縱向驅(qū)動(dòng)巨磁阻抗效應(yīng)的研究進(jìn)展

縱向驅(qū)動(dòng)巨磁阻抗效應(yīng)的研究進(jìn)展

0新材料開發(fā)及應(yīng)用日本名古屋的莫霍比教授于1992年在co基非晶絲的中心發(fā)現(xiàn)了巨磁抗護(hù)理效應(yīng)。所謂的巨磁抗護(hù)理效應(yīng)是指磁性材料的通信阻力隨著外部介質(zhì)的作用而變化的現(xiàn)象。不同國家的研究對pmi效應(yīng)的機(jī)制、pmi效應(yīng)的提高進(jìn)行了深入的探討，并對新材料的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行了廣泛深入的研究。ldgmi效應(yīng)不同于pmi效應(yīng)，通過螺線管的交變電阻力將電磁強(qiáng)度與軟磁強(qiáng)度聯(lián)合起來，將電磁強(qiáng)度用于軟磁材料。與vmi效應(yīng)不同，ldgmi效應(yīng)使用不同于vmi效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模式，即通過螺旋管道生成頻帶電流的軟磁材料，而不是像民法效應(yīng)那樣直接驅(qū)動(dòng)電流。它避免了vmi效應(yīng)的焊接問題，通過螺線管實(shí)現(xiàn)更多的電磁強(qiáng)度，并且避免了米電阻力方程與軟磁材料之間的異質(zhì)材料之間的焊接問題。此外，ldgmi效應(yīng)比5mi效應(yīng)高兩個(gè)等級的靈敏度。但是,由于學(xué)術(shù)界存在LDGMI效應(yīng)與GMI效應(yīng)物理機(jī)制是否相同的爭議,絕大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為LDGMI效應(yīng)的物理機(jī)制不同于GMI效應(yīng),不愿意研究LDGMI效應(yīng),只有少數(shù)幾個(gè)研究小組在研究LDGMI效應(yīng).鑒于此,本文對LDGMI效應(yīng)的物理機(jī)制進(jìn)行了討論,并對關(guān)于LDGMI效應(yīng)研究的主要成果和應(yīng)用進(jìn)行了綜述.1磁芯螺線管抗壓強(qiáng)度測量圖1為LDGMI效應(yīng)裝置的示意圖,軟磁材料置于螺線管中組成磁芯螺線管,恒定幅值的交流電iac通過螺線管,產(chǎn)生平行于磁芯軸向的小值交變驅(qū)動(dòng)磁場,在外加直流磁場Hex的作用下,測量螺線管兩端的電壓V和通過螺線管的電流I,跟據(jù)公式求得磁芯螺線管的阻抗值Z,觀察Z隨外加磁場的變化情況.通常人們用LDGMI比來衡量LDGMI效應(yīng)的大小,LDGMI比定義為式(1)中:ZHex,Z0,ZHmax分別是直流偏置磁場為Hex,0及實(shí)驗(yàn)時(shí)所加最大磁場Hmax(飽和磁化)時(shí)磁芯螺線管的阻抗.2磁芯螺線管空心部分及其總電弧ls對LDGMI效應(yīng)機(jī)理的解釋,王宗篪等通過對FeCuNbVSiB薄帶的LDGMI效應(yīng)研究得出:從相頻曲線的峰位確定材料的特征頻率,當(dāng)LDGMI效應(yīng)小于此特征頻率時(shí)顯示磁電感效應(yīng);LDGMI效應(yīng)大于特征頻率才顯示磁阻抗效應(yīng).方允樟等認(rèn)為在LDGMI效應(yīng)中,不僅存在電感隨磁場變化,同時(shí)也存在等效電阻(磁芯螺線管的渦流電阻)隨外加磁場變化情況:根據(jù)電磁學(xué)原理得到磁芯螺線管的阻抗Z為式(2)中:R為螺線管的總電阻;L為磁芯螺線管的總電感.螺線管的總電阻R由螺線管的電阻Rs和磁芯渦流損耗引起的等效電阻Rm組成,R=Rs+Rm.磁芯螺線管的總電感Ls是螺線管空心部分電感L0與含磁芯部分電感Lm的總和,即Ls=L0+Lm,螺線管空芯部分的電感為含磁芯部分的電感為式(3)~式(4)中:μ0為真空磁導(dǎo)率;μr為磁芯相對磁導(dǎo)率;a,b,l分別為磁芯的厚度、寬度及長度;S,n分別為螺線管的截面積與線繞密度.可得到磁芯螺線管在驅(qū)動(dòng)電流I=I0exp(-jωt)驅(qū)動(dòng)下磁芯橫截面上產(chǎn)生的環(huán)向感應(yīng)電動(dòng)勢為設(shè)單位長度磁芯環(huán)向電阻為r,則單位長度單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱為則長度為l的磁芯因?yàn)闇u流而產(chǎn)生的熱量令長度為l的磁芯因?yàn)闇u流發(fā)熱消耗的能量等效于磁芯螺線管的電阻Rm耗能,即可建立等效方程則聯(lián)列方程式(7)和式(8)及式(5),可得磁芯螺線管的阻抗在LDGMI效應(yīng)研究過程中,Rs,ω,μ0,n,r,S,l,a,b皆不隨外加磁場變化,只有Rm和μr隨外加磁場變化.因此,式(10)可以改寫為式(11)中:.顯然,可以將A命名為螺線管磁芯的渦流因子,B命名為空芯螺線管電感的結(jié)構(gòu)因子,C命名為磁芯螺線管電感的結(jié)構(gòu)因子.根據(jù)LDGMI效應(yīng)的定義式式(12)中:由式(12)~式(14)可見,ΔZ的實(shí)部和虛部都隨Δμr線性變化,這就證明將LDGMI效應(yīng)納入GMI效應(yīng)的范疇是合適的.此外,Rs+Rm=R可等價(jià)于GMI效應(yīng)定義中電阻部分Rdc,但Rs很小,且不隨外加磁場變化,因此,在LDGMI效應(yīng)中可忽略,則LDGMI效應(yīng)中的渦流電阻Rm可等價(jià)于GMI效應(yīng)中的Rdc.對比可以發(fā)現(xiàn),Rm對磁敏材料的相對磁導(dǎo)率μr的依賴關(guān)系大于Rdc對磁敏材料的相對磁導(dǎo)率μr的依賴關(guān)系,這可能就是LDGMI效應(yīng)大于GMI效應(yīng)的主要原因之一.3ldgmi結(jié)構(gòu)對磁結(jié)構(gòu)的作用GMI效應(yīng)反映了軟磁材料磁導(dǎo)率隨外磁場的變化,實(shí)際上是直流磁化場Hex、交流驅(qū)動(dòng)場槇h和磁性材料內(nèi)部的磁結(jié)構(gòu)三者綜合作用的結(jié)果,這三者組合形式的多樣性導(dǎo)致了磁阻抗效應(yīng)曲線的多樣性.這里只討論交流磁化場平行于磁芯軸向的LDGMI效應(yīng)情況.1)軟磁條帶具有橫向磁結(jié)構(gòu),在無外場作用時(shí),材料具有橫向各向異性場Hk交變驅(qū)動(dòng)場槇h和外磁場Hex均在縱向(見圖2(a)).此時(shí),帶在槇h作用下的磁化以轉(zhuǎn)動(dòng)為主.在施加Hex以后,當(dāng)Hex<Hk時(shí),Hex對磁化過程的影響很小,帶的磁阻抗基本保持不變;而當(dāng)Hex>Hk時(shí),Hex使磁矩偏向帶的縱向并傾向于與Hex一致,這樣,槇h產(chǎn)生的交變磁化將變得困難,帶的磁阻抗急劇減小直至Hex使材料磁飽和,從而得到一條具有“平臺(tái)”的巨磁阻抗曲線(見圖2(b))由圖2、圖3可知,LDGMI效應(yīng)和磁結(jié)構(gòu)的密切關(guān)系,可以通過控制磁結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)所需要的縱向磁阻抗響應(yīng),從技術(shù)的角度來說有利于傳感器的設(shè)計(jì);另一方面,從縱向磁阻抗響應(yīng)的特征中也能反應(yīng)材料磁結(jié)構(gòu)的信息,可以作為測量材料磁性能的一種手段.4材料形態(tài)的ldgmi效應(yīng)目前對LDGMI效應(yīng)的研究主要集中于Fe基和Co基材料,包括薄帶、細(xì)絲、薄膜和粉體等形態(tài),下面主要介紹這4種形態(tài)的LDGMI效應(yīng).4.1材料的磁機(jī)械共振滿其奎等對直流電流退火Fe36Co36Ni4Si4.8B19.2薄帶的LDGMI效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn),電流密度為3.2×107A/m2時(shí)出現(xiàn)類似“三峰”的LDGMI效應(yīng)(如圖4),稱為“尖刺GMI效應(yīng)”(TGMI效應(yīng)),其靈敏度最高達(dá)2440.2%/(A·m-1),分析其機(jī)理可能是由于退火過程中外殼層與內(nèi)芯層溫度梯度的存在導(dǎo)致復(fù)合磁結(jié)構(gòu)的形成.Gong等在研究Fe24Co11.82Ni47.3Si1.47B15薄帶的LDGMI效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),樣品的磁機(jī)械共振能夠明顯地提高LDGMI效應(yīng),樣品在340℃溫度時(shí)加橫向磁場退火獲得最大LDGMI比值(1532%),這是由于強(qiáng)的磁機(jī)械耦合作用引起的.文獻(xiàn)也用磁機(jī)械共振研究了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄帶的LDGMI效應(yīng),發(fā)現(xiàn)薄帶經(jīng)過480℃溫度退火,其LDGMI比值可達(dá)10000%,并指出高的磁機(jī)械耦合系數(shù)k33和Q因子可提高材料的LDGMI效應(yīng).方允樟等發(fā)明一種“寬線性”高靈敏的磁敏材料(FeSiBPC),在空氣中470℃退火1h,其LDGMI效應(yīng)為680%,線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.998的線性區(qū)間寬度為925A/m,具體見圖5.此材料的靈敏線性區(qū)寬度比典型的FINEMET合金提高了一個(gè)數(shù)量級以上,分析其機(jī)理,可能是由于退火過程中材料表面形成的氧化層和內(nèi)芯層間磁交換耦合形成具有梯度的磁各向異性所致.孫懷君等對Co63Fe4B22.4Si5.6Nb5薄帶通過一定的應(yīng)力退火,LDGMI效應(yīng)可達(dá)2400%,靈敏度達(dá)到114%/(A·m-1).4.2u2004響應(yīng)面曲面圖1.2劉龍平等用高頻感應(yīng)加熱熔融拉引技術(shù)制備Fe73.0Cu1.0Nb1.5V2.0Si13.5B9.0玻璃包裹非晶細(xì)絲,在570℃溫度退火后其最大LDGMI變化達(dá)1020%,比之前文獻(xiàn)報(bào)道的相同條件下傳統(tǒng)橫向驅(qū)動(dòng)GMI效應(yīng)大了4倍(見圖5).施方也等和楊曉紅等比對Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9玻璃包裹絲的LDGMI效應(yīng)和GMI效應(yīng)得出,LDG-MI效應(yīng)效果明顯優(yōu)于后者.4.3u1nb3si13.5b9薄膜的制備Gong等用電沉積法制備的坡莫合金薄膜,LDGMI效應(yīng)比隨著膜的厚度增加而增加,最小值可達(dá)-52%.何興偉等研究了不同溫度退火的3種不同厚度用磁控濺射制備的單層Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄膜的LDGMI效應(yīng),發(fā)現(xiàn)不同厚度樣品有著相同的最佳退火溫度,并指出LDGMI效應(yīng)可以使樣品在低頻下對弱場靈敏響應(yīng).4.4dgmi效應(yīng)趙振杰等采用單輥快淬法噴制FINEMET合金薄帶,而后經(jīng)過破碎制得非晶粉末,研究其LDGMI效應(yīng)發(fā)現(xiàn),相比薄帶、細(xì)絲和薄膜明顯降低,但是粉體材料不像上述3種形態(tài)樣品由于其形狀限制而導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中有局限性,便于器件的微型化和集成化,何況其LDGMI效應(yīng)和靈敏度都比巨磁電阻(GMR)高,所以研究粉體的LDGMI效應(yīng)及其應(yīng)用也具有重要意義.5基于反饋gmi的弱磁傳感器Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶在540℃退火過程中外加應(yīng)力,可以靈敏地改變其LDGMI曲線形狀,可以看到具有“平臺(tái)”的LDGMI曲線,即退火應(yīng)力可以高效地感生磁各向異性.利用此材料的橫向磁結(jié)構(gòu)來改善傳感器的線性方法,這在實(shí)際應(yīng)用中非常有意義.楊燮龍團(tuán)隊(duì)用FeCuNbVSiB納米微晶帶材料的磁結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以獲得最佳靈敏度和線性組合,制作出幾種汽車用的傳感器(納米磁敏開關(guān)、納米線性位移傳感器、齒輪速度傳感器等),該項(xiàng)科研成果已轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品,并安裝在中國自制的混合動(dòng)力汽車和榮威燃料電池汽車上.用“寬線性”的FeSiBPC非晶薄帶(或和具有軟磁性的軟磁材料疊加)作為敏感元件制作的磁敏傳感器,具有重復(fù)性好、靈敏度高、無遲滯、線性范圍廣等優(yōu)點(diǎn),尤其是弱場下仍然可以保持較好的線性度,可用于磁場測量、位移檢測磁和羅盤儀等.文獻(xiàn)利用Fe78Si9B13合金薄帶的LDGMI效應(yīng)設(shè)計(jì)的反饋GMI弱磁傳感器,相比未加反饋的GMI弱磁傳感器,具有更好的線性度和穩(wěn)定性.文獻(xiàn)設(shè)計(jì)出LDGMI微型弱磁傳感器,也是基于Fe78Si9B13合金薄帶的LDGMI效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的,具有較好的線性度和高重復(fù)率,在檢測空間弱磁場及地磁場、磁信息讀寫、汽車工業(yè)、機(jī)器人姿態(tài)測試、無損檢測、電力電子技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值,圖6為該傳感器的實(shí)物圖.6基于ldgmi效應(yīng)的磁傳感檢測技術(shù)LDGMI效應(yīng)和GMI效應(yīng)的基本物理機(jī)制相同,區(qū)別在于工作模式不同,在應(yīng)用開發(fā)中兩者各有優(yōu)缺點(diǎn),相互可以形成互補(bǔ)關(guān)系,LDGMI效應(yīng)相比GMI效應(yīng)具有靈敏度更高、可靠性更高、適應(yīng)性更靈活等優(yōu)點(diǎn),在新型磁敏傳感器和新型磁性能測量儀器開發(fā)應(yīng)用中LDGMI效應(yīng)會(huì)發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢.LDGMI效應(yīng)前景光明,值得業(yè)界關(guān)注.文獻(xiàn)在研究應(yīng)力退火的FeCuNbVSiB薄帶的LDGMI效應(yīng)時(shí)指出,由相位隨外磁場變化的最小值可確定材料的Hk,為測量磁性材料提供了一個(gè)新方法.方允樟等建立了一種基于LDGMI效應(yīng)表征軟磁材料磁結(jié)構(gòu)的模型,利用該模型可得到材料磁結(jié)構(gòu)特征參量,并可根據(jù)得到的各種形狀的LDGMI曲線反過來指導(dǎo)材料磁結(jié)構(gòu)控制工藝.由于LDGMI效應(yīng)對磁性材料的結(jié)構(gòu)和磁性能敏感,利用LDGMI效應(yīng)可以開發(fā)一種新型的磁測量方法.這種方法相比傳統(tǒng)的VSM,B-H儀等磁性能測量儀器,具有無需對樣品進(jìn)行處理、簡單便捷和成本低的優(yōu)勢.利用LDGMI效應(yīng)開發(fā)新型的磁測量儀有重要的價(jià)值和光明的前途.為了實(shí)現(xiàn)LDGMI傳感器高靈敏、低能耗、快速響應(yīng)等特性,大力進(jìn)行開發(fā)優(yōu)異性能的材料很有必要.磁導(dǎo)率高,磁滯伸縮系數(shù)小,損耗小,利用熱處理就可簡單地控制材料磁結(jié)構(gòu)(如FINEMET合金薄帶“平臺(tái)”和FeSiBPC合金薄帶的“寬線性”現(xiàn)象),就非常適用于制作LDGMI效應(yīng)的傳感器,有著廣闊的應(yīng)用前景.不過,目前基