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共振增强巨磁阻抗效应及其应用

吴志明  
【摘要】: 巨磁阻抗(GMI)效应是指铁磁材料的交流阻抗在外加直流磁场的作用下发生显著变化的现象。这种效应具有灵敏度高、响应快等优点,在磁记录和磁传感器上有着广泛的应用前景。当今,磁敏传感器的发展趋势是高灵敏度和小型化。本文主要从提高GMI效应的灵敏度和改善MI传感器的性能出发,研究了LC共振和磁力共振增强巨磁阻抗效应,对其作用机制和最佳条件的选择作了较为系统的考察,并试制了有一定特色的LC共振型、磁力共振型及频率调制型MI传感器样机,主要研究内容和结果如下: 1.通过磁控溅射方法,在Fe基玻璃包裹丝外溅射一层铜,复合丝自身构成LC回路,其中,内芯层与外铜层耦合形成附加电容,而玻璃绝缘层充当电介质作用。研究发现: (1)通过控制铜层的长度和厚度,可以调节复合丝的LC共振频率和阻抗增强效果。GMI效应共振增强幅度与复合丝的共振频率和线宽有着密切的关系。当包裹丝阻抗变化最佳频率处于共振曲线斜率最大位置时,巨磁阻抗效应可以有较大的提高。 (2)对于外镀铜层的复合丝,当短接内外层一端时,与开路情况相比,可以增大等效回路电容,降低复合丝共振频率,有利于观察巨磁阻抗效应的增强。实验结果通过分布参数方法模拟,理论与实验结果相吻合。这种方法对小型器件的设计具有指导意义。 (3)利用LC共振模式,用Fe基玻璃包裹丝试制了一种LC共振型MI电流传感器。研究发现,灵敏度及线性范围与MI元件选择的共振电容和驱动频率有密切的关系。本实验中试制的电流传感器线性范围可达0-30A,线性相关系数达0.9998,探头的半径仅为2.5 mm。 2.采用纵向驱动方式,测量了Fe基非晶、纳米晶条带的巨磁阻抗效应,研究了磁力共振增强巨磁阻抗效应,结果表明: (1)为了得到较强的磁力共振增强巨磁阻抗效应,所选的材料需具有高的磁弹性耦合系数K_(33)和品质因素Q,即要求材料具有一定的磁致伸缩系数和磁导率。 (2)经不同温度退火的Fe基纳米晶条带,由于具有一定的磁致伸缩系数和磁导率,在不同的特定驱动频率下,材料会发生磁力共振,因而大大增强了材料的巨磁阻抗效应。经480℃退火长为1.5 cm的条带,当频率为133kHz时,巨磁阻抗效应可以增强到15462%,是原来最大巨磁阻抗效应的12倍,最大灵敏度为7300%/Oe,是没有发生共振时灵敏度的29倍。 (3)利用磁力共振模式,研制了一种高灵敏的MI传感器,磁场测量精度可达10~(-7)T。 3.利用应力退火方法,对Fe_(73)Cu_1Nb_(1.5)V_2Si_(13.5)B_9薄带进行了退火处理,研究了采用不同应力退火条带制成的频率调制型MI传感器输出特性。实验结果显示材料磁化过程中的磁矩转动有利于提高传感器的线性度。采用59.8 MPa退火条带制成的MI传感器在±2 Oe内输出线性相关系数可达0.9999,灵敏度为15%/Oe。


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