（凝聚态物理专业论文）热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响.pdf

摘要 最近，对于非晶磁致伸缩材料在磁机械共振类型的电子商品监视系统中的 应用成为研究热点，具有广泛的市场应用前景。本文回顾和总结了电子商品监 视系统的发展历史和研究现状，并且制备了f e u c 0 1 1 8 2 n h 7 3 s i l 4 7 8 1 5 非晶条带， 经不同条件的退火处理，对其声磁性能进行了研究；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。本 文利用材料的磁致伸缩效应研究了磁机械共振增强型巨磁阻抗效应，并对其作 用机理及最佳阻抗增强条件进行了研究。论文的主要内容包括： 采用熔融快速淬火技术成功制备出了f e u c o l l s 拼i 4 7 3 s i l 4 7 8 1 5 非晶条带，经 不同条件退火处理以提高其响应性能，研究了退火条件对条带用于磁机械电子 监视系统时声磁性能的影响。结果表明退火温度在3 4 0 。c 时具有最大共振幅值； 磁场垂直于条带面以及施加压应力退火有利于增强条带的声磁性能；由于涡流 损耗增加材料厚度不利于提高其共振幅度；施加压应力退火使材料具有横向磁 结构，在纵向驱动磁场下，磁矩转动对磁化的贡献率会更好，相应的材料磁机械 共振效果更明显。 采用纵向驱动的方式测量t f e u c o x l 8 羽i 4 7 3 s i l 4 7 8 1 5 非晶条带的巨磁阻抗效 应，实验结果表明，当阻抗测量频率接近材料的机械共振频率时，材料受激发 产生由磁致伸缩效应引起的磁机械共振，并且在共振频率点附近其巨磁阻抗效 应得到极大的增强，材料的磁机械耦合越强，其最大阻抗比越大，最佳热处理 条件为3 4 0 0 c 横向磁场退火，其最高阻抗比可以达到1 5 3 2 。根据磁致伸缩材料 的磁机械耦合和共振现象可以很好的解释这种巨磁阻抗效应增强的方式。根据阻 抗测量可以进一步推算影响防盗标签性能的参数，以期获得性能优化的声磁标 签。 关键词：声磁标签，各向异性场，非晶带，磁机械共振，磁机械耦合，纵向 驱动巨磁阻抗效应 a b s t r a c t r e c e n t l y , al a r g ei n h e r eo fi n t e r e s th a sb e e nc o n c e n t r a t e do na m o r p h o u s m a t e r i a l s ，f o ri t st e c h n o l o g i c a la p p l i c a t i o n si na e o u s t o - m a g n e t i ee l e c t r o n i ca r t i c l e s u r v e i l l a n c e ( e a s ) s y s t e m , a n di l l u s t r a t eag o o dm a r k e tp r o s p e c t as u m m a r yo f r e s e a r c ho ne a ss y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s a m o r p h o u sf e 2 4 c o u r z n h t j s i l4 j 7 8 1 5r i b b o n sw e r ep r e p a r e d t h e n , t h e ya r ea n n e x e da td i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h e m a g n e t o - a c o u s t i cp r o p e r t i e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d 1 h eg i a n tm a g n e t oi m p e d 趾c e ( o m d e f f e c ti sa p h e n o m e n o nt h a tt h e r ew i l lb eag i a n tc h a n g eo f t h ei m p e d a n c eo fa f e r r o m a g n e t i cm a t e r i a lw h e ni t i ss u b j e c t e dt oa l le x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d 髓e p h e n o m e n o nh a sa t t r a c t 硝ag r e a td e a lo fi n t e r e s tb e c a u s eo fi t sp r o s p e c t i v e a 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 n t s 1 f 1 圮g e n h a n c e m e n t u t i l i z i n gt h em a g n e t o - m e c h a n i c a li w s o n a n c cw a si n v e s t i g a t e d 硼”a c t i o nm e c h a n i s m a n dt h eo p t i m a le n h a n c e m e n tc o n d i t i o n sw e r ea l s od i s c u s s e d t h em a i nr e s u l t sa r e l i s t e da sb e l o w t h ea m o r p h o u sf e 4 c o u 洲i 4 7 j s i l j 4 7 8 1 5r i b b o n su s e df o rm a g n e t o m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ca r t i c l es u r v e i l l a n c es y s t e mw e r ep r e p a r e ds u c c e s s f u l l y t h e n , t h e ya r e a n n e a l e da td i f f e r e n tc o n d i t i o n st o i m p r o v et h e i rr e s p o n s ep e r f o r m a n c e t h e i n f l u e n c eo fa n n e a l i n gc o n d i t i o no nt h er i b b o n sp e r f o r m a n c eh a sb e e ni n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h e s tr e s o n a n c ea m p l i t u d ei nt h er i b b o ni so b t a i n e d a n n e a l i n ga t3 4 0 0 c i ti sf a v o ro fi m p r o v i n ga c o u s t i cm a g n e t i cp r o p e r t i e so fr i b b o n s w h e nt h ea n n e a l i n gm a g n e t i cf i e l di sp e r p e n d i c u l a rt ot h er i b b o n ss u r f a c eo rt h e p r e s ss t r e s sw a su s e d i n c r e a s i n gr i b b o nt h i c k n e s si su n f a v o r a b l et oi m p r o v e r e s o d a n c e t h et r a n s v e r s em a g n e t i cs t r u c t u r e sw g r ep r o d u c e di nt h er i b b o nb y p r e s s u r es t r e s sa n n e a l i n g ，m a g n e t i cm o m e n tr o t a t i o ni sd o m i n a n ti nm a g n e t i z a t i o n p r o c e s s a n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s o n a n c ei sb e 蚀e r l o n g i t u d i n a l l y d r i v e ng i a n t m a g n e t o - i m p e d a n c e e f f e c ti n a m o r p h o u s m a g n e t o s t f i c t i v er i b b o n sw a sm e 删e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er i b b o n s w e r ee x c i t e dt om a g n e t o - m e c h a n i c a lr e g o n a n c eb ym a g n e t o s t r i c t i v ee f f e c t w h e nt h e i m p e d a n c em e a s u r e m e n tf r e q u e n c ys w e p ta r o u n dt h er e s o n f i n ( 3 ef z e q u e n c yo ft h e r i b b o n s ，a n dt h eg m ie f f e c tw a ss i g n i f i c a n t l ye n h a n c e da r o u n dt h er e s o l l a i l c e f r e q u e n c y t h es t r o n g e ro ft h em a g n e t o m e c h a n i c a lc o u p l i n g ，t h eh i g h e ro ft h e m a x i m a lm ir a t i o ，t h em a x i m a lg m ir a t i oo f1 5 3 2 w a so b t a i n e di nt h es a m p l e a n n e a l e da t3 4 0 0 cu n d e rl l a n s v e r s m a g n e t i cf i e l d t h er e s u l t sa r ee x p l a i n e di nt e r m s o ft h em 鲫e t o m e c h a n i c a lc o u p l i n ga n dt h em a g n e t o m e c h a n i c a l 舱s o n a n c eo ft h e n l a g n e t o s t r i c t i v em a t e d a l s t h ep a r a m e t e r st h a ti n f l 啪c et h ep 既痂虹嘲o f a c o u s t o - m a g n c t i cl a b e l 啪b ef i | 曲c a l c u l a t e dt oo b t a i na c o u s t o - m a g n c t i cl a b e l w i t ho p t i m a lp r o p e r t i e s k e y w o r d s ：m a g n e t o a c o u s t i cm a r k e r s ，a n i s o 仃o p yf i e l d , a m o r p h o u sr i b b o n , e t o m c c h a u i c a lr e s o n a n t , m a g n e t o m e c h a n i c a lc o u p l i n g , l o n g i t u d i n a l l yd r i v e ng i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c e 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。 储虢镡泣瞧碑血 学位论文使用授权声明 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。 冶黜名：2 墨他 i e t 翔i ：笙2 1 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年) 熟处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 第一章绪论 1 1 前言 零售业商品的失窃现象是一个世界性的普遍问题，在科学技术日益发达、一 切讲求效益的今天，零售商店单靠人力监视商场的传统放到方法已不再适宜，取 而代之的是应用高科技的电子商品防盗系统e 蝎( e l e c t r o n i ca r t i c l e s u r v e i l l a n c e ) 。 电子商品监视系统的发展可分为三个阶段： ( 1 ) 射频型电子商品监视系统 早在2 0 世纪6 0 年代，美国就出现了第一套电子式商品防盗系统，即射频防 盗系统( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) ，它采用的是无线电波作为发射接收的信号，其 标示器内部功能元件是一个由线圈和电容构成的谐振回路，它利用谐振回路受激 后的衰减振荡作为应答信号，这种系统的最大优点是成本非常低、安装方便，但 由于其防盗标签为环形线圈式，不能重复消磁，系统易受一些物品的干扰，如收 银机等电子产品、金属物等，引起系统的误报警或不报警。 ( 2 ) 谐波型电子商品监视系统 谐波型e a s 系统标示器的功能元件为带状的非晶态铁磁性材料，利用功能 元件磁化的非线性，当作用于标示器上的激励磁场从零开始逐渐增大时，标示器 总的磁感应强度保持为零；当激励磁场强度达到钉扎阈值h 口时，标示器内的磁 畴急剧扩张，导致标示器总的磁感应强度突然增大，从而使接收线圈中的磁通量 产生突变，这种效应称为b a r k h a u s e n 效应。如果用正玄交变磁场作为激励场， 则接收线圈中将感应出频率与其相同的脉冲信号，该脉冲信号具有丰富的频谱， 可以检测某次谐波作为标示器的应答信号，然后触发报警，这个谐波频率正是磁 性材料磁滞回线的非线性程度的函数。谐波型e a s 系统因其标示器体积小，不 易受屏蔽，且成本低廉，因此在国内有广泛的应用。其缺点是标示器产生信号幅 度小且易受工频干扰。 ( 3 ) 磁机械共振型电子商品监视系统 磁机械共振类型的e a s 系统是最近发展起来的一种系统，它的主要原理是 利用标示器内的功能元件在交变磁场作用下产生由磁致伸缩引起的机械共振1 1 ， 通过磁机械耦合( m m c ) 产生应答信号【2 】。其标示器由一片充当功能元件的非 晶条带和起磁偏置作用的磁条构成。磁机械共振型e a s 系统的标示器体积小( 与 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年)热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 条形码尺寸相同) 、信号强、且系统工作频率高、误报率低，因此备受国外商业 系统的重视，被许多大型商场所广泛应用。 影响标示器共振频率和共振幅值的因素很多，像偏磁场的大小、非晶合金带 的组分、几何尺寸、以及热处理都对条带的声磁性能有影响例。目前这一系统的 研究开发也开始引起国内的关注，出现了少数的相关报道【4 】，应用于e a s 系统 的非晶磁致伸缩材料的开发研究还是一个空白点，具有非常高的应用前景和市场 价值。 1 2 非晶态合金 1 2 1 非晶态合金的定义和发展过程 所谓非晶态是指物质从液态( 或气态) 高速冷凝时，因来不及结晶而在常温 或低温保留原子无序排列的凝聚状态。非晶态合金又称金属玻璃，其特征是原子 排列星短程有序的凝聚态组织结构，固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列， 并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定田。非晶态合金由于呈玻璃态的非晶 特征而具有传统合金材料无法达到的综合优异性能，以其优异的铁磁性、抗腐蚀 性、高耐磨性和高强度而成为一种新的功能材料。 1 9 3 4 年德国人克雷默 6 1 采用蒸发沉积法制备出非晶态合金，发现非晶态合金 的强度、韧性和耐磨性明显高于晶态合金。随后b r e n n e r 等人用电沉积法和电镀 法获得了n i - p 、c o p 非晶态合金，1 9 6 0 年，美 j 心t l w e z 等 7 1 首次采用快速凝固 的方法得到了a u t o s i 3 0 非晶合金薄带，但试样仅是薄膜或几百毫克重的箔片无应 用价值。直至u 1 9 6 9 年，p o n d 哺】等对非晶态合金制备技术作了革命性的突破，制备 出了具有一定长度的连续的非晶合金条带，为非晶合金的大规模生产提供了条 件。目前非晶态合金带材宽度已超过2 0 0 m m ，制品正式走向商品化和实用化。上 世纪八十年代末以来，随着块体非晶态合金的研究与发展，人们对合金的非晶态 形成机理和形成能力已经有了初步的认识。我国从7 0 年代就开始了非晶态金属与 合金的研究，2 0 0 0 年9 月2 0 日，在钢铁研究总院的非晶带材生产线上成功地喷出 了宽2 2 0 m m 、表面质量良好的非晶带材，它标志着我国在该材料的研制和生产上 达到国际先进水平。 现在已知有两类非晶软磁合金，即金属一类金属( 由过渡金属与类金属组成) 、 金属一金属型( 由过渡族金属与过渡族金属组成) 。一般合金的熔融液体在凝固时 由于晶核的形成和长大，最后获得晶态固体。如果冷却速度超过某一临界速度时， 使晶核来不及形成和长大，那么就可得到非晶态的固体，以上过程示于图1 1 中。 2 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年) 热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 芗叠鼬一棚。 易，i 0 。 图卜i 非晶态形成过程 f i g i - 1t h ep r o c e s so f f o r m l n ga m o r p h o u sa l l o y s 获得非晶态合金的方法很多，概括起来主要有两大类：一类是将非晶型的液 态熔体，以超过临界冷却速度的各种工艺快冷，即所谓的熔体快淬法来获得非晶； 另一类是包括原子沉积过程在内的各种工艺，即所谓的沉积法。目前，能进行批 量生产非晶态合金的方法是前一类，其中制造非晶薄带的工艺方法主要是内圆淬 火法、单辊法( 或外圆离心法) 以及双辊法，另外，告诉喷射法和等离子体喷射 法也可以获得1 0 7 。c s 的冷却速度。 1 2 2 非晶态合金的应用 非晶态合金由于其特异的物理化学性能以及在某些领域的初步应用，已显 示出具有极强的发展潜力，被视为2 l 世纪的新材料。非晶合金突出的高强度、高 韧性和高耐磨性。根据这些特点可以制备成优良的复合材料，也可以单独制成高 强度耐磨器件。如用非晶态合金制作的高耐磨音频视频磁头在高档录音、录相机 中的广泛使用；非晶合金具有优异的磁学性能，与传统的晶态合金磁性材料相比， 由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，电阻率高，具有高的导磁率， 是优良的软磁材料，根据铁基非晶态合金具有高饱和磁感应强度和低损耗的特 点，现代工业多用它制造配电变压器，铁芯的空载损耗与硅钢铁芯的空载损耗相 比降低6 0 8 0 ，具有显著的节能效果；非晶合金还具有优异的化学性能，研 究表明，非晶态合金对某些化学反应具有明显的催化作用，可以用作化工催化剂， 某些非晶态合金通过化学反应可以吸收和释放出氢，可以用作储氢材料阻l l l 。 非晶合金传感器也是非晶态合金的一个重要应用领域。非晶金属由于其玻璃 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年) 热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 无周期性结构导致了其没有磁晶各向异性，所以对磁场退火非常的敏感，文献【叼 报道一种经过横向磁场退火后的铁基非晶合金杨氏模量变化效应的数量级是铁 基晶体的两倍，这种缺乏使得杨氏模量对磁矩转动产生的应力发生更大的作用。 多种金属组成的合金对于磁场退火处理更敏感 1 3 , 1 4 ，l u b o r s k y 等人在横向4 k o e 的磁场中对f e 4 0 n i 4 0 s i l 4 8 6 非晶合金带进行退火处理【1 5 1 ，横向指的是在条带的平 面内且垂直于带轴，经过在3 2 5 0 c 下2 小时的热处理，以及接下来5 0 d e e , m i n 的 冷却后，发现磁滞回线的磁滞几乎完全消失并且在外磁场达到铁磁饱和时磁化曲 线都是线性的( 外加磁场等于或者超过感应各向异性场) ，他们把这种现象归结 为磁场退火感应出了沿条带横向的磁易化轴。和横向磁场退火相关的磁滞回线的 线性和低涡流损耗对于非晶合金的各种应用是非常重要的，例如横向磁场退火的 非晶合金利用其磁弹性能应用于声磁防盗系统中。在b e r r y 的1 9 7 5 年的文章【1 2 1 中指出，非晶金属中显著的e 效应对于控制在外磁场作用下的磁机械共振器的 共振频率提供了一个有效的途径。常常有人对图书馆或超市中书或物品中所暗藏 的报警设施感到惊讶，其实，这不过是非晶态软磁材料在其中发挥着作用，非晶 合金条带可以夹在书籍或者商品中，也可以做成商品标签，如果尚未付款就被带 出，则在出口处的检测装置就会发出信号报警【1 日。 1 3 磁致伸缩效应和磁致伸缩材料 1 3 1 磁致伸缩效应及其机理 磁致伸缩效应是指磁性材料在磁化过程中因外磁场条件的改变而发生几何 尺寸变化的效应。磁致伸缩效应最早是在1 8 4 2 年由焦耳( j o u l e ) 发现，故又称为 焦耳效应l l ”，磁致伸缩伸缩效应是磁性材料的基本现象，广泛存在于铁磁性、 亚铁磁性、反铁磁性等材料中。 铁磁性材料通过磁致伸缩效应实现磁能与机械能之间的转化，铁磁材料中观 测到的磁弹效应及其逆效应包括【1 町：( 1 ) j o u l e 效应：磁性体被外磁场磁化时，其 长度发生变化；( 2 ) v i t i a r i 效应：即逆磁致伸缩现象。在一定磁场中，给磁性体施 加外力作用，其磁场强度发生变化；( 3 ) z x e 效应：随着磁场的变化，磁性体的杨 氏模量也发生变化；( 4 ) v i e d e m a n n 效应：在磁性体上形成适当的磁路，当有电流 通过时，磁性体发生扭曲变形；( 5 ) j u m p 效应：磁性体外加预压力时，磁致伸缩 随外场而有跃变式增加，磁化率也改变。利用这些磁弹性效应可以做成多种功能 器件。 磁致伸缩的大小可用磁致伸缩系数九表示，且五= 龇，式中l 和l 分别 是磁性材料的原始长度和磁化后长度的变化量。九 o 时，表示沿磁场方向的尺 4 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年) 热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 寸伸长，为正磁致伸缩；九 o 时，表示沿磁场方向的尺寸缩短，为负磁致伸缩。 不同的磁性材料其磁致伸缩系数不同，一般在1 0 6 1 0 - 3 之闻。图1 - 2 显示了几 种磁性材料的n h 的关系。由图1 2 可见，随着外磁场的增强材料将伸长或缩短， i 1 5蛙奠舍譬 一， ， f c 扩 j c b 、 砧( 等 ，m ) 图1 2 几种材料的磁致伸缩 f i g 1 - 2t h em a g n e t o s t r i c t i o np r o p e r t i e so f s e v e r a l 嵋暇省墉l s 最后稳定在某一尺寸上，此时磁致伸缩达到了饱和，扣钆称为饱和磁致伸缩系数， 对一定的材料它是个常数。 磁致伸缩效应是由于原子或离子的自旋与轨道的耦合作用产生的。我们知道 电子的自旋运动和轨道运动存在耦合作用，电子轨道运动随自旋取向发生变化， 由于电子云的分布为各向异性，因此电子自旋在不同取向时，电子云的交叠程度 与交换作用都不同，这样磁体从晶体不同方向磁化时，也就需要不同的能量，这 就是磁致伸缩效应的起源。 1 3 2 磁致伸缩材料的发展历程及其应用 自从发现磁致伸缩现象以来，在一个多世纪中，对磁致伸缩效应的研究一直 没有停止过。2 0 世纪5 0 年代人们先后发现金属元素n i 、f e 、c o 及其合金有较大 的磁致伸缩效应；6 0 年代又发现铁氧体也有较大的磁致伸缩效应。但是这些材料 的磁致伸缩系数的数量级都在lo _ s _ i 酽，其大小跟热膨胀系数相连，因此应用范 围都受到了限制。 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年) 熟处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 1 9 6 3 年，l e g v o l d 1 9 - 2 l 】等人测量了稀土金属铽丌b ) 和镝叻沿基面的磁致伸 缩应变，发现其饱和磁致伸缩系数k 达到1 0 五数量级，是传统磁致伸缩材料的 1 0 0 1 0 0 0 倍，研究发现这些稀土元素的居里温度非常低，因此室温下难以应用。 为解决这一问题，1 9 6 9 年，c a n = t 2 2 j 提出过渡金属强磁性可以提高稀土一过渡金 属形成的化合物居里温度的观点。1 9 7 1 年，c l a r k l 2 3 1 根据c a l l c n 的设想发现t b f 0 2 、 d y f e 2 等二元稀土铁合金的居里温度较高而且在室温下有很大的磁致伸缩系数， 特别是近期发展的以t b 研- f e 为代表的稀土一铁系金属间化合物磁致伸缩材料， 其中三元稀土铁合金1 b 2 7 鲰7 3 f e 2 在常温下饱和磁致伸缩系数达到k = 1 0 0 0 x l 旷 数量级，单晶材料的磁致伸缩系飙l n = 1 6 4 0 x l 旷，k 比稀土金属、n i 、f e 金属和 铁氧体磁致伸缩材料的k 大2 3 个数量级，因此被称为超磁致伸缩材料，而且磁晶 各向异性k l 踟0 6 x 1 0 6 j m 3 ，k 2 = - 0 2 x 1 0 6 j m 3 ，因此在较低的磁场下就能表现出良 好的磁致伸缩性能，磁机械耦合系数大于0 6 洲。韩志勇【2 5 】等人采用定向凝固法 制备的 轴向取向的f e g a 多晶样品的磁致伸缩已经达到3 0 0 x l 驴。另外，磁 致伸缩薄膜材料的制备及应用研究也引起了人们的关注【2 6 】，其广泛应用于微传 感与微驱动器件中，可以克服块状材料中存在的涡流损耗高、力学性能差等缺点。 由于磁致伸缩材料具有优良的特性，可以在声学、位移控制、高能微动力装 置、力学传感、磁学等领域得到大量的应用。在超大规模集成电路的制作上，使 用磁致伸缩材料制作精密定位系统，使电路集成度增加，体积大大缩小，对电子 工业将产生深刻的影响，磁致伸缩材料可以制造超大功率的超声换能器，日本已 用磁致伸缩来制造海洋声学测量系统的水声发射换能器，其信号可发射到 1 0 0 0 k m 的范围，可用于测量海水温度和海流的分布图【2 7 2 8 1 。由于铁磁性材料的 磁致伸缩效应，可以实现机械能与磁能之间的相互转化，铁磁材料在直流偏置磁 场的作用下，被特定频率的交变场激发，使得材料在驱动方向发生机械振动，从 而将电磁能转换为机械能，再通过磁机械耦合产生应答的电磁信号。利用这一性 质，非晶磁致伸缩材料可以作为磁机械共振型声磁防盗系统中的标识器材料。 1 4 磁机械共振型声磁防盗系统 1 4 1 声磁防盗标签的基本原理 对于通过外加磁场来控制共振频率的可能性是标示器在电子商品监视中应 用的前提条件。标示器的有效磁导率随共振频率的变化给标示器以信号识别的能 力御“3 1 1 。可以通过改变偏磁场来改变防盗标签的共振频率从而消除信号识别能 力。 6 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年)热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 声磁防盗系统的物理基础为磁弹性耦合与共振现象。防盗标签由非晶软磁合 金带和起磁偏置作用的偏磁片组成，图1 - 3 a 和1 3 b 显示了宽为1 2 7 m m 的谐振 片的防盗标签的基本结构和组件。这种标签包括宽度能够容纳宽度为1 2 7 m m 宽 谐振器片7 的套6 ，该片用第一个益8 盖住，在盖8 上放置偏置磁体9 ，并且用 第二个盖和粘合剂1 0 盖住。 7 图1 - 3 ( a ) 声磁防盗标签分解图田) 防盗标签端视图 f i g 1 - 3 ( a ) t h er e s o l u t i o ng r a p ho f s e c u r i t yl a b e l ) t h ee n dv i e wo f s e c u r i l yl a b e l 防盗标签钉或粘贴在商品上，与并列于商场或超市出口两端的检测报警装置 构成电子商品监视系统。其原理如图1 - 4 所示，发射线圈产生特定频率的交变磁 露 图1 4 磁机械共振型电子商品监视系统原理图 f i g 1 - 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m a g n e t o - m e c h a n i c a li ；既妁n 疆鼢m o d ee a ss y s t e m 场( 对于长度为3 8 r a m 左右的条带共振频率大约为5 8 k h z ) ，在其作用下防盗标签 7 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年) 热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 内的非晶条带产生了由磁致伸缩引起的机械共振，通过磁弹性相互作用，与机械 共振相关的机械应力产生磁化强度m s 的周期变化，这个变化是高辐值的共振信 号并以指数衰减。在该系统中，发射电路和接收电路采用同步电路控制，当发射 线圈停止工作时，接收电路打开，非晶条带机械共振衰减时间取决于合金组成和 热处理，该时间可以是几百微秒至几毫秒，至少i m s 的衰减时间足够使接收线 圈探测共振信号并触发报警器。 标示器器中主要功能元件的磁致伸缩材料，一般采用铁磁非晶合金，非晶 金属可以利用其熔融状态下进行快速淬火制成薄带，熔融状态下可以有更广泛的 组分。实际应用的合金基本由f e 、c o 或n i 添加促成玻璃结构的1 5 3 0 的s i 或b 3 2 。当材料处于交流磁场中发生磁化时，材料就发生磁致伸缩效应引起的机 械振动，它的共振频率由下式给出： = 昙形 ( 1 ) 式中，为磁性材料的共振频率，z 为样品长度，p 为密度，f 为杨氏模量，作为基 频倍，以上公式很容易从物理上理解，形就是该材料中所传播的声速，声振 动( 机械振动) 在固体中传播满足一维波动方程 一矿心= o( 1 2 ) 其中u = u ( x t ) 为质点的振动位移，a _ ：即振动的传播速度，在这里就是声速 对于两端自由的薄带来说有第二类边界条件 ( o ，f ) = ”，( ，f ) = 0( 1 3 ) 此定解问题所得出的本征频率为 矗= 生2 r r = 罱= 竺2 ( 1 4 ) 。1 2 万， ”一7 所以该条带发出的基频为( n _ 1 ) z = 昙= 互1 ，、e ( 1 5 ) 从上面机械振动的频率公式中可以看出，共振频率主要取决于磁致伸缩材料 的杨氏模量和样品的长度。而杨氏模量效应不仅取决于磁性材料的长度还取决于 它的磁化过程，所以可以通过外加磁场来改变其杨氏模量从而达到控制材料共振 s 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年) 热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 频率的目的。这个外加磁场由与非晶条带配准放置的偏磁片产生，偏磁片和非晶 条带放在一个标示器或者标签盒中。磁化后的偏磁片对非晶条带的磁偏置达到一 定的场强，使得条带的机械共振频率达到预定值，这时候防盗标签处于活性状态， 当通过信号探测区域时，会被交变场激发和探测识别并产生报警。通过对偏磁片 进行退磁使条带共振频率偏离探测区域的频率预定值，同时也降低了其机械共振 的幅度，可以使标签失去活性，从而无法触发报警装置【3 3 】。 偏磁片须具有合适的矫顽力厦，一般范围在2 0 0 e 1 0 0 0 e ，大小要取决于 不同防盗标签的设计，对于越的最低要求为偏磁片不能被自身的退磁场或者在 探测区域靠近激励线圈时被高达几奥斯特磁场去磁化；另一方面，防盗标签可以 很方便的被激活或者去活性( 通过磁化或者去磁化偏磁片) ，界定了甄的最高值。 一般应用的偏磁片为添加n i 。c o 以及c r 的铁基晶体金属。 当外加偏磁场小于各向异性场大小岛 砀( 时，材料的磁机械共振频率可以 表示为以下形式嗍 = ( 1 6 ) 式中二为机械共振频率，k 为饱和磁致伸缩系数，磊为饱和极化强度，磊为 饱和杨氏模量，塌。为各向异性场。偏场为零时条带共振频率取决于样品的长度、 密度和杨氏模量大小，工喊= 0 ) = 面n 厉e ，式中z 为样品长度，p 为密度，以为基频 倍数。 1 4 2 研究现状 声磁防盗标签反映的是磁致伸缩材料在交流驱动场的作用下，声磁特性的变 化，主要受到材料本身的性质和偏磁场的影响。对于前者，人们研究材料的组分、 几何尺寸、构型、热处理对其声磁性能的影响；而对于后者，人们研究偏磁场的 大小、方向、以及与各向异性场的匹配关系对其声磁性能的影响。 最早应用于声磁防盗标签中的材料为制备态的非晶金属f 0 4 0 n i 3 8 m 0 4 b l s ，所 需要的各向异性来自磁弹性耦合产生的应力各向异性，而内应力的分布与材料磁 滞回线的非线性是相联系的，所以由这种材料构成的防盗标签，在失去活性后， 仍然能够在谐波防盗系统中引起误报警瞰】。 当前普遍应用的材料基本由f e 、c o 或n i 添加促成玻璃结构的1 5 - 3 0 的s i 9 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年) 热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 或b ，对于合金组分的通用公式可以这样表示 f e a c o 心i c s i x i ，m 。 其中a , b ，c ，y , x 和z 用原子百分比表示，其中m 一种或者多种玻璃促成元素例如c 、 p 、g e 、n b 、t a 或者m n 或者一种或者多种过渡金属例如c r 和b i n ，其中 1 5 a 7 5 ，o b 4 0 ，o c 5 0 ，1 5 列- y _ 卜z 2 5 ，o 虫 4 a + l 什p 卜x “r + z = 1 0 0 臼日 为了提供准确的探测，激活状态的标签共振频率与激励场频率的吻合精度必 须非常高。这就要求由于防盗标签在地磁场中的取向不同或者由于偏置磁体的材 料分散导致的偏磁场变化，对于材料的共振频率仅仅会有微小的变化，所以对应 用于e a s 中的优选的材料需要尽可能小的杨氏模量效应，但必须同时保证共振 频率具有足够的偏移使得防盗标签能够可靠的失去活性。这就涉及到共振频率对 偏置磁场变化的灵敏度【d 矿d h 。 共振频率对偏磁场变化的灵敏度可以通过对公式( 1 6 ) 微分得到，如式( 1 7 ) 所示， 阱z 口裔卜籍寸伊警 m 乃 从式中可以看出当偏磁场日的范围和相应的各向异性场匾确定后，共振频率的 灵敏度主要取决于材料的饱和磁致伸缩系数五，磁致伸缩系数是材料本身的固有 性质，因此可以通过选择合金的组分来调整屯的大小，从而控制共振频率对偏 磁场变化的灵敏度。 文献1 3 7 】报道特别适合的合金组分的饱和磁致伸缩为8 - 1 4 p p m ，从表1 1 中可 以看到编号1 4 的材料是比较适合的。这样就保证了共振频率对偏磁场变化的灵 敏度 d f d h o ，又由于是用快速淬火法制得，内应力很大，因此必 须进行消除应力退火。所用的退火炉为电炉，炉体外壳为全钢结构，炉膛为砖结 构，燃烧室为全封闭式。砖结构和炉体两侧的保温层为硅酸铝棉，整个退火过程 为连续输送，回程预热，无级调速。升温快、加热均匀、保温效果好、自动控温。 设 图2 - 2 退火炉原理示意图 f i g 2 - 2p r j n c i # em a po f a n n e a l i n gf u r n a c e 为了感应磁各向异性，优化非晶材料的磁结构，获得声磁防盗标签较高的信 1 8 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年)热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 号波幅，在退火过程中可以在炉子中施加与条带长轴垂直的磁场，磁场与条带面 的夹角在o 9 0 0 之间。为了避免由于磁场对带施加的力和扭矩而使带弯曲和扭 曲，可使用伸长的退火固定夹具支撑带。 退火磁场厅 圈2 - 3 退火过程中对条带施加磁场的取向 f i g 2 - 3t h eo r i e n t a t i o no f t h em a g n e t i cf i e l da n n e a l i n g 2 3 非晶条带的表征 2 3 1 条带声磁性能测试 共振频率和共振幅值曲线用如图2 - 4 自制设备测试，一个2 0 0 匝直径为 3 4 m m 的激励线圈固定在距探测线圈3 5 m m 处，亥姆霍兹线圈起到偏磁片的作用， 对合金带施加均匀的偏磁场，为了消除激励线圈信号的影响，用一个对称的线圈 探测样品的共振信号，并用数字型示波器接收信号，从图2 - 4 b 中可以看到条带 的共振明显的有个衰减的过程，调节偏磁场的大小观察并记录共振幅值和频率的 变化。 ( a )嘞 图2 - 4 测试仪器框图 f 培2 - 4s c h e m a t i c 血l g r a mo f 峨a p p a r a t u s 1 9 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年) 热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 2 3 2 振动样品磁强计( v s m ) 振动样品磁强计( v i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r , v s m ) 是测量材料磁性的 重要手段，能测量的磁性参数有，磁滞回线、初始化磁化曲线、d c 剩磁、a c 剩磁、各向磁特性测量( r e x ，m l ，避) 、以时间为变量的磁化函数以及由过渡温 度和居里点决定的以温度为变量的磁化函数等。图2 - 5 为振动样品磁强计的简图。 振动样品磁强计的原理是样品置于单一磁场中会被感应出磁矩。而将样品 置于振动样品磁强计的拾取线圈中，作正弦振动时，由于通过样品的磁通量的变 化，在检测线圈中便会感应出电压信号。该信号与磁矩成比例，所以振动样品磁 强计可以用来测量材料的磁特性。磁场可以由电磁铁或超导磁体产生，所以磁矩 和磁化强度可以作为磁场的参数来进行测量。作为温度的参数，在低于常温时， 可用超导磁体的v s m 系统或带有低温杜瓦的电磁铁的v s m 系统。高于常温时， 可用带有加热炉的v s m 系统。因为选用铁磁材料时，主要决定于它们的磁化强 度和磁滞回线，所以v s m 系统的常用功能是测量铁磁材料的磁特性。 电 刚线圈l r j 攘动头及减振系统 鬻悃 li 锁相放大器函数发生嚣 图2 - 5 振动样品磁强计( v s m ) 结构简图 f i g 2 - 5t h e f l a m e o f t h ev s m s y s t e m 振动样品磁强计有如下几个部分组成：振动系统、探测系统、检测系统合计 算机控制系统，如图2 5 所示。低频信号发生器输出两路信号，功率输出端用于 给v s m 探头，振动子依靠信号发生器提供的功率做简谐振动，从而带动附在振 动杆上的被测样品振动；另一路信号作为锁相放大器的锁相参考信号，锁相放大 器利用给定的频率参考，从感应线圈两端引出的信号中提取振动频率上的电压信 号，送入计算机，同时把高斯计测出的磁场值也送入计算机，这样就可以将样品 磁化强度随磁场变化的曲线记录下来。 本文采用的是美国l a k es h o r e 公司的7 4 0 0 系列振动样品磁强计来测量非晶 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 7 年) 热处理对非晶磁敏元件声磁性能影响 条带的磁滞回线，该仪器的灵敏度为5 1 0 7 锄1 u 的磁矩 2 3 3 巨磁阻抗的测量 根据交流驱动磁场的方向不同，巨磁阻抗的测量方法可以分为四点法和感应 法。本文采用纵向驱动方式测量阻抗。 纵向巨磁阻抗效应通常采用感应法提取阻抗变化的信号，这是一种新型阻抗 测试方法【5 2 】，电路图如2 - 6 所示，测量时把待测样品放入一线圈中，并使样品长 轴方向平行于线圈的轴向，然后将线圈连接到交流信号源。线圈中流过的电流的 大小由串联在电路中的电阻r 两端的电压进行监控。显然这时候交变电流产生 的交变磁场作用在样品的长轴方向上，因此是一种纵向的驱动方式。样品在此交 变磁场作用下的行为可以反映在线圈两端的电压v 上，实际上可以将线圈和样 品整体视为一等效阻抗，其阻抗z 的变化体现了样品性质的改变。 图2 - 6 感应法测量巨磁阻抗效应简图 f i g 2 - 6 a s c h e m a t i c d i a g r a mo f t h ec i r c u i t u s e d f o r m e a s u r i n g l o n g i t u d i n a l l y d r i v e n m a g n e t o - i m p e d a n c ee f f e c t 阻抗由h