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巨磁阻抗薄膜材料的制备新方法与检测系统的设计 摘要 巨磁阻抗( g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e ，g m i ) 效应即材料交流阻抗随外加磁 场变化可显著改变的物理效应。利用巨磁阻抗效应制作的磁传感器在工程控制方 面拥有广阔的应用前景。薄膜g m i 传感器适合半导体电路的集成并可批量生产， 能大大降低生产成本，因此研究软磁薄膜材料中的巨磁阻抗效应具有重要的价 值。本文主要做了两方面的工作，一是采用新方法制备了巨磁阻抗薄膜并证明其 可行性，二是设计制作了一套简易的巨磁阻抗效应检测系统。这两方面都是从经 济实用的角度出发，目的是为了尽量降低成本。 目前，在制备具有巨磁阻抗效应的单层和多层膜的方法中皆用磁控溅射法， 还未有文献提及过利用真空蒸镀法制备的实用有效的方法。但是磁溅射镀膜机价 格昂贵，所以很难普及。真空蒸镀镀膜机价格相对低很多，所以利用真空蒸镀法 制备巨磁阻抗薄膜，可使这类膜的生产成本大幅度降低。本文提出了利用真空蒸 镀法制备具有巨磁阻抗效应的f e s i b 薄膜的实用可行方法，克服了目前利用蒸镀 法制备该类薄膜普遍存在的成分比例难以控制，膜层附着力弱、致密性和均匀性 差等缺点。首先，采用真空蒸镀法，解决了成膜不牢固的问题，在玻璃基片上制 备了具有巨磁阻抗效应的单层膜。经过改变驱动电流方向和外磁场方向，得到了 四种测量巨磁阻抗效应的方式。但是只有当外加磁场和单轴磁各向异性方向垂直 时才有巨磁阻抗效应出现。比较制备得到的磁各向同性和磁各向异性薄膜的纵向 和横向的巨磁阻抗效应，说明了各向异性在巨磁阻抗效应中的重要性及本实验采 用加恒定磁场的方法产生各向异性的可行性。证明了用真空蒸镀法能够制备巨磁 阻抗薄膜材料。其次，利用真空蒸镀的方法制备了f e s i b c u f e s i b 多层膜，检测 其巨磁阻抗效应，给出相应测量结果。并讨论了夹心膜导电层的厚度对巨磁阻抗 效应的影响。最后，提出一种蒸镀合金材料的新方法，即根据合金各成分熔沸点 的不同，事先调整合金比例，使成膜后达到理想效果。给出f e s i b 合金的三种调 整比例及成膜后的成分比例，并对按三种不同比例制各的f e s i b c u f e s i b 多层 膜检测其巨磁阻抗效虚，证明了新方法的可行性。 与此同时，针对美国a g i l e n t 公司生产的磁阻抗测量仪价格非常昂贵，我们 重新设计、改迸和制作了一套基于电脑和信号发生器，稳定可靠，并能够实时显 示的g m i 测量系统。该系统能直接描绘出g m i 比随外加磁场的变化情况。本文 重点介绍改进测试的过程、原理以及参数选择的问题、操作过程和可靠性的分析。 测试结果表明，该系统稳定可靠，实现了实时显示，且价格实惠，已经基本满足 测定各类巨磁阻抗材料的要求。尤其适合学生实验。 关键词：真空蒸镀；f e s i b ；巨磁阻抗效应；v b ) 实时显示 i i n e wm e t h o do fp r e p a r i n gg i a n t m a g n e t o i m p e d a n c ef i l mn l 奸e r _ i a la n di t s d e s ，i g no f d e t e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t g i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c ee f f e c ti sap h y s i c a le f f e c tt h a tt h et r a n s f o r m a t i o no f a l t e r n a t i n gc u r r e n ti m p e d a n c eo fm a t e r i a l i so b v i o u sa c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo f e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d t h em a g n e t i cs e n s o r su s i n gg i a n tm a g n e t o i m p e d a n c ee f f e c t h a sb r o a dp r o s p e c t si ne n g i n e e r i n gc o n t r o lf i e l d t h i nf i l ms e n s o r sa r ea d v a n t a g e o u s o i lm a s s p r o d u c t i o na n di n t e g r a t i o no fs e m i c o n d u c t o rc i r c u i t s ，s oi ti sh i g h l yv a l u a b l e t os t u d yt h eg m ie f f e c ti ns o f tm a g n e t i cf i l mm a t e r i a l s t h i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t s t h ew o r ko ft w o t h ef i r s ti st oi n t r o d u c ean e wm e t h o do fp r e p a r i n gg i a n t m a g n e t o i m p e d a n c et h i nf i l m t h es e c o n di st od e s c r i b et h ed e s i g no f an e wd e t e c t i o n s y s t e mf o rg m i b o t ha r e b a s e do np r a c t i c a la n de c o n o m i c a lf a c t o r s m o s tr e d u c i n g c o s ti st h em a i np u r p o s e a tp r e s e n t ，t h em e t h o d so fp r e p a r i n gm o n o l a y e ra n dm u l t i l a y e rf i l m sw i t hg m i e f f e c ta r em a i n l yb ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h e r ei sn ot e x tp r e s e n tt h ee f f e c t i v ew a y b yv a c u u me v a p o r a t i o n b e c a u s eo f t h eh i g hp r i c eo f t h em a g n e t r o ns p u t t e r i n gc o a t i n g s y s t e m ，i ti sh a r dt op o p u l a r i z e c o m p a r a t i v e l y , t h ec o a t i n gs y s t e mo fv a c u u m e v a p o r a t i o ni sv e r yc h e a p s ot h ep r e p a r a t i o no fg i a n tm a g n e t o i m p e d a n c em a t e r i a l s b yv a c u u me v a p o r a t i o nc a nr e d u c et h ep r o d u c t i v ec o s tl a r g e l y t h i st e x tp r e s e n t sa p r a c t i c a la n df e a s i b l em e t h o do f p r e p a r i n gf e s i bf i l mw i t hg m i e f f e c ta n do v e r c o m e s s e v e r a ld i s a d v a n t a g e so fp r e p a r i n gt h i sk i n do ff i l m s ，s u c ha st h ed i f f i c u l to f c o n t r o l l i n gt h ec o m p o s i t i o nr a t i o ，w e a kf i l ma d h e r e n c e ，t h ep o o rd e n s i f i c a t i o na n d u n i f o r m i t y , a n ds oo n b ys o l v i n gt h ep r o b l e mo fr i o s t a b l ef i l m ，t h em o n o | a y e rf i l m w i t hg i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c ee f f e c tw a sp r e p a r e di ng l a s ss u b s t r a t eb yv a c u u m e v a p o r a t i o n v i at ot r a n s f e rt h ed i r e c t i o no fd r i v ec u r r e n ta n de x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d ， f o u rm o d e so fm e a s u r i n gg i a n tm a g n e t o i m p e d a n c ee f f e c tw e r eo b t a i n e d b y c o m p a r i n g ，i ti sf o u n dt h a to n l yi ft h ed i r e c t i o no fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da n du n i a x i a l i i l m a g n e t i ca n i s o t r o p yi sa p e a k ，t h e r ei st h eo b v i o u sa p p e a r a n c eo fg m ie f f e c t b y c o m p a r i n g t h eg m ie f f e c to fm a g n e t i ci s o t r o p i ca n dm a g n e t i ca n i s o t r o p y , i ti sp r o v e d t h a ta n i s o t r o p yi sv e r yi m p o r t a n ti ng m ie f f e c ta n dt h a tt h ef e a s i b i l i t yo fp r o d u c i n g a n i s o t r o p yb yi m p o s i n gi n v a r i a b l em a g n e t i cf i e l di ne x p e r i m e n t s ot h ef e a s i b i l i t yo f p r e p a r i n gt h e m a t e r i a lw h i c hh a v eg i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c ee f f e c tb yv a c u u m e v a p o r a t i o nw a sp r o v e d a tt h es a m et i m e ，c o n s i d e r i n gt h ep r i c eo f m a g n e t i ci m p e d a n c em e a s u r i n gi n s t r u m e n t p r o d u c e db ya g i l e n tf r o mt h eu n i t e ds t a t e si sv e r yh i g h ，w er e - d e s i g n ，i m p r o v ea n d p r o d u c eas t a b l ea n dr e l i a b l em e a s u r e m e n ts y s t e mf o rg m i tb a s e do nc o m p u t e ra n d s i g n a lg e n e r a t o r , r a ns t a b l ya n dr e l i a b l y , a n da c h i e v e dr e a l - t i m ed i s p l a y t h es y s t e m c a nt r a c eo u tt h eg m ir a t i od i r e c t l y t h i sp a p e rf o c u s e so i lt h et e s t i n gp r o c e s so f i m p r o v e m e n t ，p r i n c i p l e s ，p a r a m e t e r ss e l e c t i o n ，p r o c e s so fo p e r a t i o na n dt h ea n a l y s i s o fr e l i a b i l i t y t e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n df e l l a h l e ，r e a l t i m e d i s p l a y , a n da f f o r d a b l e i th a sb a s i c a l l ym e tt h er e q u i r e m e n t sf o rv a r i o u sm a t e r i a l so f g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e p a r t i c u l a r l yi ti s s u i t a b l ef o rs t u d e n t se x p e r i m e n t k e y w o r d s ：v a c u u me v a p o r a t i o n ；g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e ( g m i ) e f f e c t ；v b ； r e a l t i m ed i s p l a y i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及耿得 的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机 构已经发表或撰写过的硖究成果。其他同志对本研究鸽启发移所镀的贡献均已在 论文中作了明确的声明并表示了谢意。 研究生签名日扬 学位论文使用授权声明 鼠觌：7 , , - 7 f 0 3 。 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意濒江师范大学可以赐不同方式盔不同 媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。保密的学位论文在解密后遵守此协议。 研究，主签名；习移 导师签名：， 彩 2 司j1 d 弘 期 闩西 研y 浙江师范大学学位论文诚信承诺书 我承诺自觉遵守浙江师范大学研究生学术道德规范管理条 例。我的学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明并详细列出有关文献的名称、作者、年份、 刊物名称和出版文献的出版机构、出版地和版次等内容。论文中 未注明的内容为本人的研究成果。 如有违反，本人接受处罚并承担一切责任。 承诺人( 研究生) ： 指导教师： 叫移 萑气 1 1 引言 第一章绪论 1 9 9 2 年，闩本名古屋大学毛利佳年雄教授( k m o h r i ) 等人川首先报道了在 非晶磁性材料中发现其交流磁阻抗随外加磁场而变化的现象，这种现象非常灵 敏，非晶丝的灵敏度达1 2 1 2 0 o e ，因此将此现象称为巨磁阻抗( g m i ) 效应。 巨磁阻抗( g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e ，g m i ) 效应：是指软磁材料在高频交流驱 动下其交流阻抗随外加直流磁场的变化而发生显著变化的现象。 巨磁阻抗的发现其实最早可以追溯n - 十世纪三十年代：h a r r i s o n 等人【2 i 发现轴向磁场会影响铁磁丝的感抗，他们把这种现象称磁感应现象。但这种现象 当时并未引起人们太大的重视。1 9 8 8 年b a i b i c h i 等人 3 l 在f e c r f e 的三明治结构 中发现巨磁电阻效应( g i a n t m a g n e t o - r e s i s t a n c e ，g m r ) ，将灵敏度从霍尔元件和 磁阻元件的0 1 o e 提高到巨磁电阻材料的1 o e ，并很快将g m r 效应应用到 磁介质存储中，引发了人们研究g m r 效应。而后发现的巨磁阻抗( g m i ) 效应灵 敏度更高，从而引起人们极大的重视。最初对g m i 效应研究最多的是具有零或 负磁致伸缩系数的c o 基软金非晶丝【“1 。在趋肤效应可以忽略的情况下，阻抗中 的电阻分量受外磁场影响很小，交流电压的变化主要来自细丝的电感分量，这时 产生巨磁电感效应。高频下，趋肤效应发生作用，这是阻抗中的电阻分量和电感 分量同时受到外磁场的影响，因而阻抗随外加直流磁场灵敏变化，这即为巨磁阻 抗效应。此后，g m i 效应泛指包括巨磁电感效应在内的巨磁阻抗效应。g m i 效 应具有高灵敏度、低饱和场等特点。今年来，对g m i 效应的研究材料已经扩大 到具有优异软磁性能的其他非晶和纳米晶软磁合金薄带7 州和薄膜 7 , 1 0 - 1 2 1 。并且人 们也从理论上研究了这种效应的物理c l * i j 。 1 2 巨磁阻抗效应的应用 1 2 1 巨磁电阻效应 随着信息技术的普及，各种信息设备、汽车和工业机器人一类机电设备，电 力电子设备，医疗电子设备和工业测试设备的发展，都对磁传感器提出了越来越 高的要求。为了检测磁记录介质和旋转编码器环形永磁体表面的定域微弱磁通 量，检测头长度应小于l m m ：为了能够精确的非接触传感信号，磁通检测的灵敏 度应为8 x 1 0 之8 1 0 a m ；检测高密度记录应磁盘存储器表面磁通的变化，需 要信号频率为0 m h z 1 0 m h z 的响应速度；作为汽车和电动机用的微型磁传感器， 在。5 0 + 1 8 0 c 温度范围应当由不稳定度小于0 o i f s 4 的高温稳定性和最 高工作温度；功耗要低于1 0 m w ，使这种便携式微型传感器能够使用纽扣电池工 作。 通常使用的磁通传感器和磁通检测元件，例如磁通门传感器、霍尔元件和磁 敏( m r ) 电阻元件，都不能完全满足这些要求。使用高性能细磁芯的磁通门磁强 计，灵敏度可达8 1 0 a m ，但由于杂散电容，磁芯绕组会使传感器的响应速度 低于数k h z 。虽然霍尔元件和m r 元件都能做成微型器件，但它们的磁通检测率 大约足0 1 o e ，而且霍尔元件的最高工作温度在7 0 c ；目前正在加紧开发的巨 磁电阻( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 元件是利用某些磁性材料的巨磁电阻效 应，这种效应是在施力l l 外加磁场的情况下材料的电阻发生巨变的现象。其灵敏度 可以提商1 个数量级，达到1 o e ，不过，它还存在磁滞、温度不稳定性等问题； 使用目前研制的g m r 材料，必须在较高磁场( 1 0 k o e ) 中才能观察到效应，离实际 应用还有一段较长的距离。 1 2 2 巨磁阻抗效应的几种典型应用 巨磁阻抗( g m i ) 效应比巨磁电阻( g m r ) 效应大一个数量级。在室温下就可以 得到相当大的磁阻抗效应，一般能达到1 2 o e 1 2 0 o e 的灵敏度。很多研究 表明，具有显著g m i 效应的非品或纳米晶丝( 约l m m ) ，可以同时满足新型微型磁 传感器所需的诸多条件。利用g m i 元件所制成的谐振荡电路可以制作成新型的 g m i 效应磁传感器，这种传感器比其他磁效应传感器拥有更高的磁通检测率和灵 敏度，在诸多领域内具有良好的发展前景。下面给出几种典型应用： ( 1 ) g m i 微型传感头 图l 一1 足科尔皮兹振荡器传感器组件电路【i 引。电路中利用g m i 元件的电感l 和电容c l 、c 2 的共振产生振荡频率f - 1 2 ( l c l c 2 ( c l + c 2 ) ) l 2 。用l 根0 3 0um 长的f e c o s i b 退火非晶丝作为g m i 元件，在c i = c 2 = 1 0 p f 和l = 0 ，5 6uh 时，获得大 约i o o m h z 高频振荡。在约1 6 0 a m 外磁场中，振荡电路的丝电压e w 下降1 0 0 。由 2 于振荡电路中的阻抗和丝电流同时减小，e w 的下降率约为本征磁阻下降率的5 倍，即磁通检测率灵敏度为5 0 o e 。共振电路上由外场h e x 感生的振幅调制电压， 通过检测h e x 波形的二极管d 和电容c 解调，只要有微小的直流电源电流，就足以 使共振电路中的g m i 元件磁化。这个科尔皮兹电路以8 m w 工作。这种微型传感 头组件可以检测方向、旋转角和位移等物理量。 上 图卜1g m r 科尔兹震荡传感电路 ( 2 ) 快速响应大电流传感器 近来，随着用于交流电动机和各种传动机构的逆变器驱动电子控制系统技术 的发展，急需能够测量数百甚至至0 2 0 0 0 a 的小尺寸快速响应大电流传感器。传统 的霍尔效应传感器和新开发的非晶磁芯传感器在尺寸、重量级晌应速度方面满足 不了系统的要求。因此，i n a d a k 等人应用f e c o s i b 非晶丝的g m i 效应，开发一 种新型的大电流快速响应传感器。其电路结构如图1 2 所示。 箍 一 捉 耋 靠 稿 蜒 套 墨 餐 崩 l = w罴ll i 彬 钠 1 图1 - 2g m 头共振式多谐震荡器磁场传感器电路 使用一对c 0 7 25s i | 25b i5 铸态非晶丝( 中= 1 3 0 ur n ，l = s m m ) 。电路中加负反馈 环是为了改善输出电压一外磁场特性、频率特性和温度稳定性。使用1 0 0 0 p f 电容 c ，获得约为1 0 m 的振荡频率。检测3 2 0 0 a m 磁场具有很高的线性度，非线性 度小于0 5 f s ，介质频率高达3 0 0 k h z 。在室温到1 3 0 * c x 作温度范围内，传感头 的温度变化仅为0 0 1 1 f s 。这种传感器在2 5 m m 9 5 离内可检测交直流5 0 0 a 。传 感头与外磁场成8 0 。角，可检测2 0 0 0 a 。 ( 3 ) 薄膜磁传感器 日本n t t 公司的s e n d am 等人【1 5 】利用溅射磁性薄膜的高频磁阻抗效应，研制 了一种薄膜高频磁阻抗传感器。磁性薄膜为多层结构n i 8 3f e j 7 c u s i 0 2 ，用离子 束溅射沉积在n o 0 2 1 l 麻玻璃基片上。其中c u 为导体层，有两个电流电压电极； s i 0 2 用于避免涡流损耗和介质击穿；n i f e 层厚5 0 r i m ，沉积时向膜外加数k a m 直 流磁场产生单轴各向异性场h k = 2 4 0 a m 4 8 0 a m 。用光刻将多层膜制成1 0 ! - 1m 宽的条形并设计成闭合磁路，这样构成的磁传感器，由于薄膜的g m i 效应，外加 数百a m 的磁场，通过8 0 0 m h z 1 0 0 0 m h z 交流电流，获得6 0 7 0 的输出电压 变化，并且没有磁滞和巴克豪森噪声。 ( 4 ) 磁旋转编码器 m o h r ik 等人【1 6 】利用一根具有g m i 效应的折叠的f e c o s i b 非晶丝制成一种新 型器件，他们把它成为磁阻抗元( m o ，并将其应用到磁旋转编码器中，该编码器 由8 个串联的m i 里星形坏状面对磁极分布，这种磁编码器消除了环形磁体的每个 磁极磁场的不规则分布和外界杂散磁场的影响以及转动轴的偏心运动；同时m i 的磁能互补，提高了编码的准确性；另# b m i 与磁体的间距较大，解决了碰撞问 题，提高了控制精度。 1 3 巨磁阻抗效应的定义及分类 1 3 1 巨磁阻抗效应大小的定义 通常人们用g m i h ：；来衡量g m i 效应的大小，g m i = l 的定义有二种： ( 1 1 丝：兰! ! 二塑生三哦1 0 0 z z ( 以= 0 ) f 2 1 丝：兰! 丛! 二兰! 坠2 。1 0 0 一z z ( 只。= 0 ) ( 1 2 ) 其中z ( 虬) 、z ( 风。= o ) ，z ( 虬) 分别是直流偏置磁场为圾、o 以及实验 时所加最大磁场e 。时材料的阻抗。采用第一种定义的优点是能够很直观的显 4 示出磁性材料阻抗随外加直流偏胃磁场变化情况，但不能直接表示出g m 效应的 最大变化。在科学研究中一般采用g m i 比的第二种定义，它的优点是能够充分体 现环向磁导率的变化( - 与g m i 效应的物理机理相对应) ，不足是g m i 比率的最终大 小跟所施加的最大直流偏置磁场有关，使不同作者的实验结果进行比较时会出现 差异。 1 3 2 薄膜巨磁阻抗效应的分类 g m i 效应反映了软磁合金材料磁导率随外磁场的灵敏变化，实际上是直流磁 化场以，、交流驱动场h 和磁性材料内部的磁矩取向( 磁结构) - - 者的综合作用的结 果。因此，研究g m i 效应必然会涉及到三个方面：( 1 ) 交变驱动电流i = h e ”，根 据电磁感应定律，当交变电流通过铁磁体内会产生驱动场，所引起的磁通变化会 受各种外界条件的影响以磁阻抗变化表现出来；( 2 ) 铁磁材料内的磁矩的取向和 分布，即磁结构。在退磁条件下，与各种因素引起的磁各向异性有关；( 3 ) 外加 直流磁场，通过很小的外磁场的变化，会灵敏地改变材料的磁矩取向和磁导率变 化，从而引起磁阻抗的变化。上述三者的大小和取向的变化和组合构成磁阻抗的 多样性和灵敏变化，从理论上讲，是求解磁结构的形式在外磁场作用下的变化规 律，然后去推知磁性材料的性能包括磁阻抗的变化。 对于薄膜的巨磁阻抗效应，可以分为横向巨磁阻抗效应和纵向巨磁阻抗效 应。一般意义的巨磁阻抗效应是指驱动电流方向与外磁场方向平行时的阻抗变化 现象，此时的g m i 效应称为纵向巨磁阻抗效应。当外加磁场与驱动电流方向相垂 直时样品所表现出的g m i 效应则称为横向巨磁阻抗效应。巨磁阻抗效应主要取决 于材料的有效磁化率，所以横向巨磁阻抗效应的曲线形状与纵向巨磁阻抗的也完 全不同。需要特别出的是，横向g m i 效应的有效磁化率是指沿样品纵向的磁化率。 目前对于横向g m i 效应的物理本质尚不十分清楚。我们在研究纵向g m i 的同时， 也研究了当驱动电流沿薄膜纵向、磁场施加在薄膜的横向情况下的巨磁阻抗效 应，即横向g m i 。磁各向异性场h k 施加在薄膜的横方向。 1 4 巨磁阻抗效应的理论解释 1 4 1 单层薄膜材料的巨磁阻抗效应 单层薄膜的巨磁阻抗效应的出现足由于足够高频率下趋肤效应的结果。 从理论上讲，单层薄膜的巨磁阻抗效应可以利用电动力学1 1 7 】和铁磁学进行比 较有效的解释。薄膜的趋肤深度可以表示为： 氏= 2 珊暇 ( 1 3 ) 其中，珊为电流圆频率，o 为电导率，以为薄膜的横向磁导率。而薄膜的阻抗 则可以表示为： z = r d c j k a c o t h ( j k a ) ( 1 4 ) 其中，r d c 为薄膜的直流i 乜阻，k = ( 1 + j ) 6i l l ，a 2 为薄膜的厚度。 当沿游膜纵向外加一磁场l l e x 后，薄膜的横向磁导率会发生变化，由( 卜3 ) 式和( 1 4 ) 式可知，薄膜的趋肽深度6n l 便会发生相应的变化，进而阻抗z 也 会发生相应的变化，这便是所谓的巨磁阻抗现象。由此可见，理论计算巨磁阻抗 效应的关键在于建立薄膜的横向磁导率与外加磁场的函数关系。 众所周知，技术磁化过程存在两种机制，即畴壁移动和磁化矢量旋转。当频 率很高时，由于涡流损耗使畴壁移动迅速衰减，而磁化强度矢量的旋转则居于主 导位。 目前，在计算非晶丝，非晶薄带和薄膜的阻抗时往往直接采用二维非铁磁体 的阻抗表达式f 1 8 翻1 。对于薄膜，侣i w g - - n g nw 的交变电流通过单层铁磁薄 膜，电流的幅度大小恒定，薄膜的长度为l ，宽度为b ，厚度为d ，且d 吐盯：时，( 1 - 1 1 ) 式可简化为： 9 z = ( 1 2 j p t d 。d 2 群) ( i - 1 2 ) 其中，r 。= 1 2 b d l f r i 为导电层的直流电阻。从( 1 1 2 ) 式中可以看出，多层膜的 阻抗决定于导体层和铁磁层的几何尺寸、导电层的电导率及铁磁层的横向磁导 率。其中阻抗与铁磁层横向磁导率的关系为线性关系，而单层膜的阻抗则正比于 横向磁导率的平方根f 3 2 i ，这就是多层膜的g m i 效应要优于单层膜的缘故。如果 将磁导率与外磁场h e x 的关系代入( 1 - 1 2 ) 式中便可求解出阻抗与外磁场的函数 关系，并由此推算出多层膜的g m i 效应比。m a k h n o v s k i y 等人【3 邓4 j 还从理论上 研究了具有螺旋各向异性的多层膜的g m i 效应，得出了与实验相符的结论。 6 6 以 f ( 寸2 。l 2 趣 鼙( 矿i _ 二l 由 f ( o 2 。p i 。k ) b b 侈譬 罗 巾 入入 ( b ) 图1 - 4 三明治多层膜g m i 效应的理论模型 1 5 论文的选题目的和意义 g m ! 效应引起了世界各国科学家的高度重视，当时国际上研究最多的是磁 致伸缩系数近似为零的c o 基非晶丝，其后发展到f e 基非晶丝和薄带材料，现 已发展到薄膜材料【3 5 卅】。在非晶丝，薄带，单层膜及多层膜中均获得了较大的 巨磁阻抗效应。目前报道的薄膜中，铁磁层通常为磁致伸缩系数为零的软磁薄膜， 本文报道了由具有正磁致伸缩系数的非晶f e s i b 薄膜构成的f e s i b 单层膜及 o li m l 留 ；t f e s i b ，c u f e s i b 多层膜中的巨磁阻抗效应。在膜厚为1 - - 4 u m 的单层薄膜中，出 现较大巨磁阻抗效应的频率在8 0 m h z 以上t 3 8 , 3 9 1 ，这时趋肤效应非常强烈。其中， 单轴磁各向异性是获得大巨磁阻抗效应的必要条件之一。多层膜的巨磁阻抗效应 也有报道【4 0 , 4 1 1 ，其出现犬巨磁阻抗效应的频率一般低于2 0 m h z ，且远大于单层 薄膜的巨磁阻抗效应，其中铁磁层的厚度约为2 u m ，小于趋肤深度。然而，目前 报导的有关制备具有巨磁阻抗效应的单层膜( 如非晶f e s i b 薄膜) 及多层膜 ( f e s i b c u f e s i b 等) 方法中皆用磁溅射法，还未提及利用真空蒸镀法制备的实用 可行方法。主要原因是目i ；i 利用蒸镀法制备该类薄膜普遍存在层间附着力弱、致 密性和均匀性差及实现各向异性困难的缺点。目前的企业或科研单位拥有的几乎 都是真空蒸镀镀膜机( 因磁溅射镀膜机价格昂贵) ，本文报道了利用真空蒸镀的 方法制备了具有正磁致伸缩系数的非晶f e s i b 材料构成的f e s i b 单层膜和 f e s i b c u f e s i b 多层膜，并研究了其巨磁阻抗效应。证明了利用真空蒸镀法制备 这类巨磁阻抗薄膜材料的可行性，同时还提出一种对真空蒸镀合金材料都极为有 效的新方法，并通过实验验证。相信利用真空蒸镀制备巨磁阻抗薄膜材料的方法 研制成功并推广后，可大大降低这类单层膜及多层膜的制作成本。鉴于目d 口这类 多层膜具有独特的巨磁效应，利用这类多层膜制作新型的性能独特的传感器前景 广阔，生产这类多层膜成本的降低对该类传感器的推广和应用有着极为重要的意 义。 随着对巨磁材料研究的广泛深入，对检测磁阻效应的设备也提出了相应较高 的要求。很多研究人员提出了相应的检测方法，即c p p c 法和线圈检测法。其中 c p p c 法由于样本制作及信号控制的方面的问题未得到推广；而线圈检测法国内 已经有相关研究人员进行了试制，但是检测最终由单片机处理数据，每次只能采 集一个阻抗值，这对于研究材料的整体性质十分不理想。目前国内的检测方法普 遍稳定性较差，操作繁琐，而且无法实时显示。国外由美国a g i l e n t 公司生产的 磁阻抗测量仪技术相对比较成熟，精度比较高，而且实现了实时显示，但是其价 格非常昂贵，一台设备需要近5 0 万元人民币，许多实验室都不具备，仅限于高 级研究所使用。我们制造的巨磁阻抗检测系统稳定可靠，不但实现了实时显示， 且价格实惠，将会满足在要求不是十分精确情况下的各类材料测定巨磁阻抗的要 求，尤其适合在学生实验中使用。 第二章巨磁阻抗薄膜材料的制备 2 1 利用真空蒸镀法制备f e s i b 单层薄膜 2 1 1 真空蒸发镀膜技术的基本原理 真空镀膜是在高真空状态下，利用物理方法在镀件的表面镀上薄膜的技术。 真空镀膜足一项实用性很强的技术，真空蒸发镀膜原理如图2 1 所示。真空蒸发 镀膜是在真空容器中，把化合物、金属、合金等材料加热到使其大量的原子或分 子气化，并淀积到放置在容器内的待镀物件的表面上形成薄膜的过程。选择真空 环境是为了降低材料的熔化温度，增大分子的平均自由程和淀积速率，从而可以 提高薄膜的纯度和固度。 镀膜时，将镀料如铜置于真空室内，先对真空室进行抽真空，当真空室 的真空度达到5 1 0 。帕时，月j j x , t 蒸发源进行加热，其加热蒸发器使用电阻加热 蒸发源，当蒸发源达到适当温度后，丌始熔化，接着便蒸发成蒸气原子，这些蒸 气原子的平均自山程大于真空室线性尺寸时，蒸气的原予从蒸发源蒸发出来，就 可以如同直线一样向各个方向直进，而很少受到其他分子或原子的冲击与阻碍， 这样被蒸发的铜原子碰到被镀的待镀材料表面上，由于其表面温度较低，就凝结 形成铜膜。 图2 - 1 蒸发镀膜原理图 l 镀件转动工件2 钟罩 3 镀件固定夹4 镀件 ，5 加热蒸发电极 6 镀料( 铜或铝等) 4 7 加热电源 8 抽气系统 9 真空密封 1 0 蒸气流 1 1 观察窗 2 1 2 玻璃基片的清洗 在镀膜自口，对玻璃基片进行清洗，这是非常重用的工作，直接关系到成膜质 量的好坏。针对目前蒸镀合金时普遍存在的s i o 。基片表面附着力差，成膜不牢固 等问题，我们进行了基片清洗工作的实验。通过大量的反复实验，我们得出了一 套基片清洗的方法。采用此方法能很好得解决上述问题制得的f e s i b 薄膜均匀。 稳定，牢固。我们采用的清洗方法如下： ( 1 ) 先将基片用抛光粉打磨。 ( z ) 分为七个步骤对基片进行清洗，即按正己烷、丙酮、乙醇、去离子水、盐 酸+ 双氧水+ 氨水、两次异丙醇清洗的顺序对基片清洗，其中第一至第四步是为了 去除有机物，第五步是为了去除c e o z 抛光粉等重金属离子，最后两步是脱水干 燥过程。我们采用了超声波加强清沈效果。 ( 3 ) 将基片放入氮气炉中用干氮气欧干。 ( 4 ) 把基片放进真空舱内，在此过程中要特别注意避免空气中的灰尘和垃圾再 黏附在镜片表面。 ( 5 ) 最后的清洗工作是在真空舱内镀前进行的，用放置在真空舱内的离子枪轰 击基片的表面( 用氩离子) ，使玻璃基片表面吸附的异物产生脱附或分解，最后 被真空泵抽走，达到清洗目的。 2 1 ，3f e s i b 单层薄膜的制备方法 由于磁控溅射法可以很好得控制薄膜的各成分的比例，而真空蒸镀很难控制 各成分的比例，所以目静制各这类薄膜通常采用磁控溅射的方法。近年来，由于 合金工业的发展，我们采用事先按一定比例制得材料合金的方法很好的解决了这 个问题。我们把f e ( 纯度为9 9 9 ) ，s i ( 纯度为9 9 9 ) ，b ( 纯度为9 9 9 ) 按照 割原子比为7 7 5 ：7 5 ：1 5 的比例配比制得f e s i b 合金。 在实验中我们采用的是d m d e 一4 5 0 型镀膜机，带有磁偏转2 7 0 。电子枪及膜厚 控制仪，可蒸镀各种高低熔点的金属和氧化物材料。i ) m d e - 4 5 0 型真空镀膜机以高 真空油扩散泵为主祝，可获得1 0 l 旷帕的低气压环境。f e s i b 薄膜杏才料的原子比 为7 7 5 ：7 5 ：1 5 ，材料已事先按此比例制得合金。当真空室的真空度达n 5 1 0 1 帕时。对蒸发源进行加热，利用电子枪轰击事先放置在坩埚内的材料，在玻璃基 底上带i 得f e si b 薄膜。 在巨磁阻抗效应中，材料的磁各向异性起着关键性的作用，越来越多的实验 结果都证实了这一点。磁各向异性的重要性已经在非晶丝、非晶薄带中得到广泛 的研究m 。至于磁各向异性的来源，一般有三个：磁晶各向异性、形状各向异 性和磁场( 或应力等) 感生的磁各向异性。在磁晶各向非晶态合金中，由于原子呈 无序排列，没有晶体结构，因此不存异性。这样，非晶态薄膜中的磁各向异性类型 主要是指后两种。以往对薄膜中的巨磁阻抗效应韵研究主要集中于近零饱和磁致 伸缩系数( s ) 的c o 基合金材料中。例如( c o f e ) 。b 。( 凡s ：o ) 和f e , c o ，。s i 。b 。 ( 丑= l 1 0 1 ) 4 4 , 4 5 1 。这是因为在九s 接近零的薄膜中感生磁各向异性比较容易控 制。不过，对大磁致伸缩系数薄膜中磁各向异性与巨磁阻抗效应之间的关系研究 得较少“。我们在这里研究了大磁致伸缩系数f e s i b 材料的巨磁阻抗效应。f e s i b 薄膜是非晶态的，所以其本身并不具有磁晶各向异性。需要在制备过程中或随后 的热处理过程中采用一些工艺手段，可以在薄膜中获得较强的感生各向异性“。 为了使制得的f e s i b 薄膜具有巨磁阻抗效应，我们采用了在蒸镀的过程中，让玻 璃基片始终处在一个稳定的磁场当中的方法。利用在玻璃基片横向两侧加永久磁 铁的方法( 大约可提供0 0 3 t 的稳定磁场) ，使得在镀膜的整个过程中一直受到这 个稳定磁场的作用。通过这样制得的薄膜在短方向具有横向单轴磁各向异性。为 了实现在蒸镀过程玻璃基片能稳定固定在永磁铁产生的磁场当中，我们特地设计 和制作了一个铝合金材料的固定装置，如图2 2 所示。 图2 - 2 固定装置实物图片 把此装置放入钟罩内，其实物图2 3 如下所示： f e s i b 薄膜的饱和磁感应强度约为1 5 t ，是用振动样品磁强计v s m 测量的。 制得的f e s i b 薄膜的尺寸为6 0 m m x 2 5 m m 2 um 。测量薄膜厚度现在有很多种方 法，干涉法( 如半波长法，椭圆偏振光法) ，接触法( 如台阶仪) ，或者借助微观 分析手段直接观测薄膜厚度，本文中的薄膜厚度山f r t 薄膜厚度测量仪器测得。 对薄膜厚度的控制，我们采用了时i h j 控厚的原理，即蒸镀的其他条件一定，蒸镀 的时间越长，薄膜的厚度越厚，时间和膜厚几乎成一一对应的关系。采用此方法 可以使薄膜在制备的过程中厚度得到控制。 图2 - 3 钟罩内实物图 整个镀膜的操作过程具体步骤如下： ( 1 ) 打开电源，并开真空镀膜机的总电源( 在这之前应注意是否已经有循环水) ( 2 ) 丌磁力充分阀，对钟罩充气，充气完毕后关充气阀，开钟罩。 ( 3 ) 对钾罩内进行清理，并在增埚处加上f e 。5 s i ，。b 。材料。( 加料的时候注意 材料填满整个坩埚，不能存在空隙，否则容易产生溅射和击穿坩埚) ( 若是要镀 有g m i 效应的膜，要在钟罩内适当的位置放上永久磁铁，即在镀膜过程中沿薄膜 的横向施加磁场，注意制备得到的薄膜具有横向单轴各向异性) 。 ( 4 ) 在自己制作的固定装置内放置好清沈后的玻璃基片，并放置好永久磁铁。 比较片更换在钟罩顶上，圆形的比较片托盘装在转动杆上。 ( 5 ) 降下钟罩( 注意此时旁边没有障碍物，阻挡钟罩的下降) ，开机械泵，低 阀此时处在“抽钟罩”位置。亦即低阀是拉出状态，接通低真空测量。 ( 6 ) 机械泵对钟罩内抽低真空至6 7 帕以上。 ( 7 ) 将低阀往里推( 亦即抽系统状态) ，抽低真空至6 7 帕以上。 ( 8 ) 接通冷却水及扩散泵，将低阀推至“抽系统”位置，开扩散泵加热4 0 分 钟。 ( 9 ) 将低阀往外拉( 抽钟罩状态) ，当钟罩内的真空度在2 0 1 0 帕之间时丌轰 击同时丌“旋转”，大约1 0 1 5 分钟左右，电流值在5 0 l o o m a 之间，一般在 6 0 m a 左右。随着机械泵工作，真空度降低，则电流也会减小，则需加一定的电 压，使电流值有恒定的大小。而电压一般不能超过2 0 0 v 。抽低真空至6 7 帕以 上。 ( 1 0 ) 将低阀往里推至“抽系统”位置，开高阀，待真空度超过1 3 1 0 “帕时 接通高真空测量，开烘烤，继续抽真空，直到5 x1 0 - 3 帕( 期间要注意换档，并 在