纵向驱动巨磁阻抗效应的研究进展

纵向驱动巨磁阻抗效应的研究进展

0新材料开发及应用日本名古屋的莫霍比教授于1992年在co基非晶丝的中心发现了巨磁抗护理效应。所谓的巨磁抗护理效应是指磁性材料的通信阻力随着外部介质的作用而变化的现象。不同国家的研究对pmi效应的机制、pmi效应的提高进行了深入的探讨，并对新材料的开发和应用进行了广泛深入的研究。ldgmi效应不同于pmi效应，通过螺线管的交变电阻力将电磁强度与软磁强度联合起来，将电磁强度用于软磁材料。与vmi效应不同，ldgmi效应使用不同于vmi效应的驱动模式，即通过螺旋管道生成频带电流的软磁材料，而不是像民法效应那样直接驱动电流。它避免了vmi效应的焊接问题，通过螺线管实现更多的电磁强度，并且避免了米电阻力方程与软磁材料之间的异质材料之间的焊接问题。此外，ldgmi效应比5mi效应高两个等级的灵敏度。但是,由于学术界存在LDGMI效应与GMI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.1磁芯螺线管抗压强度测量图1为LDGMI效应装置的示意图,软磁材料置于螺线管中组成磁芯螺线管,恒定幅值的交流电iac通过螺线管,产生平行于磁芯轴向的小值交变驱动磁场,在外加直流磁场Hex的作用下,测量螺线管两端的电压V和通过螺线管的电流I,跟据公式求得磁芯螺线管的阻抗值Z,观察Z随外加磁场的变化情况.通常人们用LDGMI比来衡量LDGMI效应的大小,LDGMI比定义为式(1)中:ZHex,Z0,ZHmax分别是直流偏置磁场为Hex,0及实验时所加最大磁场Hmax(饱和磁化)时磁芯螺线管的阻抗.2磁芯螺线管空心部分及其总电弧ls对LDGMI效应机理的解释,王宗篪等通过对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.方允樟等认为在LDGMI效应中,不仅存在电感随磁场变化,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为式(2)中:R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R由螺线管的电阻Rs和磁芯涡流损耗引起的等效电阻Rm组成,R=Rs+Rm.磁芯螺线管的总电感Ls是螺线管空心部分电感L0与含磁芯部分电感Lm的总和,即Ls=L0+Lm,螺线管空芯部分的电感为含磁芯部分的电感为式(3)~式(4)中:μ0为真空磁导率;μr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=I0exp(-jωt)驱动下磁芯横截面上产生的环向感应电动势为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则长度为l的磁芯因为涡流而产生的热量令长度为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Rm耗能,即可建立等效方程则联列方程式(7)和式(8)及式(5),可得磁芯螺线管的阻抗在LDGMI效应研究过程中,Rs,ω,μ0,n,r,S,l,a,b皆不随外加磁场变化,只有Rm和μr随外加磁场变化.因此,式(10)可以改写为式(11)中:.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效应的定义式式(12)中:由式(12)~式(14)可见,ΔZ的实部和虚部都随Δμr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,Rs+Rm=R可等价于GMI效应定义中电阻部分Rdc,但Rs很小,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Rm可等价于GMI效应中的Rdc.对比可以发现,Rm对磁敏材料的相对磁导率μr的依赖关系大于Rdc对磁敏材料的相对磁导率μr的依赖关系,这可能就是LDGMI效应大于GMI效应的主要原因之一.3ldgmi结构对磁结构的作用GMI效应反映了软磁材料磁导率随外磁场的变化,实际上是直流磁化场Hex、交流驱动场槇h和磁性材料内部的磁结构三者综合作用的结果,这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交变驱动场槇h和外磁场Hex均在纵向(见图2(a)).此时,带在槇h作用下的磁化以转动为主.在施加Hex以后,当Hex<Hk时,Hex对磁化过程的影响很小,带的磁阻抗基本保持不变;而当Hex>Hk时,Hex使磁矩偏向带的纵向并倾向于与Hex一致,这样,槇h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))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.4材料形态的ldgmi效应目前对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.4.1材料的磁机械共振满其奎等对直流电流退火Fe36Co36Ni4Si4.8B19.2薄带的LDGMI效应研究发现,电流密度为3.2×107A/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2440.2%/(A·m-1),分析其机理可能是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.Gong等在研究Fe24Co11.82Ni47.3Si1.47B15薄带的LDGMI效应时发现,样品的磁机械共振能够明显地提高LDGMI效应,样品在340℃温度时加横向磁场退火获得最大LDGMI比值(1532%),这是由于强的磁机械耦合作用引起的.文献也用磁机械共振研究了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄带的LDGMI效应,发现薄带经过480℃温度退火,其LDGMI比值可达10000%,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.方允樟等发明一种“宽线性”高灵敏的磁敏材料(FeSiBPC),在空气中470℃退火1h,其LDGMI效应为680%,线性相关系数达0.998的线性区间宽度为925A/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.孙怀君等对Co63Fe4B22.4Si5.6Nb5薄带通过一定的应力退火,LDGMI效应可达2400%,灵敏度达到114%/(A·m-1).4.2u2004响应面曲面图1.2刘龙平等用高频感应加热熔融拉引技术制备Fe73.0Cu1.0Nb1.5V2.0Si13.5B9.0玻璃包裹非晶细丝,在570℃温度退火后其最大LDGMI变化达1020%,比之前文献报道的相同条件下传统横向驱动GMI效应大了4倍(见图5).施方也等和杨晓红等比对Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9玻璃包裹丝的LDGMI效应和GMI效应得出,LDG-MI效应效果明显优于后者.4.3u1nb3si13.5b9薄膜的制备Gong等用电沉积法制备的坡莫合金薄膜,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Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9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.4.4dgmi效应赵振杰等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(GMR)高,所以研究粉体的LDGMI效应及其应用也具有重要意义.5基于反馈gmi的弱磁传感器Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9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,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.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.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,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),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,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.文献利用Fe78Si9B13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,具有更好的线性度和稳定性.文献设计出LDGMI微型弱磁传感器,也是基于Fe78Si9B13合金薄带的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.6基于ldgmi效应的磁传感检测技术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