（应用化学专业论文）电化学合成同轴电缆结构复合丝及其巨磁阻抗效应的研究.pdf

中文摘要 本文在导电性良好的铜丝表面镀覆软磁材料，成功地合成出具有显著巨磁阻 抗效应( g i a n tm a g n e t i ci m p e d a n c ee f f e c t ，简称g m i ) 的c o p c u 复合丝和f e n i c u 复合丝。钴磷( c o p ) 为非晶合会，铁镍( f e n i ) 为坡莫合金。 研究了电沉积条件对c o p 软磁及f e n i 坡莫软磁镀层的合金组成及磁性能的 影响，测试了c o p c u 、f e n i c u 两组复合丝的巨磁阻抗效应随铁磁外壳层成分 的变化曲线，比较了巨磁阻抗效应与外壳磁性层磁性能之间的关系，铁磁外壳层 磁性越软，巨磁阻抗效应越显著。c o p 磁性外壳层中p 的质量百分比含量为1 1 5 时，复合丝g m i 值高达4 4 1 ，磁场灵敏度最高可达o 2 ( a m ) ( 约1 6 5 o e ) 。 研究了复合丝巨磁阻抗效应的磁场响应特性，复合丝巨磁阻抗效应随磁场的 响应出现以下两种情况：c 0 8 57 p 1 4 3 一c u 、c o s s5 p n5 - c u 、c 0 8 9 4 p i 06 - c u 与 f e 4 0 n i 6 0 c u 复合丝的巨磁阻抗效应随磁场的增加先缓慢增加，当达到最高点后又 逐渐下降，直至饱和；另一类复合丝如c 0 8 98 p 1 0 2 c u 、f e l 2 n i 8 8 c u 、f e l 5 n i 8 5 c u 与f e ”n i 8 3 - c u 的巨磁阻抗效应则随磁场的增加而单调递减，直至饱和。 研究了复合丝巨磁阻抗效应的频谱特性，由于同轴电缆式的特殊结构，复合 丝巨磁阻抗效应具有较低的特征频率及较宽的频率适用范围，讨论了驱动交流电 幅值及添加直流偏置对复合丝巨磁阻抗效应的影响。 研究了复合丝磁性外壳层厚度、铜丝直径对巨磁阻抗效应的影响，发现g m i 效应随磁性外壳厚度的增大及铜丝直径的增大而增大，特征频率向低频端移动。 利用m a x w e l l 方程及l l g 动力学方程推导出单轴各向异性复合丝的阻抗表 达式，建立了复合丝巨磁阻抗效应的理论模型。经计算，复合丝的巨磁阻抗效应 随外加直流磁场及驱动频率的变化，均与实验结果( 曲线) 相吻合，证实了数学 模型及理论计算的正确性。 计算了复合丝和单质丝的巨磁阻抗效应，计算结果说明，由于采用了同轴电 缆结构，复合丝较单质丝的巨磁阻抗效应得到很大的增强，且这种增强效应存在 最佳频率范围，超出这一范围增强效应减弱。 计算了复合丝内芯( 导电丝) 导电率对巨磁阻抗效应的影响，复合丝巨磁阻 抗效应随磁场的变化规律不受导电丝导电率的影响，但导电率越高，获得的巨磁 阻抗效应越强。 首次从理论上对直径一定的复合丝进行了优化，得到了不同驱动频率下最佳 的内芯半径与铁磁层厚度之比值，驱动频率越高此比值越大( 铁磁层越薄) 。 关键词：巨磁阻抗复合丝铁镍合金钴磷合金电沉积 a b s t r a c c o m p l e xw i r e s w i t i ig i a n tm a g n e t i ci m p e d a n c e ( g m i ) e f f e c th a v eb e e np r o d u c e d b ye l e c t r o d e p o s i t i n g s o f tm a g n e t i c a l l o yc o a t i n go v e rc y l i n d r i c a lc us u b s t r a t e s c o m p l e xw i r e sd e p o s i t e dw i t i ic o pa l l o ya r ec o p c uc o m p l e xw i r e sa n dt h a t d e p o s i t e dw i t i if e n ia l l o ya r ef e n i - c uc o m p l e xw i r e s i th a sb e a ns t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fc o pa n df e n is o f tm a g n e t i ca l l o yr e l a t i v e c o n t e n ta n db a s i cm a g n e t i s mw i t h e l e e t r o d e p o s i t i o nt e c h n i c sc o n d i t i o n s n l e d e p e n d e n c eo fg m io ft w og r o u po fc o - p 、f e n i - c uc o m p l e xw i r e so nc o n t e n ti n d e p o s i t sh a sb e e nt e s t e da n dt h er e l a t i o n s h i po fs o f tm a g n e t i s ma n dg m ie f f e c tw a s c o m p a r e d i ti sf o u n dt h a ts o f im a g n e t i s mi sb e t t e r , g m ir a d i oi sg r e a t e r g m ie 仃b c t o fc o m p l e xw i r e sa r ev e r yg r e a t ，b e s to fa l li sc o s ss p n 5 一c uc o m p l e xw i r ew h i c hg m i r a d i oi s4 4 1 b e s to f m a g n e t i cf i e l ds e n s i t i v ed e g r e ei so 2 ( a m ) ( a b o u t l 6 5 o e ) i th a sp a r t i c u l a r l yb e e ni n v e s t i g a t e dt h ed e p e n d e n c eo fg m le f f e c to nd c m a g n e t i cf i e l d t h e r ea r et w os o r t so fd e p e n d e n c e s ，g m ir a d i oi n c r e a s e ss l i g h t l yt o ap e a ka n dt h e nd e c r e a s e st os a t u r a t e dv a l u ew i t hi n c r e a s i n go fd cm a g n e t i cf i e l d ； g r a d i od e c r e a s e sm o n o t o n o u s l yt os a t u r a t i o n i th a sb e e ns t u d i e dt h a t 1 1 l ea cf r e q u e n c ys d e c t r u mo fg m ii nd e t a i l t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tg m ie 岱：c to ft h ec o m p l e x s t r u c t u r es a m p l eh a sl o w e r c h a r a c t e r i s t i c 仃e q u e n c ya n dw i d e rw o r kf r e q u e n c yr a n g ew h i c ha r eo fi m p o r t a n c ef o r t e c h n o l o g i c a la p p l i c a t i o n s c o m p l e xw i r ei sp r o v i d e dw i t hb i g g e rg m ir a t i ow h e nt h e a m p l i t u d eo fa cc u r r e n tf l o w i n gt h r o u g hi ti sg r e a t e r , b u tw h e nd cm a g n e t i cf i e l di s o v e rs o m ef i e l di n t e n s i t y , g m ir a t i od o n td e p e n do na m p l i t u d eo fa cc h i t e n t g m i e f f e c th a sn oc h a n g ew h e na d d i n gad cb i a sc u r r e n tb e l o w2 0m a i na d d i t i o n , o n e g r o u po fs a m p l e sw i t hd i f f e r e n tm a g n e t i cs h e l lt h i c k n e s sa n ds a m ec nw i r ed i a m e t e r a n dt h eo t h e rg r o u po fs a m p l e sw i t hd i f f e r e n tc uw i r ed i a m e t e ra n ds a m em a g n e t i c s h e l lt h i c k n e s sh a v eb e e np r e p a r e dr e s p e c t i v e l yt o i n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo f s t r u c t u r et og m ie f f b c t i ti sf o u n dt h a tt h em a g n e t i cs h e l li st h i c k e ro rc uw i r e d i a m e t e ri sb i g g e r , t h eg m ie f f e c ti ss t r o n g e ra sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yi s l o w e e l a s t l y , b a s e do nt h eb o u n d a r yc o n d i t i o nd i r e c t l yc o n n e c t i n go fm a g n e t i cs h e l l a n dc o n d u c t i n gc o r ea n dr e d i s t r i b u t i n go fa cc u r r e n ti nc o m p l e xw i r ew i t hs t r u c t u r e o fc o a x i a lc a b l e ，e l e c t r o m a g n e t i cm o d e li sg i v e n t h ei m p e d a n c ee x p r e s s i o no f c o m p l e xw i r ei s e d u c e db ye q u a t i o nm a x w e l la n de q u a t i o nl a n d a u l i f s h i t z g i l b e r t r e s u l t ss h o wt h a tg m io fc o m p l e xw i r eh a sb e e ne n h a n c e db e c a u s eo fi t s s t r u c t u r eo fc o a x i a lc a b l ea n dt h ec o n d u c t i v i t vo fc o r ei sg r e a t e r , t h eg m ie f f e c ti s m o r eo b v i o u s i ti sa l s oa n a l y z e dn u m e r i c a l l yi nd e t a i lt h a ta l lo p t i m u mr a t i oo f r a d i u s o f c o r ea n dt h i c k n e s so fs h e l li sb e n e f i c i a lt ot h ei m p r o v e m e n to f t h eg m ie f f e c tf o ra c o m p l e xw i r ew h o s ew h o l er a d i u si sf i x e d k e y w o r d s ：g i a n tm a g n e t i ci m p e d a n c e ( g m i ) ，c o m p l e xw i r e ，f e n ia l l o y , c o pa l l o y , e l e c l r o d e p o s i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：赵谬、廷 签字同期：口口罗年f 2 月z p 只 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：越涉。炙 导师签名 獭考定 签字同期：z 。哆年j 1 月2 口r 签字f 1 期：z 一，年仅月励同 天津大学博十学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 材料、能源、信息技术被认为是现代文明的三大支柱，从现代科技发展史可 以看出，每一项重大的新技术出现，往往都依赖于新材料的发展。所谓新材料是 指最近发展或正在发展中的具有比传统材料更为优异性能的一类材料。目前世界 上的材料已有几十万种，而且新材料正以每年大约5 的速度增长。现今全世界 人工合成的化合物已有8 0 0 多万种，而且每年还以2 5 万种的速度递增。其中有 相当一部分将成为新材料。当前所进行的这场新材料技术革命，对材料提出了阿 所未有的高要求：一是超高温( 3 0 0 0 0 c 以上) ；二是超强度f 每平方米2 0 0 0 公斤 以上) ：三是超微比重( 每立方厘米1 3 克以下) ：四是多功能；血是无污染( 可自 毁) ；六是可再生。随着科学技术的发展，现在具有上述性能的材料已展现在人 类面前，并在社会生产和生活中日益发挥着重要的作用。 磁性材料是功能材料的一个重要分支，利用磁性材料制成的磁性元器件具有 转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等功能，广泛地应用于能源、电信、 自动控制、通讯、家用电器、生物、医疗卫生、轻工、选矿、物理探矿、军工等 领域，尤其在信息技术等领域已成为不可缺少的组成部分。信息化发展总的趋 势是向小、轻、薄以及多助能、数字化、智能化方向发展，因此对磁性材料提出 了更高的标准，要求磁性材料制造的元器件不仅具有大容量、小型化、高速度， 而且具有可靠性、耐久性、抗振动和低成本等特点。此外，应用磁学与其他科学 技术相互渗透、交叉、相互联系，成为现代高新技术群体中不可缺少的组成部分 【lj 。磁功能材料在信息技术领域r 益显示出其重要性，2 0 0 0 年美国j j i 总统克林 顿向国会提出增加纳米科技经费的主要依据之一就是巨磁电阻效应器件所显示 出来的巨大经济效益和社会效益。磁性材料的研究成为世界各国科学家们探索的 热点之一】。 以磁性材料为敏感元件的磁传感器作为传感器家族中极其重要的一员，已经 广泛的应用在国民经济的各个领域中，如铁磁会属薄膜( n i f e ，f e c o 基) 磁敏 器件；使用f e c o v 合金丝的威氏器件，基于热敏铁氧体的热簧丌关；利用法拉 第原理设计的光纤电流传感器和隔离器等等。从使用的功能上看，磁传感器可制 成磁编码器、位移传感器、转速传感器、气象传感器、新电功能图传感器等等， 磁传感器几乎可应用在任何自动控制和传感领域。 天津人学膊十学何论文第一章绪论 对物性型传感器来说，功能材料是其发展的基础。每一项新功能材料的丌发 和成功应用，都可能对传感器产品的研制和改进产生新的推进作用。为了获得更 灵敏、功能更丰富的磁传感器，就必须研制开发出具有新型磁功能效应的材料。 一些业内专家针对我国国情和国外技术发展趋势，指出了国内今后1 5 年应重点 研发的6 项传感技术，重点丌发新型敏感材料即为其中之一。 信息技术的飞速发展对磁传感器件的大小、灵敏度、热稳定性及功耗等提出 了越来越高的要求。一般的霍尔元件和磁阻m r 元件的灵敏度只有o 1 o e 左右， 难以满足要求。巨磁电阻效应g m r 的发现【4 1 ，使灵敏度提高了一个量级，达 1 o e 左右，但必须在较高的磁场( 1 0 k o e ) 及较低的温度下爿能观测到且它还 存在磁滞、温度不稳定性等问题，限制了g m r 器件的应用。近年来，同本名古 屋大学k m o h r i l 5 1 等人在研究( f e 0 0 6 c 0 0 9 4 ) 7 25 s i l 25 8 1 5o 非晶软磁丝时观察到在 几个奥斯特磁场下材料阻抗的相对变化z z 高达7 5 ，其灵敏度f 1 0 o e ) 比 g m r 材料高一个数量级，被称为巨磁阻抗效应( g i a n tm a g n e t i ci m p e d a n c e ，简 称g m i ) ，并且具有响应快、无磁滞、温度稳定性好等优点，因而立即引起人们 的极大关注，成为磁功能材料研究领域的一个热点。 1 2 磁学基础知识 1 2 1 物质的磁性 物质的磁性是指其在外磁场中能够感应出磁矩的性能。材料的磁性来源于材 料中原子的磁矩。在原子内，处于旋转运动状态下的电子可以简单地看成是一个 f 邑流闭合回路，因此旋转状念的电子必然伴随有磁矩产生。在自由空间，不受其 他环境影响的自由原子磁矩有两个主要来源，一个是电子绕原子核旋转的轨道角 动量产生的电子轨道磁矩，另一个是电子本身的自旋运动产生的电子自旋磁矩。 电子的总磁矩与电子的总角动量( 轨道角动量与自旋角动量的矢量和) 成f 比。 对于多电子的自由原子或离子，其磁性由未满壳层的电子产生的轨道磁矩和自旋 磁矩提供。当电子填满壳层以后，各个电子的轨道运动与自旋运动取向占据了所 有可能的方向，这些方向呈对称分布，因此总角动量为零，对原子磁矩没有贡献。 铁族过渡族元素，如f e ，n i ，c o 等，原子磁矩来源于未满壳层的3 d 电子。稀 土元素的磁性则来源于未满壳层的4 f 电子1 6 i 。 1 2 2 磁性材料的分类 磁性材料的发展经历了从无机到有机、固念到液，念、宏观到介观、电子磁有 天津大学博士学位论文 第一章绪论 序到核磁有序、单一型到复合型，显现出优异的磁性能和综合特性。磁性材料由 于分类标准和侧重点不同，有着不同的分类。根据物质磁性的基本磁结构可分为 抗磁性( d i 锄a 驴c t i 锄) 、顺磁性( p a 舱m a 弘c t i s m ) 、反铁磁性( a m i f b r r o m a 印e t i s m ) 、 铁磁性( f e f r o m a g i l e t i s n l ) 、亚铁磁性( f e 玎i m a g i l e t i s m ) 五种，如图1 - 1 所示 n t i f e r r o m a g n o t i 8 i p e r r o i a l i n o t i - 。 图1 1五种磁性的基本磁结构 f i g i 一1m a g n e t i cs f f u c t u r eo f f i v em a g n e t i s m 前三种为弱磁性，需要用精密仪器才能检测到，技术上很少使用；后两种为强磁 性，应用广泛，通常说的磁性材料就是指具有铁磁性或亚铁磁性的材料。根据技 术应用的性能不同，强磁性材料大体上可分为如下五类：软磁材料、永磁材料、 矩磁材料、压磁材料及旋磁材料。 1 2 3 磁性各向异性 磁体被磁化时，在某些方向容易被磁化，而在另一些方向较难被磁化，为了 表征这种各向异性特征，把最易磁化的方向称易磁化方向，对应轴称为易磁化轴， 沿易磁化轴施加磁场很容易使磁体磁化到饱和。沿铁磁体的难、易磁化轴磁化时 所需磁化能的大小是不同的，在易磁化轴方向需要的磁化能最小，而在难磁化轴 方向需要的磁化能最大。这种与磁化轴方向有关的能量称为磁各向异性能。磁各 向异性能定义为饱和磁化强度在铁磁体中取不同方向而改变的能量。由于存在着 磁各向异性能的作用，在无磁场时，自发磁化强度m s 受一力矩的作用，把磁各 向异性能的作用等效为一个磁场作用，这样的一个作用实际上是由于磁各向异性 能的存在，并不是真实的磁场，这个等效磁场称为磁各向异性等效场，又称磁各 守 ，tft -et_et -ft丫-tif|_ttiif丫_i，t i，i ，i l，i iti t_i 天津大学博士学位论文 第一章绪论 向异性场。 磁各向异性按其起源的物理机制可以归纳成下面五类 磁晶各向异性； 磁形状各向异性； 磁应力各向异性； 感生磁各向异性； 交换磁各向异性。 1 2 4 磁畴结构 在铁磁体内部可以分成许多大小和方向基本一致的自发磁化区域，这样的每 一个小区域称为磁畴。磁畴是铁磁体内自发磁化平衡分布要满足能量最小原理的 必然结果，在形成磁畴的过程中，磁畴的数目和磁畴的尺寸、形状等原则上由退 磁场和磁畴壁能的平衡条件来决定。磁畴的尺寸、形状及分布情况便构成了磁畴 结构。铁磁体的磁性参数和磁畴结构有着密切关系f 7 1 。 1 3 巨磁阻抗效应 近年来，基于磁输运特性研究而发现的巨磁阻抗效应( g m i ) 引起各国科学 工作者的极大兴趣。尽管在六十多年前就有此类现象的报道，但是直到1 9 9 2 年 由于m o h r i 等人在( f e 0 0 6 c 0 0 9 4 ) 7 25 s 眈5 8 1 5 0 非晶软磁丝中观察到在几个o e 磁 场下材料的巨磁阻抗比高达7 5 t5 1 ，对巨磁阻抗效应的研究才开始引起国内外学 者的广泛关注。巨磁阻抗效应是指软磁合金材料的交流阻抗随外加直流磁场变化 而剧烈变化的特性，产生机理不同于传统的磁阻效应。磁阻效应起源于电子的自 旋相关散射，而巨磁阻抗效应起源于电磁感应，可以在经典的电动力学理论框架 下予以解释 1 0 - 1 9 。目前，被广泛接受的观点为巨磁阻抗效应是在足够高的频率 下由于趋肤效应而导致的结果。 1 3 1 巨磁阻抗效应的来源 在直流电路罩，均匀导线横截面上的电流密度是均匀分布的，但在交流电路 里，随着频率的增加，由于电磁感应导线截面上的电流密度分布越来越向导线表 面集中，这种现象称为趋肤效应。趋肤效应使导线的有效截面积减小，从而使它 的等效电阻增加。 天津大学博士学位论文 第一章绪论 图1 - 2 趋肤效廊示意图 f i g i - 2s c h e m a t i cd r a w i n go f s k i ne f f e c t 产生趋肤效应的原因在于涡流。如图1 2 所示，当根导线中有电流i o 通过 时，在它周围产生环形磁场b ，当1 0 变化时，b 也跟着变化。变化的磁场在导体 内产生感应电动势e 和涡流i l 。分析涡流i l 和原来的电流i o 在各瞬时的方向，可 以看出，在一个周期的大部分时间罩，轴线附近i l 和i o 方向相反，表面附近i l 和1 0 方向相同。于是在导线横截面上电流密度的分布将是边缘大于中心，从而产 生趋肤效应。定量描述趋肤效应的大小，通常引用趋肤深度的概念。令d 代表距 离导体表面的深度，计算表明，电流密度j 随深度d 的增加按指数律衰减： ，= a e 一”，其中如代表导体表面的电流密度，万是一个具有长度量纲的量，它 代表电流密度，已减小到，0 的a 。- 一3 7 时的深度，称作趋肤深度。经计算，趋肤 深度艿为： cf 1 批1 而 从式中可以看出，趋肤深度占与频率厂、电导率盯和相对有效磁导率的平方根 成反比。定性的看，交流电的频率越高，感生的电动势就越大，导体的电导率越 大，即它的电阻率p 越小，产生的涡流也越大，这都会使趋肤效应变得显著，即 趋肤深度变小。在非铁磁材料中，磁导率为常量，趋肤深度只与交流电频率和导 体的电导率有关；而铁磁材料的磁导率不仅与交流电频率和幅值有关，而且还与 其它参数有关，如外加磁场的大小和方向、应力大小、温度等，铁磁材料磁导率 的改变会引起趋肤深度的改变。软磁材料的巨磁阻抗效应与其磁导率和外加直流 场密切相关。外加直流磁场可改变材料的横向或圆周方向有效磁导率，导致趋肤 深度的改变( 电流通过的有效截面积改变) ，从而使材料的阻抗发生变化，产生 巨磁阻抗效应。以驱动交流电流方向( 轴向或纵向) 为基准，对于丝，与驱动交 流电流垂直的方向称圆周方向；对于薄带，在面内与驱动交流电垂直的方向称为 横向。由于电流流过导体时能产生圆周方向或横向的磁场，因此具有大的横向( 或 切向方向) 磁导率的材料有利于产生显著的巨磁阻抗效应。 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 3 2 巨磁阻抗效应研究进展 在实际铁磁材料中的趋肤效应比非铁磁材料更复杂，基于趋肤效应的理论模 型要描述g m i 效应的各种现象是困难的，在理论模型中的主要任务为寻找有效切 向磁导率的近似公式，以描述在轴向交流电流的激励下特定磁畴结构的响应。通 常情况下畴壁位移与磁畴转动均对磁导率有贡献【1 8 。9 】。在较低频率，磁化过程 中畴壁位移与磁畴转动都需考虑，a r k i n s o n 和s q u i r e 以及m a c h a d o 和r e z e n d e r ! l o 】 提出的准静态模型仅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，所以只在低频情况下适用。随频率的升高，由于涡流 的阻尼作用畴壁位移消失，磁化过程主要为磁畴转动】。在较高频率( 高于1 m h z ) 时，磁化过程几乎完全为磁畴转动，此时必须在考虑动力学特征的基础上建立 g m i 的理论模型，即要建立在m a x w e l l 方程l a n d a u l i f s h i t s 动力学方程的同时求 解基础之上，此求解过程源于4 0 多年前就己发展起来的金属中的铁磁共振理论 1 2 0 。实际上要精确求解这两个方程是不可能的，但是如果将l a n d a u - l i f s h i t s 方程 线性化，并忽略交换作用，与交流磁化有关的磁导率张量就可以用铁磁共振理论 的标准过程求得1 2 ”，这样m a x w e l l 方程就可以利用磁导率张量在合适的坐标系下 求解。u s o v 等【i2 j 通过同时求解m a x w e l l 方程及线性l a n d a u l i f s h i t s 方程研究了具 有轴向和圆周方向的磁各向异性非晶丝的巨磁阻抗效应。 在某些磁传感器的应用中，非对称巨磁阻抗行为是有利的。从原理上讲，在 交流驱动电流上叠加直流偏雹电流或者环绕样品施加圆周方向的恒定磁场( 螺线 管磁场) ，都有可能出现非对称巨磁阻抗行为。文献【2 2 】将软磁丝在圆周方向扭曲 使其产生螺旋状的磁畴结构，当叠加直流偏置时出现非对称巨磁阻抗现象。人们 进一步对叠加直流偏置电流时软磁丝和薄带中出现的非对称巨磁阻抗行为进行 了研究脚2 4 1 。在扭曲张力退火的非晶丝【2 5 】、通以大电流直流电退火的钴基软磁 丝1 2 6 j 、弱磁场下退火的钴基非晶薄带【27 l 中均观察到非对称巨磁阻抗行为。最近， m a k h n o v s k i y l 2 m 及其合作者建立起一个新的模型，该理论模型适用于非晶软磁丝 具有圆周及螺旋状磁各向异性的情况，能够解释任何频率段在外加磁场中的阻抗 行为变化，该理论对g m i 在外场下的非对称行为也可给予解释。p a n i n a 等人基 于表面阻抗张量，同时分析了扭曲软磁丝叠加直流偏置时出现的非对称巨磁阻抗 现象和不扭曲软磁丝置于恒定螺线管磁场出现的非对称巨磁阻抗现象的动力学 机制【2 9 l ，但人们对出现非对称巨磁阻抗行为的原因目前仍存在争议【3 0 - 3 2 1 。 研究发现磁性导体的磁各向异性影响巨磁阻抗效应随外加磁场的响应曲线， 适当的横向各向异性可加大巨磁阻抗效应【3 3 扔】。若样品具有横向磁畴结构( 对 于磁性导电丝则具有圆周方向磁畴结构) ，沿样品纵向方向( 难磁化轴方向) 外 天津人学博十学位论文第一章绪论 加直流磁场日。，随日。的增加，每一小磁畴的畴转磁化过程向难磁化轴方向偏 转，切向磁导率加大，导致交流阻抗的增加，当日。与各向异性场达到平衡时， 此时每一小磁畴的磁化强度与纵向成一特定夹角，交流阻抗值达最大。外加磁场 继续增大，受畴转控制的横向磁化过程的切向磁导率心逐渐减小至一很小值， 同时阻抗z 也逐渐减小至饱和。因此，沿样品纵向施加磁场，从一片。至+ 日。， 样品随外加磁场的响应曲线将出现双峰( g m i 双峰行为) 。另一方面，若样品具有 纵向磁各向异性( 磁畴的磁化强度与纵向一致) ，则随磁场的增加，样品阻抗z 单 调递减，零磁场时的阻抗值最大。因此，沿样品纵向施加磁场，从一日。与至+ 。 与，样品随外加磁场的响应曲线将出现单峰( g m i 单峰行为) 。 人们最初是在软磁非晶薄带1 3 6 】及非晶丝【3 73 8 1 中观察到巨磁阻抗效应，后来 扩大到多种体系，包括商品化磁性材料“m u m e t a l ” 3 9 l 、薄膜材料【4 04 ”、三明治 结构材料f 4 24 3 1 、非晶超细丝【4 8 j 及纳米晶材料1 4 9 4 3 l ，并对g m i 效应进行了广泛 而深入的研究 5 4 - 5 s 1 ，至于什么形状的材料更为有利，现在还没有明确的说法， 需视具体的应用环境而定。在单层膜g m i 效应的研究中，发现所需的驱动电流 频率过高，其特征频率为1 0 0 m h z 左右，不利于实际应用。针对此问题，国际上 出现了g m i 效应“三明治”膜( 两层铁磁膜夹一层导电膜) 复合材料，进而山 东大学的刘宜华教授等人在国家自然科学基会的支持下对g m i 效应三明治膜进 行了系统的研究，将特征频率降低为几个m h z 4 2 1 ，而且“三明治”膜的g m i 效 应灵敏度较同类单层膜大大提高，这显示出复合结构材料的巨大优势。 受“三明治”膜的启发，最近国际上出现了一种采用电化学法制备的丝状 g m i 复合结构材料，即在直径为微米量级的高导电率会属丝外电化学方法合成 一层磁性( 如c o p ，f e n i ) 外壳层，形成复合丝结构的g m i 材料1 5 “。制备工 艺将决定材料成分的相对含量及微观结构，进而决定材料的性能。在文献【5 9 j 中， j r s i n n e c k e r 等人在c u 丝上电镀一层钴磷非晶合会，成功地制备出c o p c u 复合 丝，测量得g m i 效应对磁场的响应可高达几百个奥斯特，拓宽了巨磁阻抗效应 的磁场应用范围。但对于复合丝钴磷软磁外壳层中钴磷相对百分含量对于巨磁阻 抗效应的影响有待进一步研究，而且与复合丝g m i 比值大小密切相关的频谱响 应特性、磁性壳层的磁特性、复合丝的结构组成等关键问题也缺乏足够的实验数 据。 1 3 3 巨磁阻抗效应的计算模型。2 2 当一较小的交变驱动电流i = i 。e x p ( 一i o t ) 流过磁性导体，求解m a x w e l l 方程 组可得到磁性导体交流阻抗z = r + x ，r 为复数阻抗z 的实部即电阻分量，z 为复数阻抗z 的虚部即电感分量。当磁性导体为导电丝时，其交流阻抗为： 天津人学博十学位论文第一章绪论 z 吨妇揣 ( 1 2 ) 式中，r 。= i 三ai 为导电丝的直流电阻，口为磁性导电丝半径，七= 旦。挚，万。盯。 广百一 吒= ，f l 为磁性导体的趋肤深度，。( 妇) 和d ( k a ) 分别为零阶和一阶贝赛尔 va ，t o 函数。当磁性导体为导电薄带( 薄膜) 时，其交流阻抗为 z = 艮i k d c o t h ( i k d )( 1 - 3 ) 上式中d 为导电薄带( 薄膜) 厚度的一半，r 。、七的定义如同式( 1 2 ) 。将t ：旦望 厂百一 及氏= ，f = 一代入式( 1 - 2 ) 和( 1 - 3 ) 式得： vc o t o z k 口历o + 。嚣甏溉( 1 - 4 ， z = r 。d 矛万( 一1 + f ) c o m 【d 历万( 一1 + f ) 】( 1 - 5 ) 式( 1 - 4 ) 和( 1 5 ) 分别为磁性导电丝及导电薄带( 薄膜) 交流阻抗z 关于横向有效磁 导率的函数解析式。当沿驱动电流方向( 纵向) 施加一外磁场日。，此纵向外 磁场使得横向有效磁导率改变( 随磁场的响应曲线受磁性体各向异性的影响) ， 导致交流阻抗z 的实部r 和虚部x 发生改变。根据式( 1 4 ) 和( 1 - 5 ) 若磁性材料的 磁导率大，电导率仃也较大( 涡流明显) ，则磁导率受外加直流磁场的影响 明显，导致交流阻抗z 的变化剧烈，表现出明显的巨磁阻抗效应。 1 3 4 巨磁阻抗效应的应用研究 随着电子计算机应用的同益普及，各种信息设备，汽车和工业机器人等机电 设备，电力电子设备，医疗电子设备和工业测试设备的发展，都需要新型高性能 微型磁传感器，用来检测高密度记录硬磁盘、软磁盘存储器及驱动器系统中的旋 转编码器等存储介质0 1 0 m h z 的弱局部磁通。一般来说，这类传感器必须具备 以下几个条件：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，检测头长度应当小于l m m ；为了能够精确地检测非接触传感信号，磁 通检测的灵敏度( 或分辨率) 应为8 1 0 - 2 8 1 0 4 a m ；检测高密度记录硬磁盘 存储器表面磁通的变化，需要信号频率为约1 0 m h z 的响应速度；作为汽车和电 天津大学媾十学位论文 第章绪论 动机用的微型磁传感器，在一5 0 + 1 8 0 0 c 温度范围应当有不稳定度小于 0 0 1 f s o c “的高温稳定性和最高工作温度；功耗要低于l o m w ，使这种便 携式微型传感器能够使用钮扣电池工作。巨磁阻抗效应可以同时满足微型磁传感 器必备的上述5 个条件1 6 “。 下面介绍几种巨磁阻抗效应的应用。 g m i 微型传感头组件【6 2 】 图l - - 3 a 为g m i 科尔皮兹振荡器振幅调制一解调型传感器组件电路。电路中 利用巨磁阻抗效应元件的电感和电容c ，、c ：的共振产生振荡频率 f o = 上c l c 2 ，( c l + c 2 ) 。用l 根直径为3 0 a m 长l m m 的c o f e s i b 退火非晶丝作g m i 元件，在c l = c 2 = 1 0 矿和三= o 5 6 证r 彳时，获得约1 0 0 m h z 高频振荡。在约 1 6 0 a m 的外磁场中，振荡电路的丝电压下降1 0 0 ( 见图l 一3 b ) 。由于振荡电 路中的阻抗和丝电流同时减小，e ，的下降率约为本征磁阻下降率的5 倍，即磁通 检测灵敏度为5 0 o e 。共振电路上由外场i 。l 感生的振幅调制电压，通过检 测1 日。l 波形的二极管d 和电容c 解调。只要有小的直流电源电流，就足以使共 振电路中的g m 元件磁化。这种科尔皮兹电路以约8 毫瓦功率( = i v ，i = 8 m 1 ) 工作。用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。图1 4 示 出用上述g m i 传感器传感方向的曲线，用检测i h 。l 代替检测h 。 i 虬 l f i m 图1 - 3 a g m i 科尔皮兹振荡器调制一解调传感器组什电路 f i g 1 3 a c i r c u i t d r a w i n g o f a f i e l ds e n s o ru s i n g c o l p i t t s o s c i l l a t o r 天津人学博十学位论文第一章绪论 运 讨 矾，| a _ 一 图l 一3 b 非晶丝在外磁场h 。中的电压变化外部 f i g i 一3 bv o l t a g ev a r i e t yo f a m o r p h o u sw i r ew i t ho u t s i d em a g n e t i cf i e l dh “ 暹 寸 图l - 4 科尔皮兹振荡器犁微喇g m l 传感器的方向传感 f i g i - 4d i r e c t i o ns e n s eo f g m i s e n s o rm a d eo f c o l p i t t so s c i l l a t o r 快速响应大电流传感器【6 那 随着用于交流电动机和各种传动装置的逆变器驱动功率电子控制系统技术 的发展，急需能够测量数百安至两千安左右的小尺寸快速响应大电流传感器。现 有的霍尔效应传感器及新开发的非晶磁芯电流传感器，在尺寸、重量、响应速度 等方面都满足不了逆变器丌关频率日益升高及系统的高要求。为此，k i n a d a 等人应用c o s i b t - 晶丝的g m l 效应，开发出一种新的大电流快速响应传感器。图 1 - 6 为它的电路结构。 天津大学博十学位论文 第一章绪论 一乒 鼍甄魄无侔 k l 一o1 月i ，队m 一i 矾， - 一l r v j ! | l _ 6 _ i j g m i 头共振式多谐振荡器和低通滤波器的磁场传感器电路 f i g 1 - 6c i r c u i td r a w i n go f m a g n e t i cf i e l ds e n s o rm a d eo f g m l e l e m e n tr e s o n a n c em u l t i f r e q u e n c y o s c i l l a t o r 。 由于传感器检测的动态范围宽，故使用了低灵敏度的g m i 元件：一对 c 0 7 25 s j l 25 b i 5 铸态非晶丝( 直径1 3 0 1 a n ，长5 m m ) 。电路中加负场反馈环路是为了 改善输出电压特性、频率特性和温度稳定性。在共振电路中用1 0 0 0 p f 电容 c ，获得振荡频率约1 0 m h z ，检测3 2 0 0 a m 磁场具有高的线性度，非线度小 于0 5 f s ；截止频率高达3 0 0 k h z 。而不久前刀：发的非晶磁芯3 0 0 4 传感器，只有 几k h z ，在从室温至1 3 0 0 c 范围工作，传感头的温度变化仅0 0 1 。c f s 。这种 传感器在2 5 r a m 距离内( 3 2 0 0 a m ) 可检测交直流5 0 0 a ，传感头与外场成8 0 。 角，可检测2 0 0 0 a 。 用高频磁阻抗效应的薄膜磁传感器1 6 4 同本n t t 公司m s e n d a 等人利用溅射磁性薄膜的高频磁阻抗( h f m i ) 效应， 研制出一种薄膜h f m i 传感器。磁性薄膜为n i 8 3 f e l 7 c u s i 0 2 多层结构，用离 子束溅射沉积在n o 0 2 1l 麻粒玻璃基片上。其中c u 为导体层，有2 个电流、电压 电极，s i 0 2 用于避免涡流损耗和介电击穿，n i f e 层厚5 0 h m ，其4 榭，= i t ， p 0 = 2 0 ，n 硎，五= 5 1 0 ，沉积时向膜面外加数c a m 的直流磁场，产生单 轴各向异性场h 。= 2 4 0 4 8 0 a m 。用光刻将多层膜制成1 0 n 宽的条形并设计 成闭合磁路，这样构成的传感器，由于薄膜的g m i 效应，外加几百a m 磁场， 通过8 0 0 1 0 0 0 m h z 交流电流，获得电压变化6 0 * 0 7 0 0 0 ，且无磁滞或巴克豪森 天津大学博士学位论文 第一章绪论 噪声。 1 4 磁性材料的制备工艺 随着当代科技的飞速发展，多种先进工艺技术综合和组合运用使得新型材料 不断涌现，性能不断提高，如非晶态合金的快淬技术、液相烧结、机械合金化、 等离子喷镀、分子束外延、气相沉积等技术使新型材料的结构和磁性多样化及综 合性能优化成为现实。 制备磁性能优异的非晶、纳米晶薄带、丝和粉体磁性材料主要方法是液相急 冷法，制备薄膜磁性材料的方法较多，大致可分为物理法和化学法两大类，具体 分类如下： 电镀 化学镀 液辐外延 化学气相沉积( c v d ) 图1 - 7 薄膜磁性材料的制备方法 f i g i - 7f a b r i c a t i o nt e c h n i q u eo f m a g n e t i cf i l m 真空蒸镀是最早用来制造薄膜的工艺，成膜速度高，但由于热蒸发所生成的 原子动能低，在基片上成膜后附着力较差，