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1、一信息材料概述1.信息材料：用以信息探测、传输、存储、显示和处理的材料。2.信息材料分类：A.按功能上分，可以分为：信息收集材料(力敏传感材料、热敏传感材料、光敏传感材料、磁敏传感材料、气敏传感 材料、温敏传感材料、压敏传感材料、生物传感材料等)信息传输材料(光纤、电缆、波导等)信息存储材料(磁存储材料、光存储材料、铁电介质存储材料、半导体动态存储材料)信息显示材料(液晶显示材料（LCD）、等离子体显示材料（PDP）、阴极射线管显料（LCD）、等离子体显示材料（PDP）、阴极射线管显示材料（CRT）、场发射显示材料（FED）、真空荧光显示材料、有机电致发光显示材料等)信息处理材料(包括Si、G
2、e等半导体材料，GaAs系列、InP系列、GaN系列半导体材料，SiO2等氧化物材料，微波铁氧体材料等)。B.按材料种类分：半导体信息材料、信息陶瓷材料、有机信息材料、信息薄膜材料二 信息收集材料1. 定义：用于信息传感和探测的一类对外界信息敏感的材料2. 传感器：能感受规定的被测量并按一定的规律转化成可用信号的器件或装置。3. 组成：敏感元件和转换元件A.敏感元件：直接感受被测量并将其按一定规律转换成与被测量有其他关系的确定量（非电信号）B.转换元件：将敏感元件输出的非电信号转换成所需的电信号。4. 分类：A.按原理分类：物理传感器和化学传感器B.按敏感材料不同：半导体、陶瓷、石英、金属、有
3、机材料。C.按被测量分类：力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量。5. 主要内容:包括力敏传感材料、热敏、光敏、磁敏、气敏、温敏、压敏、湿敏、生物敏感力敏传感材料：在外力作用下，电学性质发生明显变化的材料。主要分为金属应变材料和半导体压阻材料。A.金属应变材料：金属的电阻随外界机械力的作用而发生变化B.半导体压阻材料：半导体的压阻远大于金属，因为其电阻变化不仅来自于与应力有关的几何形变也来自于材料本身电阻与应力有关。）热敏传感器：对温度变化而具有响应的材料。主要是半导体热敏电阻：PTC(掺杂的钛酸钡半导体陶瓷)NTC(过渡金属铁、钴、锰、镍氧化物半导体陶瓷)CTR（剧变型热敏电阻：具有负温
4、度系数，并在某一温度，电阻发生急剧变化）（氧化钒及掺杂半导体陶瓷）光敏传感器：在光照下会因为各种效应产生光生载流子。（锗，CdS,CdTe）磁敏传感器：在磁敏传感器中，霍尔元件及霍尔传感器用量最大。（N型半导体） 磁敏电阻材料是利用磁性各向异性的磁敏材料（磁场与电流方向平行时，电阻最大，垂直时，最小） 磁阻材料：材料的电阻随外加磁场的改变而发生显著性的变化。（霍尔效应）巨磁阻效应及巨磁阻在磁头方面的应用画图：6.压电材料：常见两类：压电单晶体材料和多晶体压电陶瓷压电单晶材料：石英、水溶性压电体多晶压电陶瓷：钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷7.压电效应：正压电效应：压电材料在
5、收到某一方向的外力作用后，发生形变，同时内部产生极化现象，当外力撤除后，它又重新恢复到不带电的情况。逆压电效应：在某些材料计划方向上施加电场，这些材料在这一方向上产生机械形变或机械应力，当外电场撤销后，这些形变或应力也随之消失。8.磁电式传感器：利用电磁感应原理将被测信号转换为电信号(1).磁电感应式传感器：利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势 恒磁通式：线圈切割磁力线 变磁通式：转速传感器，产生感应电动势的频率作为输出，电动势的频率取决于磁通变化的频率(2)磁栅式传感器：利用磁栅和磁头相互磁作用进行测量的位移传感器。（电磁感应原理）A. 磁栅：在不导磁材料镀上一层薄薄的磁膜，
6、并录上间距相等，极性正负交错的磁性号栅条制成。B. 磁头：可以分为静态磁头和动态磁头静态磁头：（磁通响应式磁头）磁头与磁栅间没有相对运动也有信号输出，有两个绕组。动态磁头：（速度响应磁头）磁头与磁栅间有相对运动才能输出信号，有一个绕组。由周期性电流判断走过多好磁极。9.传感器特性A.静态特性：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、重复性、分辨率(1)线性度：用相对误差表示(2)迟滞：传感器在正反行程期间输入、输出曲线不重合的现象(3)重复性：传感器输入量按同一方向作多次测量时，输出特性不一致的程度。(4)灵敏度：在稳定条件下输出微小增量与输入微笑增量的比值(5)分辨率：用来表示仪器装置能够检测被测量最
7、小变化的能力，以最小量程的值来表示B.动态特性：当输入量随时间变化时，如加速度、震动等。动态特性和静态特性的区别：动态特性中输出量与输入量的关系不是一个定值而是时间的函数，它随输入信号的变化而改变。10.对传感器性能的要求(1)工作范围或量程应该足够大，具有一定的过载能力(2)与检测系统匹配性好，转换灵敏的高(3)精度适当，稳定性高(4)反应速度快，工作可靠性高(5)适应性和适用性强三 信息传输材料1. 通信电缆材料(1) 双绞线材料：双绞线由两根互相绝缘的铜线以均匀对称的方式扭绞在一起作为一条通信链路，以减小附近导线的电气干扰。(2) 同轴电缆材料：以硬铜线为芯，外面包裹一层绝缘材料，该绝缘
8、材料用密织的网状导体环绕，网层外面再覆盖一层保护材料。优点：高带宽，极好的噪声抑制2. 光纤通信材料(1) 光纤的结构：纤芯：折射率较高，用来传送光包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射保护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤(2) 光纤通信的优点A. 传输频带宽，通信容量大B. 传输损耗小C. 抗电磁干扰强D. 线径细、质量轻E. 资源丰富(3) 多模光纤：在芯径大或数值孔径大的光纤的数值孔径内，允许多个具有不同入射角的光纤进入光纤传播。(4) 单模光纤：当光纤孔径很小或数值孔径很小时，光纤只允许与光纤轴一致的光纤进入光纤传播3. 微波传输材料平行双线：微波低频段矩形波导：微波高频信号圆波导
9、：微波高频信号同轴线：微波高频信号带状线和微带天线：微波无线通信四 信息存储材料1. 信息存储材料：用于各种存储器的一些能够用来记录和储存信息的材料。这类材料在一定的强外场（如光、电、磁或热等）作用下发生从某一种状态到另一种状态的突变，并能将变化前后的状态保持较长的时间。2. 磁记录的基本过程：记录信号时，录音磁头线圈上产生一个信号电流，该电流将电磁铁磁化，在气隙处产生溢出磁场。当磁带转动离开气隙后，磁化部分残留剩磁，该剩磁即为记录信号。放音时，从介质表面发散的磁通将进入放音磁头磁芯，从而在磁头线圈产生感应电压，电压正比于磁通的变化率。虽然线圈中的感应电压不可能是记录信号的精确重复，但是经过适
10、当的电路处理以后就能重现记录信号。存放过程中，不允许外加的杂散磁场超过用于记录的磁场强度，否则磁带中所记录的信息将出现错误。抹音时，抹音磁头可以产生一个大于记录磁场强度的磁场，就可以抹除原先记录的信息，抹除后，记录介质又可以准备记录新的信息。磁记录材料的优缺点：可以方便地进行数据的存储和读取工作，可擦写，可反复利用，但是会出现退磁消磁等现象使信息丢失。3. 两种磁化模式：水平磁化模式、垂直磁化模式A. 纵向磁化模式：磁化方向与记录介质的运动方向平行的记录方式。如硬盘、软盘、磁带等。提高其存储密度的方式主要是提高矫顽力和采用薄的存储膜层。B. 垂直磁化模式：磁化方向和记录介质的平面相垂直的记录方
11、式。它可彻底消除纵向磁记录方式随记录单元缩小所产生的退磁场增大的效应，因而更有利于记录密度的提高。同时对薄膜厚度和矫顽力的要求可更宽松。但其对信号的读出效率较差，要求磁头必须距记录介质面很近。4. 磁头A. 磁头：能对磁介质进行信息记录、再生及读取功能的器件采用磁头与磁记录介质相组合的形式，通过磁头间隙产生漏磁通使磁性膜磁化。高密度存储材料的要求：磁头：高磁通密度-对记录介质进行有效磁化 高磁导率-有效地再生信号磁记录介质：高剩磁再生时获得足够大的输出 高矫顽力保持相对稳定的磁化状态，矩形比为1。B.磁头的种类：(作图)磁阻磁头：磁阻磁头主要采用Ni（Co，Fe）系列的铁磁合金材料，其主要特点
12、当电流与磁场平行和垂直时其电阻率有较明显的变化。C.电磁感应式磁头和GMR磁头电磁感应磁头工作原理：输入信号磁头线圈铁芯+磁头间隙记录信息记录信息铁芯+磁头间隙磁头线圈再生信号磁电阻磁头工作原理：早期硬盘的传统磁头是电磁感应式磁头，它们是读写合一的，由于硬盘读、写操作的不同，这种二合一磁头就必须要同时兼顾到读写两种能力，对硬盘的设计造成了一定的不便。此后硬盘就开始采用了MR磁头，这种分离式的磁头结构是这样的：在写入磁头部分仍采用磁感应磁头，而MR磁头则作为读取磁头之用，这样便可以得到更好的读写性能，使读性能得以提高。磁阻磁头是基于磁致电阻效应工作的，核心是一片金属材料，其电阻随周围磁场的变化而
13、变化。磁阻元件连着一个放大电路，它可以测出微小的电阻变化。所以先进的MR技术可以提高记录密度来记录数据，这样增加了单碟容量即是提高了硬盘的最高容量，也提高了数据传输率。然而随着单碟容量的不断增加，普通的MR磁头也走到了极限，于是1998年IBM首次在硬盘中使用了另一种采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头(Giant Magnetoresistive heads)，也称巨型磁阻磁头，这种磁头比MR磁头对微弱信号更加敏感，灵敏度是MR磁头的4倍，因此它能感应更加细微的磁场信号。采用GMR磁头可以在相同的盘面做更多的磁轨，当然就会有更大的容量D.磁头材料合金磁头材料：含钼坡莫合金和仙台斯
14、特合金铁氧体磁头材料：镍锌铁氧体和锰锌铁氧体非晶态磁头材料：Co-Fe-B微晶薄膜磁头材料：Fe-Ta-C等多层膜磁头材料：Fe-C/Ni-Fe磁电阻磁头材料：坡莫合金5. 磁记录介质及介质材料磁记录材料先后经历了氧化物磁粉、金属合金磁粉、金属薄膜三个阶段A. 性能要求：高出力，高记录密度，低噪声，高可靠性B. 记录介质应具备的条件： 饱和磁通密度、矩形比大、矫顽力在磁头允许的范围内尽可能大、作为磁化反转的单位体积尽可能小，大小分布均匀、磁学特性分布均匀，随机偏差小、表面光滑，耐磨损，耐环境性好、磁学特性对于加压加热不敏感、化学的，机械的耐久性优良、不容易导电C.颗粒涂布介质型记录介质：将磁粉
15、、非磁性胶粘剂和少量添加剂等形成的均匀磁性浆料涂布于聚酯薄膜上制成。对颗粒介质的要求：(1) 颗粒状介质最好是单畴的(2) 颗粒的形状以针状为最佳(3) 颗粒状介质信噪比与成正比(N为单位体积内磁性颗粒数)(4) 样品开关场尽可能分布窄(5) 矫顽力在磁头的允许的情况下足够高(6) 居里温度必须比记录介质材料在使用、存贮和输运过程中的环境温度高颗粒状涂布介质的结构涂布型磁带主要由带基和附着其上的磁性涂覆层构成(作图)涂布型磁盘结构：常用磁盘分硬盘和软盘两大类：硬盘是在厚度为1-2nm的铝合金盘基上附着磁记录层软盘是在可挠性PET(聚对苯二甲酸类)盘基上附着磁记录层磁性粉：-Fe2O3、包覆Co的Fe2O3、二氧化铬、金属磁粉、氮化铁、钡铁
