3)+15%(V2O5)样品的MR(～25%)是纯LCMO的MR(～10.3%)的2倍多。

在La0.67Ca0.33MnO3样品中引入高熔点的氧化物ZrO2,得到增强的LFMR效应[17],增强效果在ZrO2含量为40%时达到最大值。复相(La0.67Ca0.33MnO3)0.4/(ZrO2)0.6 的低场灵敏MR是7%/100Oe,比纯LCMO的磁电阻高出很多。

Yang等[18]在LSMO样品中引入高介电常数的绝缘相Ta2O5,研究了一系列[La0.7Sr0.3MnO3]1-x/[ Ta2O5]x复合材料的磁电阻效应。结果表明,当Ta2O5含量为4%(小于渗流阀值点10%)时,样品对外加磁场的敏感性最强,LFMR效应增强,尤其在290K时,MR值大约是其它样品的2倍。

其它的绝缘氧化物还有ZnO[19]、nano-ZnO[20] 、NiO[21] 、Al2O3[22] 、SiO2[23]等。各种绝缘体氧化物作为第二相引入复合系统中,往往在较低的温度发生增强的磁电阻效应。

(2)导电性氧化物

ITO((In2O3)0.95(SnO2)0.05)是一种很常见的导电性氧化物,Zhang等[24]制备了复合样品(La0.83Sr0.17MnO3)1-x-(ITO)x。在铁磁居里温度Tc以上,观察到x在0.40附近的样品具有明显的正磁电阻效应,尤其是x=0.4的样品其正的磁电阻比率MR在2800Oe磁场下可达39.3%。

Yang等利用导电氧化物LaNiO3作为第二相添加物,研究了一系列在低温700℃下固相合成的LSMO1-x/(LNO)x复合体系,研究表明LNO以小颗粒(～100nm)的形式分布在较大的LSMO(0.5 ～1μm)晶粒之间,使体系自旋极化隧穿作用加强,观察到了增强的LFMR效应,在低温段1%LNO的样品具有最大的MR,在高温段5%LNO的样品具有最大的MR。

(3)金属材料

Huang等[25]研究了LCMO/Ag复合材料,首先将AgNO3包覆在LCMO颗粒周围,然后预烧500℃使AgNO3分解成Ag。用这种方法制备的锰氧化物复合系统可以使增强的磁电阻在更高的温度发生。

Yuan等[26]利用低温(750℃)下PdO可以分解为Pd的特性制备了La0.67(Ca0.65Ba0.35)0.33MnO3/Pdx复合体系,在室温289K、1T磁场下,x=0.27的样品磁电阻高达-170%。

Xiong等[27]研究了(La0.7Ca0.2Sr0.1MnO3)1-x/Pdx两相复合体系,发现x=0.25的样品在3Oe和20kOe的磁场下室温磁电阻分别达到了12%和40%。

(4)磁性材料

Miao等[28]利用CuMn2O4的反铁磁性绝缘性研究了La2/3Ca1/3MnO3/xCuMn2O4复合材料。复合样品的磁电阻效应在很宽的温度范围内均得到了增强,这可能是因为反铁磁性CuMn2O4的引入,在颗粒界面上产生了铁磁-反铁磁耦合,增加了电子自旋极化隧穿的势垒,从而使得复合样品的LFMR和HFMR在很宽的温度范围内均得到了增强。

Yan等[29]研究了用软磁材料CoFe2O4作为第二相的LSMO复合系统,发现CoFe2O4的含量为20%的样品在室温附近的低场磁电阻达到5%以上。

(5)高分子有机物复合材料

Kumar等[30]采用固相反应法制备出LBSMO(La0.7-Ba0.2Sr0.1MnO3),然后将PMMA溶于三氯甲烷中使其与LBSMO以适当的质量分数(0%、2%、10%)混合,经压块煅烧得到相应的材料。研究证明,LBSMO与PMMA之间没有发生本质上的反应,随着PMMA含量的增加,在PMMA含量为10%时LBSMO出现被包覆的现象。由于PMMA是绝缘体,它的加入使金属-绝缘体转变消失的同时增强了电阻,当在外加磁场作用下,颗粒间连接性提高,电阻降低,从而使样品展示了较大的低场磁电阻。

Yan等[31]研究了(La2/3Sr1/3MnO3)1-x/(PPP)x复合材料,在很宽的温度范围内都观察到了增强的低场磁电阻效应,x=0.2时这种增强效果最强。

(6)2种CMR材料的复合系统

Liu等[32]采用Pr0.5Sr0.5MnO3作为反铁磁性材料,对[La0.7Sr0.3MnO3]1-x/[Pr0.5Sr0.5MnO3]x复合材料的输运性质进行了研究。研究发现,纯LSMO样品(x=0)的LFMR效应随着温度的升高而迅速下降,但在LSMR/PSMO复合材料中(x=0.1～0.5),磁阻率随温度升高而下降的速度大大减缓,并且磁阻率也有一定程度的提高。

2 粘接型钙钛矿锰氧化物

前面提及的复合相材料,都指的是利用传统的烧结方法制备的多晶陶瓷样品。为了避免两相之间的扩散,必须采用低温烧结工艺(一般烧结温度低于1100℃)。然而,在烧结过程中两相之间的界面扩散反应是难以避免的,即烧结工艺不可能制备绝对没有扩散的复合相样品(2种相没有发生任何反应)。即使是在高分子复合的锰氧化物样品中,如LBSMO/PMMA和La2/3Sr1/3MnO3/PPP,需要在400℃烧结[30,31]。为了制备两相之间没有任何反应的复合相锰氧化物材料,有必要寻找与烧结陶瓷方法不同的新方法。为此,Yang等首次提出了粘接型钙钛矿锰氧化物的概念。粘结型材料就是把母体粉末与树脂、塑料或低熔点金属等粘结剂均匀混合,然后用压缩、挤出或注射成型等方法制成的永磁体。利用粘接方法制备的钙钛矿锰氧化物块体材料与通常的烧结陶瓷相比,具有更好的力学性能和可加工性。粘接样品没有经过高温烧结过程,是一种真正意义的复合相材料。由于第二相物质完全不影响母相的本征性质,对于复合相这样的复杂体系,母相性质的不变有利于更好地理解辅相物质的作用,即分离出晶界第二相对相邻晶粒的自旋极化隧穿电子的影响。这就使得提出更完善的低场增强磁电阻理论成为可能。对于应用而言,如果在粘接体系中引入其它的物质(氧化物和金属等)并改变制备工艺,有可能获得非温度敏感性、具有较高磁电阻值、可以实用化的材料。寻找合适的第二相物质以及更优化的粘接工艺就成为下一步的研究方向。

Yang等采用高分子(环氧树脂)作为粘接剂,研究了一系列不同组分环氧树脂粘接的La0.7Sr0.3MnO3。在3kOe的磁场下,观察到了增强的LFMR效应,尤其是粘接剂含量为1%的样品,LFMR效应增强尤为明显,如图1所示,在275～325K温度范围内,磁电阻(MR=[ρ(0)-ρ(H)]/ρ(0)×100%,ρ(0)和ρ(H)分别是零场和磁场为H时的电阻率)虽然不大,只有2.5%,但是不随温度改变,且此温度区间正好是实际应用的温度区间。而通常的烧结陶瓷样品磁电阻随着温度的升高单调降低。可以看出粘接型样品与传统烧结体相比有明显的优点。

研究表明,单纯的高分子粘接样品的电阻较大,磁电阻值相对较小。在粘接体系中添加导电性的物质(如金属),可以将样品电阻调节到合适的范围,也有可能得到较大磁电阻。作为初步的工作,我们采用金属Sn作为添加剂,对环氧树脂粘接钙钛矿锰氧化物体系进行了研究,母体相为钙钛矿锰氧化物La0.8Sr0.2MnO3,铁磁-顺磁相变温度Tc=305K。图2给出了固定Sn含量(10%)而改变环氧树脂含量(1%、4%、6%)样品的磁电阻随温度的变化曲线。从图2可以看到,增加环氧树脂粘接剂的含量,可以明显提高室温附近的低场磁电阻值。其中环氧树脂含量为6%的样品,温度为300K时的磁电阻达到4.9%,并且在该温度附近磁电阻随温度的变化很小。图3给出了固定环氧树脂含量(6%)而改变Sn含量(10%、20%、30%)样品的磁电阻随温度的变化曲线。从图3可以看到,Sn含量为20%的样品室温附近低场增强的磁电阻效果最明显,达到7.7%,且几乎不随温度改变(280～318K),具有很好的应用潜力。

粘接型钙钛矿锰氧化物体系明显区别于传统的烧结型多晶陶瓷材料。初步结果表明了该体系具有明显的应用前景。然而目前实验获得的磁电阻值仍然偏小,离实际应用尚有一定的距离。未来对该材料体系的研究将包括:①粘接型钙钛矿锰氧化物制备工艺探索,这些工艺条件主要包括粘接剂种类、粘接剂比例、压制的压力和温度、固化温度和时间;②具有复合相结构的粘接型钙钛矿锰氧化物性质研究,利用粘接方法在体系中引入第二相后可以制备真正意义的复合相材料,第二相物质包括金属、导电性氧化物、绝缘氧化物;③机理分析,研究粘接型钙钛矿锰氧化物中绝缘体-金属相变、相分离、逾渗驱动磁电阻性质与烧结陶瓷材料的差异。目前这方面的工作还处于起步阶段,对该体系的研究还未全面展开。目前国内外只有本课题组在进行该体系的工作。相信随着工作的进一步深入,更多有意义的结果会被报道出来。

3 结语

复合相结构的钙钛矿锰氧化物具有非温度敏感性的低场增强磁电阻效应,国内外在这方面的研究取得了很多令人鼓舞的研究成果。然而,与这种复合相增强的低场磁电阻有关的丰富物理内涵的研究仍然面临着很多问题和挑战。因为这种复合相结构的钙钛矿锰氧化物材料只有在很低的温度才具有较高的自旋极化率,随着温度的升高自旋极化率迅速下降,即便是多晶系统的低场磁电阻效应也仅在低温下才比较显著,室温附近这一效应也较弱。相信寻求新的合成方法和新的钙钛矿化合物体系以期获得较高自旋极化率和室温附近具有较大低场磁电阻的材料将是未来研究的重点。新型粘接型复合相钙钛矿锰氧化物材料作为一种新的体系,两相在复合过程中没有经过高温烧结,可以制备两相之间没有任何反应的复合相材料,这为解释低场增强磁电阻现象提供了很好的理论依据。通过在体系中引入其他物质(金属和氧化物等)并改变制备工艺,有可能获得非温度敏感性的、具有较高磁电阻值的、可以实用化的材料,值得关注。

灭磁电阻 篇4

在清洁能源领域,太阳能光伏发电有着广范的应用,每串太阳能电池板所发出的直流电流经过汇流箱形成总电流后,输出给电源逆变器转变成交流,进行并网发电。在智能型汇流箱中,还采用了单片机和电流传感器对每串太阳能电池板所发出的直流电流和电压进行测量,以便监测太阳能光伏电站的发电状况以及方便电池板故障时的诊断维修。目前,国内大多数厂家在智能型汇流箱中都采用霍尔电流传感器,但由于霍尔电流传感器本身的低温线性特性不太理想(霍尔效应材料本身决定的),只能满足0～55℃时测量线性精度在0.5%以内的要求,而在0。℃以下不能满足该精度要求,且偏差较大,因此采用霍尔电流传感器的智能型汇流箱一般用于对0℃以下低温测量精度要求不太严格的场合。利用巨磁阻效应制做的巨磁电阻电流传感器,具有灵敏度高、响应快、功耗低、在温度大范围变化时稳定性较高的特点,可以较好地解决光伏电流测量在低温下的精度要求问题。

1 巨磁电阻电流传感器的工作原理

巨磁电阻电流传感器是将4个巨磁电阻(以下简称GMR)构成惠斯登电桥结构,该结构可减少外界环境对传感器输出稳定性的影响,并增加了传感器的灵敏度,如图1所示。

图1中,R1和R2为GMR,它们对外界通过的同一磁有相反方向的阻值变化,在没有磁场影响时R1=R2,电桥输出为零。在实际应用中,一般将GMR传感器封装成插件或贴片形式的芯片,再加上运放、电阻、电容等少量外围电路和一个用于聚拢磁场的磁环材料就可以构成一个GMR电流传感器。众所周知,电流流过导体时会在导体周围产生磁场,该磁场通过磁环聚拢后作用在GMR传感器芯片上产生电压输出,经运放放大后得到反映电流变化的电压输出。GMR传感器芯片和GMR电流传感器实物如图2所示。

利用巨磁阻效应研发的GMR电流传感器具有体积小、灵敏度高、线性好、线性范围宽、响应频率高、使用温度特性好、可靠性高、成本低等特点,是各种传统传感器的换代产品。GMR传感器芯片在国际上的实际应用才刚刚开始。

2 GMR电流传感器的应用

目前,国内大多数生产光伏发电智能型汇流箱的厂家还是选用霍尔电流传感器来测量电流量。但从实际的使用情况来看,采用霍尔电流传感器有以下不足:(1)线性工作的温度范围不够宽,不能保证0～55℃之外的线性精度;(2)传感器成品需灌胶封装,生产工序复杂,成品率低;(3)所采用的磁环需绕线,线扎数不好控制,工艺相对复杂,零漂难调整等。后2个不足使霍尔元件生产工艺相对复杂,增加了生产成本。这3个不足基本上是国内霍尔电流传感器厂家都存在的问题。目前生产光伏发电智能型汇流箱的厂家多选用浙江霍丰科技有限公司生产的BJHCS-LSP-25型闭环磁平衡霍尔电流传感器制作电流测量元件。

本文针对有低温线性精度要求的客户,选用了巨磁实业(上海)有限公司提供的JCB-25A型GMR电流传感器,它与BJHCSLSP-25型霍尔电流传感器外形尺寸和管脚定义相同,工作电压与输出电压范围也一致,可不用更改电路板而直接代换。

JCB-25A型GMR电流传感器的封装不需要灌胶工序,所用磁环也不需绕线,它的最大优点是在大的温度范围内,线性精度都能满足客户要求。智能型汇流箱中装有汇流监测单元,每个汇流监测单元的电路板上安装有8～16个JCB-25A型GMR电流传感器,实现8～16路电流的测量;同时,该单元还可测量2路开关量、1路温度量和1路太阳能板电池电压,并配有1路RS-485通信口,将所测量实时上传给后台电脑进行显示分析和保存。测试中,选用了5个JCB-25A型GMR电流传感器样品安装在智能型汇流箱的汇流监测单元上,进行了-40～+85℃的工作温度实测,试验设备为高低温箱,实测计算结果见表1,据表1绘制的非线性偏差曲线如图3所示。

通过实测数据可知,样品D在-40℃时的线性度最大,达到全量程的0.251 213 182%,其它数据都在2%以内;5个样品的实测数据在-40～+85℃全温度范围内,其线性度均能满足0.5%FS的精度要求。

3 结束语