（机械设计及理论专业论文）非晶态合金巨磁阻抗效应及电流传感器研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 将近零磁致伸缩系数的c 0 6 63 f e 37 s i l 2 8 1 8 非晶薄带卷成环形磁芯，在2 k a m 横向磁场作用下，用密度为2 5 a m m 2 的脉冲电流退火3 0 s ，并由磁芯轴线上的直 流电流提供环形磁场，可以获得显著的巨磁阻抗效应，利用巨磁阻抗效应研制了 新型电流传感器，主要内容如下： 分析了巨磁阻抗效应与激励电流的频率和幅值的关系。实验结果表明，激励 电流频率厂 1 0 0 k h z 时，样品阻抗随圆周磁场的变化呈现对称双峰曲线；在低 频下，最大阻抗变化率( g m i ) 。随频率的升高而增大，达到特征频率( f = 5 m h z ) 后随频率进一步升高而减小；增大激励电流幅值有利于提高磁阻抗效应。在频率 厂= 2 m h z ，幅值i 。= 1 0 m a 时，( g m i ) 。= 5 7 。 分析了直流偏置电流对巨磁阻抗效应的影响。直流偏置电流改变了非晶带横 向磁导率，造成阻抗变化的不对称。偏置电流较小时，阻抗变化曲线的边峰值 得到加强，另一边峰值减弱；偏置电流较大时，两峰值都被削弱。阻抗变化的不 对称性与激励电流的频率和直流偏置电流大小有紧密联系。 利用非晶薄带环形磁芯作为敏感元件，提出了一种利用巨磁阻抗效应制作的 新型非接触电流传感器。磁芯采用高频脉冲电流励磁，信号处理电路由峰值检波、 高稳定电压源、低通滤波及差动放大电路构成。分析了传感器的工作原理，对传 感器信号处理电路进行了参数设计计算，对测量结果进行了分析。通过对电路参 数的优化及负反馈设计，提高了传感器的分辨力、线性度、灵敏度和测量范围。 所研制的传感器可应用于弱电流检测领域。 关键词：钴基非晶薄带；环形磁芯；脉冲电流退火；巨磁阻抗效应；非接触测量 弱电流传感器 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c ee f f e c th a sb e e nm e a s u r e d i n n e a r z e r o m a g n e t o s t r i c t i o nc 0 6 6 3 f e 37 s i l 2 8 1 8a m o r p h o u sr i b b o nt o r o i d a lc o r ea n n e a l e dw i t h 2 5 a m m 2p u l s ec u r r e n td e n s i t yu n d e rat r a n s v e r s em a g n e t i cf i e l do f2 k a mf o r3 0 s e c o n d s t h ec i r c u l a rm a g n e t i cf i e l dw a ss u p p l i e db yd cc u r r e n tt h r o u g ht h ec e n t e r a n dp a r a l l e lt ot h ea x e so ft h et o r o i d a lc o r e an e wc u r r e n ts e n s o rb a s e do ng i a n t m a g n e t o i m p e d a n c e ( g m i ) e f f e c to fa m o r p h o u st o r o i d a lc o r ei sp r e s e n t e d t h em a i n r e s u l t sa r eg e n e r a l i z e da st h ef o l l o w i n g s ： t h eg m ie f f e c td e p e n d e n c eo nf r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo fd r i v i n ga cc u r r e n ti s a n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tg m ir a t i op r o f i l es h o w ss y m m e t r i ct w o p e a k sf o rf 10 0 k h za tz e r od cb i a sc u r r e n t t h em a x i m u mg m ir a t i oi n c r e a s e s c o n t i n u o u s l yw i t hf r e q u e n c yo fa cd r i v i n gc u r r e n tu pt o5 7 a t2 m h zw i t h a m p l i t u d eo f1 0 m a t h em a x i m u mg m i r a t i oh a sb e e no b t a i n e da taf r e q u e n c yo f5 m h z a s y m m e t r i cg m ip r o f i l ea p p e a r e d 、i mt h et r a n s v e r s ep e r m e a b i l i t yc h a n g e db y t h em a g n e t i cf i e l di n d u c e db yt h ed cb i a sc u r r e n t o n ep e a ke n h a n c e da n dt h e a n o t h e rd i m i n i s h e di nl o wd cb i a sc u r r e n ta n dt w op e a k sb o t hd i m i n i s h e di ns t r o n g v a l u e a s y m m e t r i cg m ir a t i op r o f i l ed e p e n d e n c eo nf r e q u e n c ya n dd cb i a sc u r r e n ti s a n a l y z e d an o v e ln o n - c o n t a c tt y p ec u r r e n ts e n s o ru t i l i z i n gg m ie f f e c ti na m o r p h o u s t o r o i d a lc o r ei ss t u d i e d t h et o r o i d a lc o r ew a se x c i t e db ys h a r pp u l s ec u r r e n t t h e s e n s o rc i r c u i ti s c o m p o s e do fp e a kv a l u ed e t e c t o r ，h i g hs t a b i l i t yd cp o w e r s u p p l y ，b u t t e r w o r t hl o w - p a s sf i l t e ra n dd i f f e r e n t i a la m p l i f i e r t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e o f t h es e n s o ri sa n a l y z e d t h ep a r a m e t e r so f s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e da n d t h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa r ep r e l i m i n a r ya n a l y z e d t h el i n e a r i t y ，s e n s i t i v i t y ，r e s o l u t i o n a n dr a n g eo ft h es e n s o ra r ei m p r o v e db yo p t i m i z i n gd e s i g nt ot h ec i r c u i tp a r a m e t e r s a n dc u r r e n tn e g a t i v ef e e d b a c k n l es e n s o rc a nb eu s e di nt h ew e a kc u r r e n tm e a s u r e m e n tf j e l d k e y w o r d s ：c o b a s e da m o r p h o u sr i b b o n ；t o r o i d a lc o r e ；p u l s ec u r r e n ta n n e a l i n g ；g i a n t m a g n e t o i m p e d a n c e ；n o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t ；w e a kc u r r e n ts e n s o r l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 土眄z 年石月1 日 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 走逸 艚教獬：孔 a 。簪6 ri | ；b 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 是理 日期：一2 句d 年乡月工 日 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 传感器技术是当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的一项高新技术，也是当代 科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大 支柱。传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋， 世界各国对开发传感器技术都十分重视，把传感器技术列为国家重点开发关键技 术之一，传感器产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术 含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。正是由于世 界各国普遍重视和投入开发，近十几年来，传感器技术的发展十分迅速，其产量 及市场需求也迅猛增长。 改革开放2 0 多年来，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步，“八五” 期间，我国把机械敏、力敏、气敏、湿敏、生物敏作为主要研究方向，“九五”和 “十五”期间，敏感元件及传感器成为重点发展的新型特种电子元器件，建立了 “传感技术国家重点实验室”、“微米纳米国家重点实验室”、“国家传感技 术工程中心”等研究开发基地，m e m s 、m o e m s 等研究项目列入了国家高新技 术发展重点，在“九五”国家重点科技攻关项目中，传感器技术研究取得了5 1 个品种8 6 个规格的新产品，初步建立了敏感元件与传感器产业，全国建立了一 批专门从事传感器的研制、生产和应用的科研单位，在“十五”计划中，m e m s 等5 项新型传感器被列入研究开发的重点。目前我国能批量生产或小批量生产的 产品涉及光敏、电压敏、热敏、力敏、气敏、磁敏和湿敏7 大类、约3 0 0 0 个品 种，在国民经济各部门和国防建设领域应用十分广泛。 虽然我国的传感器技术及其产业发展较快，但是与发达国家相比仍然存在很 大差距。主要表现为：一是产业基础还很薄弱，各大类传感器发展不均衡；二是 产品技术档次低，品种规格不齐全；三是技术创新能力薄弱，投资强度低，关键 技术受制于人；四是市场占有率低，相当一部分中、高档产品被国外公司占领。 我国传感器产业在科技投入( 经费、高级人才资源) 、产业环境( 世界市场占有 率、产业结构、企业规模、行销能力) 以及科技实力( 专利件数、新品开发周期、 江苏大学硕士学位论文 关键材料与零组件、量产能力) 三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧 洲等发达国家。 1 9 9 2 年，国家科技部提出了关于发展电子敏感技术的建议，对促进传感 器技术的发展起到了很大的推进作用，但由于多种因素的限制，产业化的速度一 直较慢，使我国传感器技术不仅落后于计算机技术的发展，而且已经成为我国电 子信息技术、生物技术、核技术、航天技术、新材料和自动化技术发展的约束。 许多自动化方面的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主 要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一 方面也表现为传感器自身在智能化和网络方面的落后。 技术推动是加速传感器技术发展的保证和机遇，多学科、多种高新技术的交 叉融合，推动了新一代传感器的诞生与发展。例如，当前我国正在重点开发的 m e m s ( 微电子与微机械的结合) 、m o m e s ( m e m s 与微光学的结合) 、智能传 感器( m e m s 与c p u 、信息控制技术的结合) 、生物化学传感器( m e m s 与生物 技术、电化学的结合) 等以及今后将大力开发的网络化传感器( m e m s 与网络 技术的结合) 、纳米传感器( 纳米技术与传感技术的结合) 均是多学科、多种学 科技术交叉融合的新一代传感器。 随着信息技术、微电子技术和计算机技术的发展，弱磁检测技术在航天航空、 无损检测、地磁测量、磁导航等领域中得到广泛应用，在工业自动化领域，电气 设备绝缘和漏电在线监测已成为及时发现安全隐患、提高电力设备运行可靠性的 重要技术手段，其核心问题就是研究高性能的磁电传感器，要求检测传感器具有 高的灵敏度、分辨力、线性度以及良好的抗干扰能力。十几年来，以微电子技术 为基础，金属超晶格制各技术的进步与完善，材料性能稳定性的提高，与此类材 料有关的磁有序、层间耦合、电子输运等性质的研究方兴未艾，新型敏感材料的 研制成功及新型磁电效应的发现，极大地推动了磁电传感器的开发研制。 1 1 1 巨磁阻抗效应简介 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 ) 效应是指材料的交流阻抗随外 加磁场改变而变化的特性，在高磁导率的软磁合金材料中，这种变化值大而且灵 敏度高，产生g m i 效应的主要原因是高频电流的趋肤效应。g m i 效应是逐步被 认识的，一些研究者首先注意到非晶材料的电阻r 随外加磁场日。和驱动电流频 江苏大学硕士学位论文 率厂的变化，并把它称为交流巨磁阻效应( a c g m r ) ，而另一些研究者发现材料 的电感随外加磁场显著变化，称之为磁电感效应( m a g n e t o i n d u c t i v e ，m i ) 不过 很快人们就意识到两者可以统- n 样品的阻抗随外磁场的变化上来。1 9 9 2 年， k m o h r i 等人【1 】在具有零或负磁致伸缩系数的钴基软磁非晶丝中首先发现并报道 了这一效应。他们通过实验发现，当非晶丝通以高频电流时，丝两端的电压振幅 随轴线磁场强度的改变而变化，这种变化具有无磁滞、响应快速、灵敏度高的特 点。在低频下，趋肤效应影响可以忽略，交变电压幅值随外磁场的变化关系主要 来自于电感分量，表现为巨磁电感效应。在高频下，趋肤效应的影响增强，电感 和电阻分量均随外磁场的改变而变化，表现出巨磁阻抗效应。 1 1 2 巨磁阻抗效应的应用 1 9 8 8 年b a i b i c h 等( 2 】在纳米级的f e c r 超晶格和f e c e f e 三明治结构中发现 了巨磁电阻( 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 ) 效应，在室温下电阻变化比值2 5 ， 在低温( 4 2 k ) 下电阻变化比值可达到1 1 0 ，比n i f e 合金中的m r 元件电阻变 化量大一个数量级，并对多层膜结构和颗粒结构体系进行了深入的研究。随着人 们对g m r 效应深入的研究和开发利用，- i q 以研究电子自旋作用为主同时开发 相关特殊用途器件的新学科一一自旋电子学逐渐新兴起来。1 9 9 3 年h e l m o l t 等人 【3 】在l a c a m n o 类钙钛矿氧化物中，发现室温下电阻变化可高达6 0 。目前， 巨磁电阻效应在磁电子学领域具有较大的应用价值，i b m 公司用g m r 自旋阀制 成了高密度硬盘磁头，数据记录密度达1 0 g b i t i n 2 ，在磁传感器领域也占有重要 位置。然而，g m r 效应在实际应用中有许多问题尚未解决，目前在实际中得到 应用的仅限于多层膜结构材料，如具有层间偶合特性的多层膜( f e c r ) 、自旋阀 多层膜( f e m n ，f e n “c u f c n i ) 、颗粒型多层膜( f e c o ) 和钙钛矿氧化物型多层 膜( a g m n 0 3 ) ，且在室温下的g m r 效应比较微弱。在磁传感器应用领域，只有 在较大的磁场下( 通常要达到1 0 0 0 0 g s 以上) 才能出现较为显著的g m r 效应， 灵敏度一般不超过5 o e ，而且存在磁滞，温度稳定性差等缺点，这极大限制了 g m r 传感器在弱磁场检测上的应用。 g m i 效应能在几微米长度的非晶丝、带和薄膜中观察到，并具有较大的灵敏 度，可制成微米尺寸的高灵敏度磁头和传感器，用于高密度信息存储和磁场检测 等领域。与多层膜中的g m r 效应比较，在室温条件下，g m i 效应的磁场灵敏度 江苏大学硕士学位论文 可以高出一个数量级。与磁场灵敏度高的磁通门器件相比，用g m i 效应制成的 传感器不仅结构简单，而且响应速度快。磁通门器件的反应频率最多只有几千赫 兹，而g m i 效应器件响应频率高达几十兆赫兹。与霍耳元件传感器相比，g m i 效应传感器的温度稳定性更高，温度漂移小。由于巨磁阻抗效应传感器检测的是 磁通量而不是磁通量的变化，可以实现非接触检测。采用交流电流激励，易于实 现滤波、调制、解调，这是g m r 传感器所不能做到的。表l 一1 给出了不同类 型的微型磁场传感器的性能参数比较。可见，g m i 效应是这几类磁阻效应中磁 场灵敏度最高的，易于制成高灵敏度、微结构、无磁滞的弱磁场传感器。由于 g m i 效应在磁记录头和传感器技术中具有巨大的应用前景，为研制新型高灵敏 度的磁传感器和磁记录技术开辟了新途径，因而引起了各国学者广泛的研究兴 趣，成为当前研究的热点课题。 表1 - - 1 微型磁场传感器及特性【4 e l e m e n t sn l i n f i l m h a i l m rg m rg m i ( s e n s o r ) f g s m a t e r i a l i n s b ，g a a sn i f e ，f e c om u l t i l a y e rw k e ，f i l m f e n i s e n s i t i v i t y o 1 o e l1 0 e 11 0 - 1 0 0 o e l d e t e c t i o nf i e l do 5 2 0 k o e 0 5 2 0 0 0 e 0 1 5 0 0 ei o o 1 0 e1 0 巧i o e f r e q u e n c y 0 - 5 k h z0 - 1 0 m h z0 1 0 m h zo 1 0 m h zo l o k h z h e a ds i z e ( m m )o 10 0 1 o 1o 0 1 o 1o 1 23 2 0 率高达1 0 6 0 e 、快速响应频率2 0 3 0 m h z 、最高使用温度1 8 0 、功率消耗1 0 m w 的g m i 元件。这种微型传感器能满足计算机外围设备、信息系统、机械电子学、 医疗电子学及工业测量所需的高性能微磁传感器对探测频率为0 - - 1 0 m h z 的局 部弱磁通的需要，而这些弱磁通是高密度硬盘、软盘和盘驱动系统的旋转编码器 中需检测的。据报道，国外正在开发的g m i 器件还有：磁记录读写头、g m i 高 精度( 位移、角度、电流等) 传感器组件、高响应速度的大电流传感器( 用于交 直流电动机调速) 、生物传感器( 如测量人的眼部运动) 等，g m i 软磁材料在电 磁发射系统，特别是微型电磁发射装置中也有望得到应用。 1 2 本文的研究内容 综上所述，非晶、纳米晶合金软磁合金材料的g m i 效应是一种新型磁电效 应，利用g m i 效应研制的磁电传感器具有优异的综合性能，可以广泛应用于电 4 江苏大学硕士学位论文 子信息、工业自动化、汽车工业等众多领域，在国外已受到越来越广泛的关注。 国内对g m i 效应的研究工作开展仅数年，根据现有文献资料的报道，已经开展 的工作为研究不同组分、不同形状的非晶材料的g m i 效应，致力于如何提高材 料的阻抗变化率以及在新材料、复合材料中发现g m i 效应，试图从不同角度说 明g m i 效应的起因、应用条件，在这之中，很多研究人员都关注磁场退火或应 力退火感生的各向异性对g m i 效应的影响，而对于传感器的应用开发研究不多。 我们有理由相信，无论对g m i 效应还是对g m i 传感器的研究都还处于探索阶段， 其发展前景不可估量。我们在分析了g m i 效应的研究现状的基础上，确定了本 论文的研究内容主要包括两个方面： ( 1 ) 钴基环形非晶带g m i 效应研究。 单辊快淬法制成的近零磁致伸缩系数c 0 6 63 f e 37 s i l 2 8 1 8 非晶合金薄带，卷制 成环形磁芯后，在横向磁场作用下，用脉冲电流进行磁场退火处理，感生出的各 向异性的易磁化方向垂直于薄带的甩制方向，在磁芯轴线上的直流电流提供环形 磁场作用下，可以获得显著的g m i 效应。通过实验，分析了g m i 效应与激励电 流的频率和幅值的关系，直流偏置电流对g m i 效应的影响。 ( 2 ) g m i 效应电流传感器设计。 利用非晶薄带环形磁芯作为敏感元件，设计了信号处理电路，研制出一种新 型非接触电流传感器。分析了传感器的工作原理，对传感器信号处理电路进行了 参数设计计算，对测量结果进行了分析。通过对电路参数的优化及电流负反馈设 计，提高了传感器的分辨力、线性度、灵敏度和测量范围。 江苏大学硕士学位论文 第二章g m i 效应研究综述 2 16 m i 效应的来源 自从1 9 9 2 年k m o h r i 在非晶丝中发现g m i 效应以来，许多研究人员都试图 从理论上进行解释。但是，就目前的研究情况来看，对g m i 效应的理论研究还 主要集中在宏观层次上，远没有g m r 效应的理论研究深入。一般认为，g m i 效应可用电磁场理论来解释6 一引。当给一非晶丝通以轴向交变电流= 厶p “，在 电流频率较低时，按照电磁感应定律，在导线周围可以产生一环形感应磁场巩 = 去 ( 2 - 1 ) 式中口为测量点到丝轴的距离，交变磁场产生的磁通量，在丝的两端产生一 感生电压圪 忙警一墨鲁一s 等警 z ， 式中s 为磁力线在丝中穿过的横截面积，为磁感应强度，d d h ，为横 向微分磁导率心( 沿圆周方向的分量) ，对于铁磁性材料，心是交变电流幅值 i o 、频率、外加直流磁场。的函数，此时丝上总电压v = x r + v 。( r 为丝的直 流电阻) ，将墨= ，( ，、，分别为丝的半径和长度) ，代入式2 - 2 ，可得 吒= 一瓦i 鳓瓴，国，也) ，石d ( 2 - 3 ) 幅值为 吲2 瓦i 心瓴以也) ( 2 - 4 ) 从式2 = 3 可以看出，如果沿丝轴线方向外加一直流磁场h 。，微分磁导率心 将发生改变，从而改变感应电动势屹，使丝两端输出电压矿发生改变，这就是 低频条件下，磁电感效应产生的原因。根据自感定义l = 圪( 刃a t ) = 吒弛， 电感变化率为 6 江苏大学硕士学位论文 竺：墨亟! 二墨略三! ! ：匕( 丝! = 匕略三! ! ：丛生塑莩丝趔 厶三( 心= 0 )圪( 也= 0 ) 心忆，6 0 2 ) ，0 ) ( 2 - 5 ) 式中l ( h o ) 、圪( 日。) 为外加磁场为h 。时的三和屹。对与优质的软磁材料， 微分磁导率很高，产生的感抗变化也较明显。 随着激励电流频率的增高，趋肤效应开始发生作用，即距离表面愈近，电流 密度愈大，愈深入导体内部，电流密度愈小。趋肤深度定义为矗 ，式 中p 为材料电阻率，为激励电流角频率， t o 为真空磁导率，。为磁导率。利 用m a x w e l l 方程组可以推导出材料的交流阻抗z = r + i x 非晶丝的阻抗表达式【9 】为 z 专地矧 e ， 式中f ：仃，k ：旱，口为非晶丝半径，以为趋肤深度，山( 勋) 和以( 如) 为 零阶和一阶贝塞尔函数，r 。表示丝的直流电阻。 薄带和薄膜的阻抗表达式9 1 为 z = i k d r 女c o t h ( i k d ) ( 2 7 ) 式中薄带的厚度为2 d ，r 。表示带或膜的直流电阻。 2 图2 一l 非晶薄带匙肤效应 如图2 - - 1 所示，在高频交流电流激励下，趋肤深度氏远小于薄带厚度2 d 和 宽度珊，趋肤深度外的电流非常微弱，可以被忽略，此时薄带的电阻r 和电抗肖 可近似表达【1 0 】为 互蝴 江苏大学硕士学位论文 r = 菇b = 需工 肛背4 1 w = 型4 三一wi ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 近年来复合结构的丝、电镀薄带和多层薄膜中的g m i 效应受到很多关注， 因为这些结构中出现的g m i 效应远强于单丝、薄带和单层膜中的效应，并且出 现效应的频率也低得多。对于多层复合结构中的g m i 效应 1 l - 1 3 】产生的原因目前 还不是很清楚，仅仅用趋肤效应来解释是很不合适的。许多研究人员提出了多层 结构中的g m i 效应理论模型u 4 , 1 5 ，试图给出复合材料中的阻抗表达式，找出阻 抗随磁场或频率的变化规律，但这些理论都不是很完美，只能解释部分实验结果。 从以上分析可以得出一个规律，即软磁材料的高频交流阻抗、电阻、电抗的 变化都与材料磁导率有紧密联系。g m i 效应产生的根源就在于外加磁场改变了 材料的磁导率，使得阻抗发生变化。如果选用具有良好导电性能的优质软磁性材 料，即电导率盯和磁导率“都较大，那么微弱的外加磁场就能导致阻抗发生显 著变化。 2 2g 效应的理论研究现状 g m i 效应的起源主要就在于软磁材料的磁导率与外加磁场密切相关，目前提 出的g m i 效应理论都是寻找磁导率的近似公式，以描述轴向交流电流激励下的 磁畴响应，磁化是通过畴壁位移和磁畴转动来进行的，a t k i n s o n 和s q u i r e 1 司以及 m a c h a d o 和r e z e n d e r u7 】提出的准静态模型就考虑了畴壁位移和磁畴转动，由于这 些模型没有考虑与磁化强度快速运动的动态效应，所以只有在低频情况下实用。 p a n i n a 和m o h r i 【6 j 以及c h e n 等【1 8 】从理论上考虑受涡流阻尼的畸壁运动对g m i 的 影响，发现在频率较小时，磁化主要由畴壁位移引起，当外磁场达到各向异性场 凰时，磁畴转动作用越来越重要，随激励频率的增加，涡流对畴壁运动的阻尼增 加，即便是在外加磁场皿。 出。， 所以在低频( c o n ) 下，磁导率随频率的升高而下降主要是与局域涡流产生 的畴壁位移阻尼有关。 在低频条件( n ) 下，趋肤深度矗远大于非晶丝半径口，有效圆周磁 导率【2 8 】为 鳓2 心+ 。磁老 式中心0 为静态圆周磁导率， 可以得到阻抗表达式近似为 ( 2 - 1 2 ) 以为静态畴壁磁化率。将式2 一1 2 代入式2 - 6 一 1 + ( 批m + 矧2 归厶 ( 2 - 1 3 ) 江苏大学硕士学位论文 屯= t 兰f 一，三，= 晦0 1 1 2 2 万2 睨 式2 1 3 中的电阻分量与趋肤深度成一2 次方关系，外磁场对其的影响很小， 阻抗变化主要来自于电感分量。 在高频条件下，瓯 d ，畴壁位移被涡流强烈地阻尼掉了，可以被忽略，磁 畴转动成为磁化过程的主要因素。从m a x w e l l 方程组出发，可以得到有效磁导率 为【9 】 f = 1 + 4 万b 么+ s i n 2 p + 以1 ，) ( 2 1 4 ) 式中，如分别为畴壁位移和磁畴转动引起的磁化率， k + s i n 2 p + 吼) 批) 是对局域各向异性轴进行平均，假设局域各向异性轴是按 g a u s s 分布。口为平衡态磁化强度和局域各向异性轴间的夹角，嚷是各向异性轴 和圆周切向间的夹角。高频下大幅度减小，可以用线性近似表示【2 9 】 = 成( 1 一i c o l g o “) ( 2 1 5 ) 对应的有效磁导率为 驴咖小( t + 蔫 + r ( 警剖 旧 式中比为畴壁位移产生的静态磁化率。p a n i n a 等9 1 人根据以上分析计算得 到了非晶丝的有效磁导率实部疋和虚部疋随外加磁场日。的变化关系，如图2 5 所示。 0 3 0 2 0 1 , u e f ， 僧z 拟 ，、3 m h z 入9 舭 32 1 o 123 h = h e x h k 三兰丘矗#ijoq q a i 芑脚啦。 江苏大学硕士学位论文 室o 3 蠢0 2 专0 1 尝 p f = 1 5 m h z 瓦0 3 m h z f7 ( b ) 矿1 9 m h zk 321o123 h = h e x f i - - x k 图2 5 非晶丝有效磁导率实部砖( a ) 和虚部砖( b ) 随外磁场f 毛的变化关系 采用4 7 啦= 6 0 0 0 g s ，巩= 2 5 0 , ，2 a 0 = 2 0 。，2 a o = ( ) “2 为各向异性分 散角，静态磁导率i + 4 n - x o = 1 3 0 0 0 。横坐标为外磁场日。与各向异性场峨的比 值。由此计算出的阻抗随外磁场的变化关系如图2 - - 6 所示。 3 。 q 2 亘 l勿匙 2- lol23 h = h e x h k 图2 - 6 非晶丝阻抗z 随外磁场日。的变化关系 横坐标采用约化频率= 0 ，占) 2 = 2 r c c a a 2 g c 2 。从图中可以看出，在低频下， 阻抗z 随磁场单调下降，外磁场日。= 0 时，阻抗为最大值。高频下，阻抗随外 磁场的增加首先增大，在h 。= 时出现双峰值，随着上0 的进一步增大，阻 抗迅速减小。 2 4 2 非晶带g m i 效应计算 从热力学的观点看，磁畴结构的形成以及磁化过程中的磁化曲线、磁滞回线 上的每一点都代表磁体的一个平衡状态，即系统的总自由能最小。因此，研究磁 1 4 江苏大学硕士学位论文 畴结构和磁化过程最基本的方法就是计算其总自由能并找出总自由能的最小值。 当温度远低于居里温度时( t 0 时，磁畴趋向与平行于张应力方向口”，沿轴向 的磁化较容易。 对于非晶带，感生各向异性也是提高g m i 效应的有效途径。s o m m e r 等f 3 6 】 研究了c o f e n i m o s i b 非晶带在原始态( a c ) 、零磁场退火( z f a ) 、轴向磁场退 火( l a ) 以及横向磁场退火四中条件下的巨磁阻抗特性，退火温度为3 0 0 ，时 间1 5 m i n ，磁场强度2 0 0 0 0 e ，图2 1 0 为g m i 效应测量结果。原始状态薄带出 现1 5 的阻抗变化，零磁场退火后阻抗变化稍弱，轴向磁场退火后阻抗变化几乎 为零，横向磁场作用下退火，阻抗变化值最大。 _ _ 随z f a八 卜八n 一4 0。2 002 0 4 0 h ( o e ) 图2 - 1 0 不同磁场条件下c o f e n i m o s i b 非晶带6 m i 特性 采用直流电流退火也可以在薄带中感生横向磁各向异性，g l v l i 效应的强弱与 退火电流的强度相关，图2 1 1 为原始态c o f e s i b 带及不同电流强度退火后的 磁滞回线和g m i 效应曲线【3 7 】。原始态样品中阻抗随外磁场的增加而单调下降， 而经过电流退火的样品阻抗变化率最大值达4 0 0 ( 采用2 - 1 1 式阻抗变化率定义 方法) ，图中曲线a 为原始态、曲线b 、c 、d 的退火电流密度分别为o 5 8 1 0 7 刖m 2 、 o 8 7 x1 0 7 h 2 、1 1 6 1 0 7 a m 2 。此外，应力作用对非晶带的磁畴结构也有显著 的影响，应力退火也能感生横向各向异性，k u r l y a n d s k a y a 等人【3 8 】就对 f e 3 c 0 6 7 c r 3 s i l 5 8 1 2 非晶带进行了应力退火处理，并对磁畴结构和其g m i 效应进行 了研究。 国内也有一些学者正进行着这方面的研究【3 4 j 9 挪】，并得到了许多有益的结论。 1 8 一莩b o 巡n q 江苏大学硕士学位论文 l ( a l 秽一盥： _ - 屯 二一荔 妻 目 图2 - 1 1c o f e s i b 非晶带经不同电流强度退火后的磁滞回线和g m t 效应曲线 综合以上分析，目前普遍认为，对非晶丝进行适当的应力退火，对非晶带在 应力或横向磁场作用下退火，不仅能减小制备过程中产生的内应力，还能够感生 磁各向异性，提高材料初始磁导率，改善软磁特性，有利于提高g m i 效应，增 加磁场灵敏度。由于g m i 效应在微磁电传感器、磁编码器及磁记录头等技术中 具有广泛的应用前景，因而g m i 效应的材料开发及其规律研究引起了人们广泛 的关注。 1 9 江苏大学硕士学位论文 第三章非晶薄带环形磁芯g m i 效应实验 3 1 样品制备 3 1 1 非晶态合金的基本特征 物质就其原子排列方式可以划分为晶体和非晶体两类。晶体为典型的有序结 。 构，物质内的原子为长程有序，周期排列，其结构具有平移对称性。通常情况下， 液态金属凝固时体积减小，在凝固点逐渐结晶，最后形成原子排列有序的晶体。 非晶体内部原子或原子团不具有长程序，只是在几个原子间距内有短程序，主要 包括非晶态合金、非晶态半导体、非晶态超导体及非晶态聚合物。目前，常用的 软磁材料如硅钢和坡莫合金，它们都是晶态材料，原子在三维空间做规则排列， 形成周期性的点阵结构，存在着晶粒、晶界、位错、间隙原子、磁晶各向异性等 缺陷，这对提高材料软磁性能很不利。从磁性物理学上来说，原子不规则排列、 不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构对获得优异软磁性能是十分理想的。 非晶态金属与合金是7 0 年代问世的一个新型材料领域，它的制备采用了超 急冷凝固技术，从熔液到薄带成品一次成型，比一般冷轧金属薄带制造工艺减少 了许多中间工序，由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到 的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在。迄今为止，非晶 态合金开发应用最多的是作为优质软磁材料，它们在化学成分上的一个共同点是 由两类元素组成。一类是铁、钴、镍等铁磁性元素，用来产生磁性。另一类是硅、 。 硼、碳等类金属，用来降低合金的熔点，易于形成非晶态。非晶态合金本质上是 软磁性的，希望它有高的饱和磁感应强度和磁导率、低矫顽力，而这些软磁性能 又和材料的磁晶各向异性和磁致伸缩系数有密切关系。磁晶各向异性和磁致伸缩 系数越小，组织结构越均匀，材料的软磁性能就越好。非晶态原子处于能量较高 状态，从磁学特征看属于各向同性，短程序位形的随机分布使得局域各向异性“平 均”掉了，局域磁晶各向异性在宏观上不会表现出来，而且不存在晶粒边界、错 位等防碍磁畴运动，矫顽力小。但由于统计的涨落，局域磁晶各向异性总不可能 被完全平均掉，非晶磁性材料起源于短程相互作用的磁致伸缩一般不为零。当通 江苏大学硕士学位论文 过适当的成分配比，使材料饱和磁致伸缩系数2 sz0 时，则可得到高磁导率、低 矫顽力。此外，非晶态合金的电阻率高，与晶态同材料相比可大一至两个数量级， 这主要是由于剩余电阻率大所造成的。温度系数小( 1 ) ，而且往往是负值， 因此非晶材料的涡流损耗低，频率特性好。非晶态的结构均匀，各向同性特点也 决定了非晶材料的高强度，很强的抗腐蚀性，高的强度、硬度和韧性。表3 1 列出了常用非晶态合金的技术特性【3 6 j 。 表3 一l 常用非晶态合金的技术特性 成分 b sh c 。 五毛 p ( t )( a m ) ( m h ，m )( 1 0 4 )( ) ( ) ( 厶2 c m ) f e s l b n5 s i 35 c 2 1 6 l3 1 83 7 73 03 7 04 2 01 4 5 铁基 f 7 c o l 8 8 1 4 s i i 1 8 03 9 83 1 53 54 1 54 3 01 3 0 f e s o ( s i b ) 2 0 1 6 2 2 2 4 3 9 02 04 2 04 8 7 1 6 0 c 0 3 s f e 76 n i 3 04 s i 6 b l s 0 6 0o 2 46 1 3 0 3 1 94 4 3 1 2 0 钴基 c 0 6 6 f e 4 ( m n s i b ) 3 0 0 5 50 3 1 83 8 00 52 5 05 0 01 3 5 c o e e3 f e 37 s ie 2 b f s 0 8 4o 1 5 9 o 2 2 55 0 0】2 5 f e 4 0 n p 1 4 8 6 o 7 8 0 4 8 1 3 8 0 l l2 5 0 4 1 2 1 8 0 铁镍基 f e 4 0 n i 4 0 ( m o s i b ) 2 0 o 8 01 0 36 2 082 7 04 5 01 3 5 f e 2 9 n i 4 9 p l a b 6 s i 2 0 4 5 1 2 0 9 9 65 1 3 51 7 3 过渡金 f e s l c o g z h o 1 2 01 5 93 8 01 11 9 14 9 51 6 0 属一金 c 0 7 7 c r l l 7 z r l l 3 0 5 40 5 6 o 3 6 05 4 91 2 6 属型 c 0 8 35 w 6o z r l o5 0 7 20 5 5 7 0 4 5 35 7 8 1 3 7 注：b s 为饱和磁感应强度；日c 为矫顽力；。为最大磁导率：五为饱和磁致伸缩系数： 为居里温度；巧为晶化温度；p 为电阻率 非晶态合金按主要成分组成可以分为三类：( 1 ) 过渡金属一类金属系 ( t m m ) ；( 2 ) 稀土一过渡金属系( r e t m ) ；( 3 ) 过渡金属一金属系( t m m t ) 。 从表3 1 可以分析得出，铁的原子磁矩最大，铁基非