纵向驱动巨磁阻抗效应的研究进展.docx

第 37 卷第 2 期浙江师范大学学报( 自然科学版)vol 37，no 22014 年 5 月journal of zhejiang normal university( nat sci )may 2014文章编号:1001-5051(2014)02-0135-07纵向驱动巨磁阻抗效应的研究进展范晓珍， 方允樟， 何兴伟， 孙怀君， 斯剑霄( 浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华321004)摘 要:对纵向驱动巨磁阻抗( ldgmi) 效应的特性、原理及应用技术的研究进行了综述，对学术界存在争议 的 ldgmi 效应和巨磁阻抗( gmi) 效应基本物理机制问题进行了评析 认为 ldgmi 效应和 gmi 效应的区别在 于工作模式不同，而基本物理机制相同，在应用开发中两者各有优缺点，相互可以形成互补关系，而 ldgmi 效 应相比 gmi 效应具有灵敏度更高、可靠性更高、适应性更灵活等优点，在新型磁敏传感器和新型磁性能测量 仪器开发应用中 ldgmi 效应会发挥独特的优势 ldgmi 效应前景光明，值得业界关注 关键词:巨磁阻抗效应;纵向驱动巨磁阻抗效应;纵向驱动巨应力效应;磁各向异性;非晶软磁合金 中图分类号:o482 5文献标识码:aprogress of the longitudinally driven giant magneto-impedance effectfan xiaozhen， fang yunzhang， he xingwei， sun huaijun， si jianxiao( college of mathematics，physics and information engineering，zhejiang normal university，jinhua zhejiang 321004，china)abstract: the characteristics，the principle and application technology studies of the longitudinally driven gi- ant magneto-impedance ( ldgmi) effect were reviewed comments were made on the academically controver- sial of the basic physical mechanism of ldgmi effect and giant magneto-impedance( gmi) effect the differ- ence of the ldgmi effect and gmi effect was regarded as resulted in the different work mode with the same basic physical mechanism，within which both had advantages and disadvantages in the application develop- ment，and formed the complementary relationship because of advantages of the higher sensitivity，higher reli- ability and greater flexible，the ldgmi had played a particular role in the development and application of the new type of magnetic sensor，and a new type of magnetic measuring instrument promising of the ldgmi effect was suggested which would be worthy of greater concern in the industrykey words: giant magneto-impedance; longitudinally driven giant magneto-impedance; longitudinally driven giant stress-impendence; magnetic anisotropy; amorphous soft magnetic alloy0引言巨 磁 阻 抗 ( giant magneto-impedance，简 称gmi) 效应是日本名古屋 大 学 的 mohri 教 授 于 1992 年首先在 co 基非晶丝中发现的1 所谓巨 磁阻抗效应，是指磁性材料的交流阻抗随外磁场收文日期:2014-03-03;修订日期:2014-03-12基金项目:浙江省重点科技创新团队项目(201150012-11) ;浙江省重点实验室项目(2013e10022) ;国家重点基础研究发展计划 项目(973 计划) (2012cb825700)作者简介:范晓珍(1983 ) ，女，浙江天台人，助理工程师，硕士研究生 研究方向:磁性功能材料的作用发生显著变化的现象 各国研究者就 gmi效应的机理、提高 gmi 效应为目的的热处理工艺z zzhh=exmax 100% (1)exz0zh和新材料开发及应用等方面开展了广泛而深入的式( 1 ) 中: zh，z0 ，zhmax分别是直流偏置 磁 场 为max研究2-13 杨介 信 等14 于 1997 年首次报道了纵 hex，0 及实验时所加最大磁场 hmax( 饱和磁化) 时向驱动巨磁阻抗( longitudinally driven giant mag-neto-impedance，简 称 ldgmi) 效 应 ldgmi 效 应 采用不同于 gmi 效应的驱动方式，使交流电通过 螺线管产生交变驱动磁场作用于软磁材料，不像 gmi 效应那样驱动电流直接通过磁敏材料，这样 避免了 gmi 效应载流导线与软磁材料间异质材 料的焊接难题和避免软磁材料的高电阻发热问 题，同时 ldgmi 效应获得了比 gmi 效应高 2 个 数量级的灵敏度磁芯螺线管的阻抗2ldgmi 效应的物理机制对 ldgmi 效应机理的解释，王宗篪等15-16通 过对 fecunbvsib 薄带的 ldgmi 效应研究得出: 从相 频曲线的峰位确定材料的特征频 率，当 ldgmi效应小于此特征频率时显示磁电感效应; ldgmi 效应大于特征频率才显示磁阻抗效应 方17但是，由 于 学 术 界 存 在 ldgmi 效 应 与 gmi允樟等认为在 ldgmi 效应中，不仅存在电感效应物理机制是否相同的争议，绝大多数学者都 认为 ldgmi 效应的物理机制不同于 gmi 效应， 不愿意研究 ldgmi 效应，只有少数几个研究小组 在研究 ldgmi 效应 鉴于此，本文对 ldgmi 效应 的物理机制进行了讨论，并对关于 ldgmi 效应研 究的主要成果和应用进行了综述1ldgmi 效应的定义随磁场变化，同时也存在等效电阻 ( 磁芯螺线管 的涡流电阻) 随外加磁场变化情况:根据电磁学原理得到磁芯螺线管的阻抗 z 为z = + jl (2)式(2) 中: 为螺线管的总电阻;l 为磁芯螺线管 的总电感 螺线管的总电阻 由螺线管的电阻 s 和磁芯涡流损耗引起的等效 电 阻 m 组 成， = s + m 图 1 为 ldgmi 效应装置的示意图，软磁材料磁芯螺线管的总电感 ls是螺线管空心部分置于螺线管中组成磁芯螺线管，恒定幅值的交流电感 l0与 含磁芯部分电感 lm的 总 和，即电 iac 通过螺线管，产生平行于磁芯轴向的小值交变驱动磁场 h槇，在外加直流磁场 hex 的作用下，测ls = l0+ lm，螺线管空芯部分的电感为2l0 = 0 n ( s ab) l(3)量螺线管两端的电压 v 和通过螺线管的电流 i，跟据公式 z = v 求得磁芯螺线管的阻抗值 z，观i察 z 随外加磁场的变化情况图 1ldgmi 效应装置示意图含磁芯部分的电感为l= n2 abl(4)m0 r式(3) 式(4) 中:0 为真空磁导率;r 为磁芯相 对磁导率;a，b，l 分别为磁芯的厚度、宽度及长度;s，n 分别为螺线管的截面积与线绕密度可 得 到 磁 芯 螺 线 管 在 驱 动 电 流 i = i0 exp( jt) 驱动下磁芯横截面上产生的环向 感应电动势为 = ddt = jab0 r ni0 exp( jt) (5) 设单位长度磁芯环向电阻为 r，则单位长度单位 时间内产生的焦耳热为0 242通常人们用 ldgmi 比来衡量 ldgmi 效应的qm =r(6)大小，ldgmi 比定义为则长度为 l 的磁芯因为涡流而产生的热量qm =0 242 lr(7)变化，实际上是直流磁化场 hex 、交流驱动场 h槇 和 磁性材料内部的磁结构三者综合作用的结果，这令长度为 l 的磁芯因为涡流发热消耗的能量等效于磁芯螺线管的电阻 m 耗能，即可建立等效方 程mmq= 0 24 i2 (8)则联列方程式(7) 和式(8) 及式(5) ，可得2 l 三者组合形式的多样性导致了磁阻抗效应曲线的 多样性 这里只讨论交流磁化场平行于磁芯轴向 的 ldgmi 效应情况1) 软磁条带具有横向磁结构，在无外场作用时，材料具有横向各向异性场 hk 交变驱动场 h槇 和m = ( ab0 r n)磁芯螺线管的阻抗2 l r (9)外磁场 hex 均在纵向( 见图 2( a) ) 此时，带在 h槇 作 用下 的 磁 化 以 转 动 为 主 在 施 加 hex 以 后，当z = s + ( ab0 r n)r +hex hk 时，hex 对磁化过程的影响很小，带的磁阻22抗基本保持不变;而当 hex hk 时，hex 使磁矩偏j 0 n sl + 0 n ( r 1) abl (10)在 ldgmi 效应研究过程中，s ，0 ，n，r，s，l ，a， b 皆不随外加磁场变化，只有 m 和 r 随外加磁 场变化 因此，式(10) 可以改写为z = s + ar + jb + c( r 1) (11)向带的纵向并倾向于与 hex 一致，这样，h槇 产生的 交变磁化将变得困难，带的磁阻抗急剧减小直至 hex 使材料磁饱和，从而得到一条具有“平台”的巨 磁阻抗曲线( 见图 2( b) )2 l 2式 ( 11 ) 中: a = ( ab0 n )2; b = 0 n sl; rc = 0 n abl 显然，可以将 a 命名为螺线管磁芯的涡流因子，b 命名为空芯螺线管电感的结构因子，c 命名为磁芯螺线管电感的结构因子 根据 ldgmi 效应的定义式z = m + jlm (12) 式(12) 中:2 l 图 2材料横向易磁化结构模型及 对应的 ldgmi 曲线2) 软磁条带具有纵向磁结构，并且交变驱动m = ar = ( ab0 n)2( r ) ; (13)r场 h槇 与外磁场 hex 均在纵向( 见图 3 ( a) ) 对于此lm = ( 0 n abl) r (14)由式(12) 式(14) 可见，z 的实部和虚部都随 r 线性变化，这就证明将 ldgmi 效应纳入 gmi 效应的范畴是合适的 此外，s + m = 可等价情形，带在 h槇 作用下的磁化以畴壁移动为主，而且 因为易磁化方向与 h槇 一致，所以条带具有很高的磁导率并相应有很大的巨磁阻抗比值 加上纵向dc于 gmi 效应定义18 中电阻部分 ，但 s很小，的 hex以后，由于 hex的作用为单向，因此，造成 h槇且不随外加磁场变化，因此，在 ldgmi 效应中可 忽略，则 ldgmi 效应中的涡流电阻 m 可等价于 gmi 效应中的 dc 对比可以发现，m 对磁敏材料 的相对磁导率 r 的依赖关系大于 dc 对磁敏材料 的相对磁导率 r 的依赖关系，这可能就是 ldgmi效应大于 gmi 效应的主要原因之一3 ldgmi 效应与磁各向异性的关系gmi 效应反映了软磁材料磁导率随外磁场的作用下交替振荡的畴壁移动过程被大大抑制，带的磁导率迅速减小，相应地其巨磁阻抗比值也急 剧地下降，从而得到大幅度单调减小的巨磁阻抗曲线( 见图 3( b) ) 由图 2、图 3 可知，ldgmi 效应和磁结构的密 切关系，可以通过控制磁结构来实现所需要的纵 向磁阻抗响应，从技术的角度来说有利于传感器 的设计;另一方面，从纵向磁阻抗响应的特征中也 能反应材料磁结构的信息，可以作为测量材料磁性能的一种手段图 3材料纵向易磁化结构模型及 对应的 ldgmi 曲线4ldgmi 的主要研究成果目前对 ldgmi 效应的研究主要集中于 fe 基 和 co 基材料，包括薄带、细丝、薄膜和粉体等形 态，下面主要介绍这 4 种形态的 ldgmi 效应横向磁场退火获得最大 ldgmi 比值( 1 532% ) ，这是由于强的磁机械耦合作用引起的 文献23 也用磁机械共振研究了 fe73 5 cu1 nb3 si13 5 b9 薄带 的 ldgmi 效应，发现薄带经过 480 温度退火， 其 ldgmi 比值可达 10 000% ，并指出高的磁机械 耦合系数 k33 和 q 因子可提高材料的 ldgmi 效应 方允樟等24发明一种“宽线性”高灵敏的磁敏 材料 ( fesibpc ) ，在 空 气 中 470 退 火 1 h，其 ldgmi 效应为 680% ，线性相关系数达 0 998 的 线性区间宽度为925 a / m，具体见图 5 此材料的 灵敏线性区宽度比典型的 finemet 合金提高了 一个数量级以上，分析其机理，可能是由于退火过 程中材料表面形成的氧化层和内芯层间磁交换耦 合形成具有梯度的磁各向异性所致 孙怀君等254 1薄带的 ldgmi 效应研究满 其 奎 等19 对 直 流 电 流 退 火对co63fe4 b22 4si5 6nb5 薄带通过一定的应力退火，fe36 co36 ni4 si4 8 b19 2 薄 带 的 ldgmi 效 应 研 究 发 现，电 流 密 度 为3 2 107 a / m2 时 出 现 类 似“三 峰”的 ldgmi 效应( 如图 4 ) ，称为“尖刺 gmi 效应 ” ( tgmi 效 应 ) ， 其 灵 敏 度 最 高 达 2 440 2% / ( am 1 ) ，分析其机理可能是20-21由 于退火过程中外壳层与内芯层温度梯度的存在导 致复合磁结构的形成图 4不同电流退火密度 feco基薄带的 ldgmi 效应ldgmi 效 应 可 达 2 400% ， 灵 敏 度 达 到114% / ( am 1 ) 图 5空气中 470 退火 1 h 的 fesibpc 合金薄 带的 ldgmi 曲线4 2玻璃包裹非晶细丝的 ldgmi 效应 刘龙平等26用高频感应加热熔融拉引技术制备 fe73 0 cu1 0 nb1 5 v2 0 si13 5 b9 0 玻璃包裹非晶细 丝，在 570 温度退火后其最大 ldgmi 变 化 达 1 020% ，比之前文献27报道的相同条件下传统gong 等22在研究 fe conisib 薄横向驱动 gmi 效 应 大 了 4 倍 ( 见 图 5 ) 施 方 也2411 8247 31 47 152829带的 ldgmi 效应时发现，样品的磁机械共振能够等和杨晓红等比对 fe73 5 cu1 nb3 si13 5 b9 玻明显地提高 ldgmi 效应，样品在 340 温度时加璃包裹丝的 ldgmi 效应和 gmi 效应得出，ldg-mi 效应效果明显优于后者4 3薄膜的 ldgmi 效应好的线性 度 和 稳 定 性 文 献45设 计 出 ldgmigong 等30 用 电 沉 积 法制备的坡莫合金薄 微型弱磁传感器，也是基于 fe78si9 b13合金薄带的膜，ldgmi 效应比随着膜的厚度增加而增加，最 小值可达 52% 何兴伟等31研究了不同温度退 火的 3 种不同厚度用磁控溅射制备的 单 层 fe73 5 cu1 nb3 si13 5 b9 薄 膜 的 ldgmi 效 应，发 现 不 同厚度样品有着相同的最佳退火温度，并 指 出 ldgmi 效应可以使样品在低频下对弱场灵敏响 应4 4 粉体的 ldgmi 效应赵振杰等32采用单辊快淬法喷制 finemet 合金薄带，而后经过破碎制得非晶粉末，研究其 ldgmi 效应发现，相比薄带、细丝和薄膜明显降 低，但是粉体材料不像上述 3 种形态样品由于其 形状限制而导致实际应用中有局限性，便于器件 的微型化和集成化，何况其 ldgmi 效应和灵敏度 都比巨磁电阻( gm) 高，所以研究粉体的 ldgmi 效应及其应用也具有重要意义33-355 ldgmi 效应的应用fe73 5 cu1 nb3 si13 5 b9 合金薄带在 540 退火 过程中外加应力，可以灵敏地改变其 ldgmi 曲线 形状36，可以看到具有“平台”的 ldgmi 曲线，即 退火应力可以高效地感生磁各向异性37 利用此 材料的横向磁结构来改善传感器的线性方法，这 在实际 应 用 中 非 常 有 意 义38-39 杨 燮 龙 团 队 用 fecunbvsib 纳米微晶带材料的磁结构特点，以获 得最佳灵敏度和线性组合40，制作出几种汽车用 的传感器( 纳米磁敏开关、纳米线性位移传感器、 齿轮速度传感器等)41，该项科研成果已转化为 产品，并安装在中国自制的混合动力汽车和荣威 燃料电池汽车上 用“宽线性”的 fesibpc 非晶薄 带( 或和具有软磁性的软磁材料叠加) 作为敏感 元件制作的磁敏传感器42-43，具有重复性好、灵 敏度高、无迟滞、线性范围广等优点，尤其是弱场 下仍然可以保持较好的线性度，可用于磁场测量、 位移检测磁和罗盘仪等 文献44利用fe78 si9 b13 合金薄带的 ldgmi 效应设计的反馈 gmi 弱磁传 感器，相比未加反馈的 gmi 弱磁传感器，具有更ldgmi 效应来实现的，具有较好的线性度和高重 复率，在检测空间弱磁场及地磁场、磁信息读写、 汽车工业、机器人姿态测试、无损检测、电力电子 技术等领域具有广泛的应用价值，图 6 为该传感 器的实物图图 6fe78 si9 b13 的 ldgmi 传感器的实物图6总结和展望ldgmi 效应和 gmi 效应的基本物理机制相 同，区别在于工作模式不同，在应用开发中两者各 有优缺点，相互可以形成互补关系，ldgmi 效应 相比 gmi 效应具有灵敏度更高、可靠性更高、适 应性更灵活等优点，在新型磁敏传感器和新型磁 性能测量仪器开发应用中 ldgmi 效应会发挥独 特的优势 ldgmi 效应前景光明，值得业界关注文献46在研究应力退火的 fecunbvsib 薄 带的 ldgmi 效应时指出，由相位随外磁场变化的最小值可确定材料的 hk ，为测量磁性材料提供了一个新方法 方允樟等47建立了一种基于 ldgmi 效应表征软磁材料磁结构的模型，利用该模型可 得到材料磁结构特征参量，并可根据得到的各种 形状的 ldgmi 曲线反过来指导材料磁结构控制 工艺 由于 ldgmi 效应对磁性材料的结构和磁性 能敏感，利用 ldgmi 效应可以开发一种新型的磁 测 量方法 这种方法相比传统 的 vsm ，b -h 仪 等磁性能测量仪器，具有无需对样品进行处理、简单 便捷和成本低的优势 利用 ldgmi 效应开发新型 的磁测量仪有重要的价值和光明的前途为了实现 ldgmi 传感器高灵敏、低能耗、快 速响应等特性，大力进行开发优异性能的材料很 有必要 磁导率高，磁滞伸缩系数小，损耗小，利用 热处理就可简单地控制材料磁结构( 如 finemet 合金薄带“平 台”和 fesibpc 合 金 薄 带 的“宽 线 性”现象) ，就非常适用于制作 ldgmi 效应的传 感器，有着广阔的应用前景 不过，目前基于 ldg- mi 效应的传感器的开发尚属起步阶段，有着巨大的市场空间，亟需广大研究者去开拓 此外，近几年提出的纵向驱动巨应力效应48( longitudinally driven giant stress-impendence，简 称 ldgsi) 值得关注，研究发现 finemet 合金薄 带的 ldgsi 效应比横向驱动模式 gsi 效应的灵 敏度提高了 30 倍，这对研发新型高灵敏度应力传 感器49具有重要意义随着 ldgmi 效应研究的逐渐深入，ldgmi 效应应用产品的日臻完善，ldgmi 效应造福于人 类的美好前景将会逐步展现出来参考文献:1mohri k，kohzawa t，kawashima k，et al magneto-induced effect in amorphous wiresj ieee trans magn，1992，28:(5) :3150-31522lenz j e a review of magnetic sensorsj proc ieee，1990，78(6) :973-9893meydan t application of amorphous materials to sensorsj j magn magn mater，1994，133(1 /2 /3) : 525-5324panina l v，mohri k magneto-impedance effect in amorphous wiresj appl phys lett，1994，65(9) :1189-11915panina lv，mohri k，uchiyama t，et al giant magneto-impedance in co-rich amorphous wires and filmsj ieee trans magn，1995，31(2) :1249-12606vazquez m，hernando a a soft magnetic wire for sensor applicationsj j phys d:appl phys，1996，29(4) :939-9497chiriac h，ovari t a amorphous glass-covered magnetic wires:preparation，properties，applicationsj prog mater sci，1996，40 ( 5 ) :333- 4078vazquez m giant magnetoimpedance in soft magnetic wiresj j magn magn mater，2001，226 /230(1) :693-6999knobel m，pirota k giant magnetoimpedance:concepts and recent progressj j magn magn mater，2002，242 /245(1) :33-4010knobel m，vazquez m，kraus l giant magnetoimpedancej handbook of magnetic materials，2003，15:1-6911kraus l gmi modeling and material optimizationj sens acta a，2003，106(1 /2 /3) :187-19412tannous c，gieraltowski j giant magneto-impedance and its applicationsj j mater sci:mater electro，2004，15(3) :125-13313mohria k，uchiyama k，shen l p，et al amorphous wire and cmos ic-based sensitive micro-magnetic sensors( mi sensor and si sensor) for intelligent measurements and controlsj j magn magn mater，2002，249(1 /2) :351-35614杨介信，杨燮龙，陈国，等 一种新型的纵向驱动巨磁致阻抗效应j 科学通报，1998，43(10) :1051-105315王宗篪 纵向驱动巨磁阻抗效应的解释j 集美大学学报:自然科学版，2002，7(1) :66-6916王宗篪，杨燮龙，宫峰飞，等 纵向驱动巨磁阻抗效应的相位特性j 华东师范大学学报:自然科学版，2000(2) :49-5317方允樟，许启明，郑金菊，等 feco 基磁芯螺线管的巨磁阻抗效应和磁芯长度关系的研究j 物理学报，2011，60(12) :12750118phan m h，peng huaxin giant magnetoimpedance materials:fundamentals and applicationsj prog mate sci，2008，53(2) :323-42019满其奎，方允樟，孙怀君，等 feco 基合金的一种新型纵向驱动巨磁阻抗效应j 科学通报，2007，52(23) :2720-272420方允樟，许启明，叶慧群，等 流动气体中应力焦耳热退火 feco 基薄带的 gmi 效应j 功能材料，2011，42(6) :1083-108521fang yunzhang，xu qiming，zheng jinju，et al highly sensitive giant magnetoimpedance in a solenoidcontaining feco-based ribbonj chin phys b，2012，21(3) :03750122gong w y，wu z m，lin h，et al longitudinally driven giant magneto-impedance effect enhancement by magneto-mechanical resonancej j magn magn mater，2008，320(8) :1553-155623wu z m，huang k，li s p，et al sensitivity enhancement of longitudinally driven giant magnetoimpedance magnetic sensor using magnetoelas- tic resonancej sensors and actuators a:physical，2010，161(1 /2) :62-6524方允樟，马云，吴锋民，等 一种具有宽线性区的高灵敏磁敏材料:中国，cn201110028111p 2012-09-1925孙怀君，李莉，方允樟，等 cofebsinb 非晶合金带材纵向驱动巨磁阻抗效应研究j 浙江师范大学学报:自然科学版，2012，35 (2 ) :150-15426刘龙平，赵振杰，阮建中，等 纵向驱动纳米微晶玻璃包裹丝的巨磁阻抗效应j 华东师范大学学报:自然科学版，2004(1) :45-4827刘龙平，赵振杰，阮建中，等 铁基纳米微晶玻璃包裹丝的软磁性能及巨磁阻抗效应j 功能材料，2003，34(6) :638-63928施方也，黄翩翩，林根金，等 驱动方式对玻璃包裹铁基纳米晶丝巨磁阻抗( gm i) 效应的影响j 浙江师范大学学报:自然科学版，2006，29(3) :287-29229杨晓红，郑金菊，任俊华，等 不同驱动方法下 fe 基纳米晶丝的 gmi 研究j 金华职业技术学院学报，2006，6(6) :1-530gong fengfei，kamel a，shen guotu，et al structure and longitudinal magnetoimpedance effect of permalloy films by electrodepositionj 华 东师范大学学报:自然科学版，2005(1) :63-6731何兴伟，范晓珍，方允樟，等 fecunbsib 薄膜的纵向驱动巨磁阻抗效应j 浙江师范大学学报:自然科学版，2012，35(3) :295-29932赵振杰，bendjaballah f，蒋可玉，等 fe 基纳米微晶粉末的磁性与巨磁阻抗效应j 科学通报，2001，46(17) :1420-142233方允樟，赵振杰，杨燮龙 退火温度对 fe 基纳米晶粉芯磁致频移特性影响的研究j 浙江大学学报:理学版，2002，29(3) :280-28334zhao z j，bendjaballah f，yang x l，et al longitudinally driven magneto-impedance effect in annealed fe-based nanocrystalline powder mate- rialsj j magn magn mater，2002，246(1 /2) :62-6635zhao z j，fang y z，uan j z，et al large frequency shift in fe-based nanocrystalline powder coresj j magn magn mater，2004，278(1 /2) :82-8636方允樟，郑金菊，施方也，等 fe 基合金应力退火感生磁各向异性机理的 afm 研究j 中国科学:e 辑 技术科学，2