（无线电物理专业论文）复合结构丝的巨磁阻抗效应研究.pdf

摘要 巨磁阻抗( g m i ) 效应是指铁磁材料的交流阻抗在外加直流磁场的作用下会 发生显著变化的现象。这种效应具有灵敏度高、响应快等优点，在磁记录和磁传 感器上有着广泛的应用前景。对于匀质的铁磁薄膜、薄带和丝的g m i 效应可以 从经典的趋肤效应理论得到很好的解释。近年来，在由中间为导电层两边为铁磁 层组成的三明治薄膜和类似结构的复合结构丝中也观察到明显的g m i 效应，与 由同样铁磁材料组成的单层膜和匀质丝相比，g m i 效应表现出两个明显的特点， 一是g m i 效应显著增强，另外在比较低的频率下就可以观察到明显的m i 变化。 一些人基于上述现象提出，在复合结构材料中趋肤效应很弱，它已经不再是复合 结构材料中引起g m i 效应的主要原因。多年来，虽然复合结构材料的g m i 效应 在实验上取得了很大的进展，但至今为止仍然没有在理论上给出一个正确的解 释。本文选取复合结构丝为研究对象，重点讨论了复合结构丝中层与层之间的电 磁相互作用和趋肤效应及其与g 1 呱效应之间的关系，尝试分别从理论上和实验 上正确认识复合结构材料中产生g m i 效应的物理机制。本文研究内容主要包括 以下几个方面： 1 用m a x 、粑l l 电磁方程组建立了复合结构丝g m i 效应理论模型，模型中假定 复合结构丝铁磁层的各向异性等效场为任意方向，并同时考虑低频时畴壁移 动和较高频率时的磁矩转动对磁导率的贡献，使建立的理论模型更具普遍和 实际意义。新建模型数值模拟结果与公开发表的实验结果吻合，验证了该模 型的正确性和有效性。 2 利用上述模型对c u f e c o n i 复合结构丝和f e c o n i 匀质铁磁丝在不同频率时 的电流密度分布及其g m i 效应进行了数值模拟，发现复合结构丝不同层间 存在很强的电磁相互作用，使得与同样条件下的匀质铁磁丝相比，复合结构 丝铁磁层内的电流不但明显随频率的增大更快趋向于表面分布，而且趋肤效 应开始明显时对应的频率大为降低。当在比较低的频率下观察到明显的m i 变化时，复合结构丝中的电阻和电抗变化仍然是由趋肤效应引起。 3 利用化学镀在c u 丝上沉积一层厚度为3 5p m 的c o n i p 铁磁包裹层制备了 c “c o n i p 复合结构丝，实验研究了复合结构丝的g m i 效应和不同c u 直径 对层间的电磁相互作用及铁磁层内趋肤效应的影响，结果表明： f 1 1 相比匀质铁磁丝的g m i 效应，复合结构丝中的g m i 效应显著增强，并 且开始观察到明显的m i 变化时对应的频率明显降低。 ( 2 1c u 丝的直径不同，会引起不同的层间电磁相互作用，直径越大，复合结 构艇内的电磁相互作爝越强，使褥在c o n i p 瑟内衣更低的鞭率露藏开始 窭魏骥显懿趋胺效斑。 4 逡欷直径均为9 0 社m 静a g ，c t l ，a u 酾戳丝，零j 矮纯学镀在不弱金菇丝努 嚣沉积一瑟淳袋均搀3 s # 黻兹c o n i p 铁磁器l 利鍪残c 羚彰e o n 娃x c 辨a 罄e 强 a u ，p t ) 复合结构篓。磷究了c 醚，e o n i p 复含结梭熊孛不溺导毫慧对复合绫构 丝g m l 效应，电磁援互童# 题粒趋默效应骢影响，发现c m 妃o n i p 复合结构 丝中阗器嘏芯瓣滚导零越大，蔗阕电磁裙蓬捧粥越强，c 椒浮铁滋层内开始 出现璎烂趋默效应对废的频率越低，樱应在更低的频豢时就可以观察到明显 豹e 默l 效应。 5 。在频率舞予2 心z 左右时，复合结构热中的敷溅烬主骚从铁磁屡内流过，层 润电磁籀强终建交褥替鬻徽弱，笈台缀橡丝鲍g m l 效应类似子匀质c o n i p 铁磁丝。 上述实验结果和本文提出的g m i 效成理论模拟结果致，研究表明趋肤效 应仍然是复合结构材料中弓i 超f g m i 效应的主爱原因。 关键谴：匿磁阻抗( g m i ) 效疵，复合结构数，毫流密度，惫磁翱互作蠲，趋获 效应 l l a b s t r a c t t h eg i a mm a g n e t o i m p e d 越c e ( g m i ) e 虢c ti sap h e n o m e n o nm a tm e r e 、v i l lb ea g i a n tc h a n g eo ft h ei i i l p e d a n c eo f af c r r o m a g n e t i cm a t e r i a lw h e ni ti ss u b j e c t e dt oa 1 1 e x t e m a lm a g n e t i cf i e l d t h ep h e n o m e n o nh a s 撇a c t e da 伊e a td e a lo f i n t e r e s tb e c a u s e o fi t sp m s p e c t i v ea p p l i c a t i o n si nm a g n e t i cr e c o r d i n gh e a d sa n ds e n s o re l e m e m s f o r u n i f o mf e r r o m a g n 鲥c ：e l l m ，r i b b o no rw i r e ，t l l eg m ie 位c tm a yb ee x p l a i n e dw e i l u s i n gs l ( i ne 日e c t b r ea c t i v er e s e a r c h e sr e c e n t l yh a v eb e e nd o n eo nt h eg m ie 丘b c t i ns a i l d 丽c hf i l m sa i l dc o m p o s i t ew i r c s ，c o n s i s t i n go fa no u t e rf e r r o m a g n e t i cc o a t i n g a n dan o m a g n e t i ci 1 1 士1 e rc o r ew i mh i 曲c o n d u c t i v i t yc o m p a r e d 谢廿lt h eh o m o g e n o u s f e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l s ，t h eg m ie 摄b c to fs u c hc o m p o s i t es t r u c t l l r em a t e r i a l s c h a r a c t e r i z e st v v oe v i d e n ta s p e c t s 0 n ei st h e 伊e a te n h a i l c e m e n to f t h eg m ir a t i o ，m e o t h e ri sm a tg m ie 虢c tc a i lb eo b s e r v e da tm u c hl o w e r 丘e q u e n c y t h u s ，s o m e r e s e a r c h e r sp o i m e do mm a tt 圭l es k i ne f f 色c ti sw e a ka n dw o u l dn o tb ee s s e n t 诫f o r g m ie f r e c ti nt h ec o m p o s i t es 劬c t u r em a t e r i a l s h o w e v e r ，u pt on o w ，t l l i sp m b l e m s t i l lr e m a i n sn o ts 姗c i e m l yu n d c r s t o o da l t l l o u g hg r e a ta c h j e v e m e n t sh a v e b e e nm a ：d e o nt h eg 虹e 恐c to f c o m p o s i t es t m c t 啊e si ne x p e r i m e n 诅1 i n 协i sd i s s e r t a t i o n ，也eg m ie f r e c ti nc o m p o s i t ew i r e sh a sb e e ni r l v e s t i g a t e db o t l l i nt h e o r e t i c a l l ya r l di ne x p e r i m e n t a l l y e s p e c i a l l y ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r a c t i o n sa 工1 d s h ne f r e c t ，w m c ht i g h t l yr e l a t e d 诵mm eg m ie f r e c ti n c o m p o s i t ew i r e sw e r e d i s c u s s e di nd e t a i l t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so f s e v e r a lp a r t sa sf 0 1 l o w s 1 u s i n g m a x w e l l se q u 撕o n s ，廿1 eg m ie 圩e c tm o d e lo fc o m p o s i t e 谢r e sw a ss e t u p i n 血ef o u n d a t i o no ft h em o d e l ，t h ep e m e a b i l i t yi nt 1 1 em a g n e t i cc o a t i n g 、i t l l h e l i c a lm 姆1 e t i ca n i s o t r o p yo fc o m p o s i t ew i r e sh a sb e e nc a l c u l a t e d i nm e c a l c u l a t i o n ， b o mt h ec o n t r i b u t i o n s仔o md o m a i nw a l l d i s p l a c e m e n t a i l d m a g l l e t i z a t i o nr o t a t i o nh a v eb e e nc o n s i d e r e d ，w h j c hm a k e st h em o d e lb em o r e r e a s o n a b l ef o rt h er e a lm a t e r i a l s s i m u l a t e dr e s m t s a g r e e d w e l l 、i 恤1 王l e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sh a v e b e e n r e p o r t e d i n m a n yp r e v i o u sl i t c r a t u r e s ， d e m o n s t r a t i n g 也ev a l i do f “sg m im o d e l 2 t h r o u g ht h es i m u l a t i o n so fc u r r e md e n s i t yd i s t r i b u t i o n st o g e m e rw i m 也eg m i e 船c ti nc l l f e c o n ic o m p o s i t ew i r e sa 1 1 df e c o n i h o m o g e n e o u sm a g n c t i c 谢r e s ， i tc a nb ec o n f i r m e dt h a tt h ec u r r e n td i s t r i b u t e sm u c hc l o s e rt om es u r f h c ef o rt h e c o m p o s i t e 谢r c st h a nm a to fh o m o g e n o u sf b r r o m a g n e t i c 谢r e sa tm es 锄e 丘e q u e n c y1 1 1 1 d e rs 锄eg e o m e 订i cs i z ea n dm a g n e t i cs t m c t l l r e as t r o n gs k i ne 仃e c t i i i h a s b e c na l r e a d yo c c u r r e di ni t sf e r r o m a g n e t i cc o a t i n gw h e n a i lo b v i o u sm ie 腩c t i so b s e r v e d 遮啦ec o m p o s i t ew i r e s ， 3 i n 也ee x 口蹦m e n 协l ，血eg m le & c t - mc l l c o n i pc o m p o s i t ew i r e si sd r 锄a t i c a i l y e n h a n e e dt h a n 糠c 。_ n i f e s i bm i c r o 蛾r e s 谢t 量ls i 碰l a rg e o m e t r i cs i z e 姐d m a 蛆e t i cs t n l c t u r e i na d d i t i o n ，t h e 雠q u e n c ya tw l l i c ht l l em a ) 【i m u mm l r a t i o 邳p 髑辖di nc 锄1 p o s i 耙姒r e s i sm u c hl o w e rt h a nt h a to ft h ec o n i f c s i b m i c r o w i r e 。 4 w i mt h ei n 姥e a s i n 望 o fi n n e rc o n d u c t o fd i a m e t e r a n dc o n d u c t i v i t y ，龇 e l e m d m a g n e t i ci n 协r a c t i o n si c o m p o s i t e 谢sb e c o m cs 昀n g e r ，a sar e s 诫也e s 妊ne 彘c to c c u r sa tb w c r 蠹e q u e n c y a n dm ie 如c tc a nb e0 b s e e da tl a w e r 自。q u e n c y 嚣sw e l l 。 5 a tf 沁q u e n c i e sh i g h 髓t h a na b o u t2m h z ，a l m o s ta l lt h ec u n e n tf l o w st h r o u g h _ c h e c o n i pc o a t i n gi nt h ec o m p o s i t e 谢r ca i l d 斑ei n n e rc o n d u c t 溅p l a y sn or o l e ，也e n t h em ib e h a v i o rk c o m e se s s e 埘a l l yt l l es a m ea sm a ti nh o m o g e n e o u sm a t e n a l s 一 硝lt h ee x p 甜m e 删r e s u l t sa g r e ew c l lw i 也m es i m u l a t e dr e s u l t 8o b t a i n “b y 荫l i 纛靛g 磕eg 醚lm 。& lp r e s 黼蚤e di 珏氇e 瑾s s e 筑瘫雠薹td 。m o 建s 溉把s 攮蠢耄蕊n 。娩c t i ss t i l la ne s s e n t i a lf a c t o ro f0 m i e f f 醯ti nc o m p o s i t es t r u c t u r e s k e yw o r d s ：g i 觚tm a g n e t o i m p e d a n c e m i ) e 骶c t c o m p o s i t ew i r e s ，c u r r e n t 如毽s i 壤e l 锻 m 舔辩t i ci 珏蝴浩e 蛀o n s ，s 甄ne f 艳c t i v 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者张弛 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：方1 氐彳 导师签名： 腚电氏 日期：臣! ：! ：日期： 璺6 ： ! ：，j l 。l 弓l 富 第一章绪论 近年慕，磁毫孑学痒菇门瑟兴交叉学褥雩l 起了久餐瓣广泛关注著获褥逐速 发展，它主要是研究材料的电子输运特性并用来研制各种电子器件。由于巨大的 毒圭会翻裔攮伶篷，辩磁毫予学懿磅究孛最黧要戆毒舞究领装之一集中在磁记袋菝零 上，包括程磁记录媒质上进行信息的存储和读取。1 9 8 8 年，b a i b i c h 在f e c r 多 层貘孛发臻在麓磁场帮不撵磁场添耱状态下毫辍率静稳瓣变纯在室滠瓣为2 5 ，而在低温( 4 2k ) 时高达1 1 0 ，从而发现巨磁电阻( g i a n tm a g n e t o r e s i 8 t a n c e ， 篱称g 醚r ) 效应【l 】，圭魏孳l 发了对g m r 楗籽的开发蟊该效应穆璞起添载磅究热 潮。随后在1 9 9 4 年，j i n 等人发现在乙a a l o ，单晶基片上外延生长的l a l _ x c a x l m 由1 x 薄膜，在滋度7 7k ，磁场必6 0 瑟执嚣荬磁毫疆交纯蔻 。2 7 1 0 5 ，这裁是瘫磁 电阻( c o l o s s a lm a 删e t o r e s i s t a n c e ，简称c m r ) 效应【；2 】oo m r 效与翻旋电予的散射 有关。g 凇蕊发壤不仅强皇族毫子学懿发曩奠定了基硝，嚣量为诗篝投磁盘系 统的读取技术注入了新的活力，在磁传感器、磁蚀随机存储器等领域也有广泛的 应耀翻。 然面，g m r 效应在应用上也述有很多技术阆题有德遴一步解决，目前在实 际中得到应用的大多仅限予g m r 并不十分显著的金属多层膜材料，而鼠大部分 材料在室瀑下无m r 效应或者很弱f 4 】。此钋，c 舭r 材料只商在较大的外加磁场( 通 常骚达到l t 以上) 进才会出现较大的电阻变化，所醴实际上g m r 用于传感器上 的灵敏度并不高，限制了它们在微弱磁场检测方蕊的应用。两近年来发展起来的， 作为新一类的磁传感效应巨磁阻抗 a n tm a 弘e t o i m p e d a n c e ，简称g m i ) 效应由 于灵敏度赢( 可以比多层膜中的g m r 效敷高一个数量级) ，并在窳温下就可以对 微弱磁场响应和无磁滞等特点，成为研究磁电子输运现象的又一个新的分支1 5 l ， 引起了各阑学者的广泛关注并已在基础磷究和实际应用中取得了进展。 1 2 巨磁阻抗( g m i ) 效应简介及其应用 1 2 1g m i 效应简介 g 1 m 效应是指磁性材料的交流阻抗在外加离流磁场盼作用下会发生显著变 化媳理象。1 9 9 2 年尽本名吉屋大学k 。魏莲。越等人在j # 鑫c o f e s i b 会龛 # 晶丝 发现交流感抗随着外加直流磁场的增加丽急剧下降，在外加直流磁场为4k a 恤 对，溪量戆棼晶丝巍壤豹感瘛毫压纯变纯农频率为户l o 妊经对窝达9 0 ，在 产1 0 0m z 时变化为8 0 ，如图l l ( a ) 所示，在他们使用的测量电路中( 图l * 1 ( b ) ) 鼹祭剿载其实是磁敷感效疲i 羽。 图1 1 ( a ) f e c o s i b 非晶熊的ie j 利随外磁场的变化曲线 ( 磅惑寂电压乱鞠磁逶量蟊舔kd t ) 躲溺量彀路 爱寒熬蟥究表明，铁磁嚣鑫台众熬交滚宅疆瞧会菠蛰熬壹滚磁场熬交豫发生 明照的变化，它岛通常所说的磁阻( m r ) 效应不同，被称为交流磁阻( a c 氆a g 。r e s i s 溆l c e ) 效瘦。1 9 9 4 年跫疆靛m 鑫c 珏蠢。等入在e 铆。4 4 6 辍| 5 b l 。 曩铁 磁薄带中观察到了这种交流g m r 效应，如图1 2 所示。程交变驱动电流频率为 9 7 7 3 疆z ，终热蠢浚磁场必2 。4o e 瓣，薄案豹交浚电阻交纯达到2 7 川。 黼l 之- 酗6 虢5 骞l 。静交流磁疆效应，a ，b ，c 菡线瓣痘斡簇事 分别为9 7 7 ，5 0 7 7 和9 7 7 3k h z p a l l i n a 等人在综合考虑了磁感应效应和交流磁阻效应后，认为这是同一物理 效痰魏不强方霆，莠把这耱当磁瞧糖犋逶以交变毙滚酵，褒乡 磁场作用下交滚阻 抗会发生戥著变化的现象命名为g m i 效戚【8 1 。 2 凝初，对g m i 效应研究得最多斡是具有霉或受磁致伸缩系数静c o 基菲潞态 软磁合金，随后发展浏以f i n e m e t 台金为代表的f e 基纳米晶材料【9 】。材料的结 构形态也由纲丝发展掰薄带、薄膜、耪体、城璃包裹丝、三明治薄膜( 或多鼷膜) 和复合结构丝。不同结构的( 抒以i 材料制备方法有所不同，制备非晶丝采用旋转 东冷纺丝法l 潮，将熔融静台金经过注入高速旋转环形室酶冷帮承霹遴行热交换后 迅速冷却，形成非晶丝，制取的非晶丝直径约在1 0 0 1 5 0 “m 之间，通过冷披技 术霹佼壹径交绥尧2 5 3 0 黼豹菲燕丝。薄鬻一羧采耀荤辊惫冷淬敬法翎备，熔 融的合金通过高速旋转的圆擞甩出形成薄带。转盘一般用c u 制成，作为热的良 导体，它虿潋对遥誉瓣合金产生高遮 矿 臻虢冷舔速度，露l 取豹薄带浮魔凳a 十u m ，宽度可达几十m m 。而粉体的制备则是通过对采用单辊快淬法喷制的薄 蒂系过破碎铡褥。翔魏y l o 硼 琵o v s 玲明方法涮各豹玻璃惫装缀丝，癌部菇一藏 柱形盒属芯，外面包覆一层玻璃。把装有铁撼合金的p y r e x 玻璃经嵩频感应线圈 蠢曩热，熔融鹣铁基台金软纯玻璃焉镀蘑拉穗，经永或漕冷帮螽绕谯转盘羔。玻 璃包裹丝的巍径与合金的加热温度和拉引速度有关，中间圆柱形芯的直径一般为 0p m ，玻璃罄厚凌在l l o 薛m 之闼。弱蠲磁控溅瓣法裁餐铁基瑟鑫薄溪跨， 要求合金在蕊底上的沉积速率足够大( 达o 1n l ，s 量级) ，同时对基底进行冷却。 溅袈法翻蚤戆单层薄貘一般不超过5 湃娃，褒溅袈过程中，鬟要尽爨确保薄貘戎 分和厚度的均匀性。此外，结合掩模技术还可以方便制备三明治复合薄剧拉】。复 合结橡丝主瑟逶过在 铁磁瞧金嚣丝努瑟裂雳电镀粒纯学镀沉积一层铁磁薄貘 来制得。 在非晶鑫属丝、薄带、单层薄膜和玻璃包裹丝中，金属材料全部为同一种铁 磁性材料，它们的电性能均匀，赦可拣为匀矮材料。褥三明治薄膜是出中阗必一 高电导率的j 铁磁佼层，两边为铁磁层组成三层薄膜，复合结构丝怒由高电导率 的j 铁磁性缨丝外磁包裹一朦铁磁李才料组成。三明治薄膜( 绒多层膜) 和复合结构 丝中不同层众属具裔不同的电导率和磁性能，我们把这种结构称为复合结构材 料。 1 2 2g m i 效应的应用 g m i 效应器件的突出优点是高晨敏度、响应快、体积小，它相比道常的霍尔 效瘦稻磁毫隧器 睾熬磁场灵敬度要鬻尼令量缀，磁通诗虽然奁灵敏度方霞爵淤与 之相比，但幽于退磁场因索，其尺寸要大近十倍。目前还没有实例报导g m i 器 串毽嚣在磁避录头上，大薰疲焉仍在毯传感嚣方嚣，镶妇嚣本醚。囊纛裁残举了一 百多个应用课题【1 3 】，但真正被市场承认接受的为数甚少。g m l 效殿的得用与其 它新技术样，从基础研究到应用摊广，必定要缀历一个发展过程。这里将选择 若于典型殿周例子作一分绍。 1 微磁罗盘 图1 3 显示了日本a i 吐is t e e l 公司开发的一耱盛用于微磁罗盘豹e m o sm 传感器渊。该电路包括一个多谐壤荡器、靥予棱波的电子弹获帮放大输漱等部 分，敏感材料是选用2 “肌长的非黼丝，丝上绕肖负反馈线圈，以提高器件的线 性和响应速度。微磁罗盘的满标度为3o e ，邋成的温度范嘲为一4 0 。c 到+ 8 5 。c ，哥翔予汽车霸手狡鲁蠢。 2 。汽车用健感器 乒 菸 ( a )c o m sm i 传感器电路图 硅l 皿j盎盈l矗辩tn 2 靠毒 麟嗡尊醯k ，揖曼h 秭辩 ( b )撇传感器的探测特性 匿l oc m o s m l 传感器 由于g m i 效应具有灵敏度高、无磁滞和响成快等特点，在发现后不久就很 快被应用予磁性传感器领域。根据该效应制成的传感器不但舆有g m i 效臌本身 嚣特点，瓣显嚣 孛熬魏耗夸，稳定瞧好。表1 1 绘窭了尼秘不阉类銎磁簧懑器豹 性能参数比较1 1 4 】。 4 巨磁阻巨磁阻抗磁通计 磁敏器件霍尔h a u磁电阻m r g m rg m if g s 材料 i n s b 、g a a sn i f e 、f e c o多层膜丝、膜、带f e n i 灵敏度 0 1 o e 一11 o e 11 0 一1 0 0 o e l l 探测磁场 o 5 2 0k o e0 5 2 0 00 1 5 0l o 一11 0 t l ( o e ) 频率响应 o 一5 如 z0 1 0 m h zo 1 0 m h zo 一1 0 m o 1 0k h z 探头尺寸 0 1 o 0 1 0 1 0 0 1 o 1o 1 23 2 0 ( m m ) 表1 1 几种不同类型磁传感器的性能参数比较 从表中可以看出，在给出的磁传感器中，g m i 传感器具有明显的优势，是惟 一同时满足器件微型化、灵敏度高、响应快和功耗低等要求的磁传感器，并可采 用交流调制、解调、滤波等功能。目前，利用g m i 效应制成的传感器已经在磁 编码器、脑组织磁定位系统、钢板针孔探伤、电子罗盘、医疗检测和车流量检测 等方面得到应用，并将在更多的领域里发挥更大的作用。对于g m i 传感器，根 据不同的电路和磁路的设计要求，可以给g m i 材料形成不同的磁结构，以获得 最佳灵敏度和线性的组合。电路包括一个灵敏而稳定的自激振荡器、滤波器、放 大器和成形电路【1 ”。 利用上述g m i 磁敏元件研制成了几种汽车用的传感器，用于测速、点火和 防抱死系统a b s 等。图1 4 是汽车a b s 系统使用的速度传感器，具有如下特点： ( 1 ) 输出信号幅度不随转速变化：( 2 ) 灵敏度高：磁场相对灵敏度1 0v “血。) ， 检测距离达2i 衄：( 3 ) 频率响应快( o 4k h z ) ；( 4 ) 热稳定性好，可以在一4 0o c 一十1 5 0o c 下使用。 图1 4 利用纳米晶研制的g m i 汽车防抱死传感器 嗣用a m i 效威不仅可设计用于上述例子中的电压幅度输出登，也可聚用比 较瞧路，将输出信号调制成频率辕如，如图1 5 所示。图电磁敏元件和可调电阻 一怒构成谐振电路拉钟，然盾裥甭磁较器将酝压橱翎成频率输出，频率随外糯磁场 的变化有一定的线性区域，其测量范围和灵敏度可用不阐应力邋火样品进行调 节。 3 生街磁传感器 图l - 5 调频调制m i 传感器电路 生餐榉瀑逶零没有磁躲篱录，继逶遥磁镞球复合后哥掰磁灞爨靛方法测定各 种分子水平的谱。这种检测方法相比光和电化学方法要简便和花赞少。为了提高 溅爨灵霰菠耪可靠毪，龙菸裣溅小浓度黪爱耪分予( 兹辩醴，一释程璎g 礤 效应的磁传感器已经提出i ：”】。图1 6 为g m i 磁敏生物传感器工作原理示意图， 该传感器用玻璃毽裹丝，g 硪哭敏度套l em 差z 翡达2 5 雠a 趱1 ) ，最大分辨 率可达1 0 耐( a m 1 ) 。 图1 撕g l v i i 磁敏生物传藤器工作原理示意图 4 磁测量数毅方法【1 9 1 由于交流阻抗及阻抗变化涉及到材料的磁各向异性场、磁致伸缩、材料磁化 过程等，因魏研究g m 效应，就可馘研究潦些磁往参数对外磁场的依赖关系及 频率特性，这是一种新型的磁测量方法。例对于具有横向磁结构的样品，g m i 魏线麴峰位瓣应静磁场与各淘异往场强c 辐逛。对样晶施翔斑力逯火时，不仅改 变其饱和磁致伸缩系数k ，也可以改变k ，分别满足 磊= 五) 一榭 日 = d 疗z + 6 盯+ c 【l 1 ) 式中，危珥魏c 是常数。五。和壕二者间的关系为 五：醴墼 4 3d 盯 ( 1 之) 这样对样品进幸亍系歹4 退火压，利用g m l 澳l 试得到讯和应力g 的关系，拟合 得到常数珥氟c ，则可以得到饱和磁致伸缩常数以及系数f ，利用这种方法得到 的结果与小魑磁化转动法接近。 研究磁性材料时，由于电感赢接与磁寻率相关，往往使用复数电感 三8 一- + 统”表象，代替复数阻抗z = z - + z ”表象， + ：卅：f 盟1 z ( 1 。3 ) l ， 式中0 ) 是角频率，后是几何因子，是序数单位。经过这样的变换后，磁导率 实部依赖于阻抗虚部，磁导攀虚部依赖于阻撬实部 1 钳。裂黑磁谱可以分辑样涵戆 磁化过程，也可以利用等效电路迸一步分析样品。图1 7 是我们利用t 匆l o r 方法 摹4 各的1 2 峭l 玻璃包裹丝奁5 7 00 c 瀑火豹磁谱兹线，可以器出这怒一个憨豫型 磁谱，弛豫频率可以从= 脚，2 或卢出现最大值时得到，实验证明弛豫频率就是 能够鼹察到磁阻抗明漫变纯鲍起始频率。 圈1 一纳米晶玻璃毡襄丝的磁谱曲线 1 3 匀质材料g m i 效应研究现状 1 3 1 概述 优良的软磁性能是观察到g m i 效应的一个非常重要的参数，c o 基非晶态软 磁合金和以f i n e m e t 合金为代表的f e 基纳米晶材料，还有f e n i 合金等均具有 良好的软磁性能，如高初始导率、低矫顽力、低磁滞损耗等。下面主要对c o 基 非晶合金匀质材料和以f i n e m e t 合金为代表的f e 基纳米晶合金匀质材料的 g m i 效应作一简单概述。 ( 一) c o 基非晶合金匀质材料的g m i 效应 由于c o 基非晶合金具有近零或负磁致伸缩系数，在非晶态时就有非常好的 软磁性能，对观察到明显的c 扑v i i 效应十分有利。g m i 效应的规律与材料内部的 磁结构有关，并在低频和高频时有很大区别。如用急冷方法制备的c o 基非晶丝， 受制备过程中的应力影响，在丝的外围部分会形成圆周方向的各向异性，中间部 分形成轴向各向异性的磁结构口0 】，如图1 - 8 所示。 图l 一8c o 基非晶丝的磁畴结构 一般认为，在低频时材料的交流磁化过程以畴壁移动为主，磁导率随外加直 流磁场的增加单调下降，所以g m i 变化也随磁场增加单调下降，而在高频时， 由于涡流阻尼，畴壁移动被抑制，这时的磁化过程将以磁矩转动为主，g m i 变 化随磁场增加先增大后减小，存在一个峰值。图1 9 显示了f e c o s i b 非晶丝在不 同频率时的电压随外磁场变化曲线。需要指出的是，上面提到的低频和高频并没 有确定的范围，它们与材料的几何尺寸和磁导率等有关，如图1 9 中3 0 哪的 f e c o s i b 非晶丝g m i 曲线从随外磁场增加单调下降过渡到开始呈单峰形状时对 应的频率约为1m h z ，但对于金属丝直径为9u m 的c 0 8 32 8 33 s b m n 76 玻璃包裹 丝，在频率升高到1 0m h z 之前，g m i 曲线随外磁场的增加均单调下降【2 ”，如图 1 1 0 所示。 勃 飞= 篙id l # 2 i g 蚴2 篮 蛏 i 。程 、一 i _ * 酷? 餐： - 未 图1 - 9f e c o s i b 非晶丝在不同频率时的电压随外磁场变化曲线 2 0 嚣 毯1 0 l i 十，鞠融j 毽一 型缓躺拶 h ( o e ) 图1 1 0 制各态c 嗡2 岛。3 s i 5 耍l 戤6 玻璃包囊丝的g m l 与， 磁场瓣关系莲线 利用退火处理米改善材料的软磁性耧感生出姆定方肉蛇各爨是性是提裹 g m i 效应的藏要手段。退火方式般有普邋电炉退火、磁场退火、应力退火和 电流遐火等，对材料进行退火处理可以释放材料内部部分威力，改蛰软磁| 黢越， 根据材料形状和磁致伸缩系数采用磁场退火、应力退火和电流退火还可以感生出 横向( 或圆周方向) 各囱异性，进一步提高g m l 效应。如金属芯直径必9 雌，玻 璃层厚度为5h m 的c 0 8 3 2 8 33 s b m n 76 玻璃包裹丝在1 0 0 。c 退火3 0m i n 后的 m i 变化比镱备态时明显增大，但退火温度过高会对g m l 效应不利，如国1 1 l 所示f 2 n 。 9 2 0 l e o 6 0 ；一j 图1 1 lc 0 8 32 8 3 3 s b m n 7 6 玻璃包凝丝的m i 比随外磁场的变化，( a ) ，制备态 ( 啦，l o o 退火3 0 m 洫，( c ) ，3 0 0 退火3 0 m 弛 磁场退火、应力退火和电流退火主要都是在使材料释放内部应力的同时感生 出所需要的备向异髋。应力邋火瞧是种常觅的用予改善稀释的磁结构进丽改善 其磁性能的筝段。对于饱和磁致伸缩系数冷- o 的材料，受到张应力的作用时会 使磁畴中的自发磁化强度矢蟹m 。灞着张应力的方向，压皮力将使它的m 。垂直 于压力的方向；对予k o 的材料，受到张威力的作用时会使m 。垂赢于张威力的 方向，而嚣陵力将使它酶溉平行予嚣力的方向l 瑙。电流退火是基予焦耳热效应， 有其独特的优点，可分为交流、直流和脉冲退火。大量实验结果表明，应力退火 和电流退火可戬鬣著改变材料的g m l 效应。蕊l - 1 2 茺应力遥火盖斡 c 0 6 8 1 5 f c 4 3 5 s i l 2 - 5 5 8 1 5 非晶丝的g m i 效应曲线。外加应力为4 0 0m p a ，退火电流 约为| o om a ，舞退火珀s 靛样黼g m i 虢线。当频率尧l ok ，5 0 靶帮l o ok h z 时，g m i 变化随外磁场增加均呈现单调下降趋势，在1 0 0k h z 时最大m i 变化约 力l o o 。当应力邋火时闻延长至2l n i n 对，l ok z 时祥箍酶g m l 益线形状未 发