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铁磁/金属/铁磁三明治多层膜的应力阻抗效应研究

刘均东  
【摘要】: 非晶态铁磁合金薄膜在外加应力作用下,阻抗会发生很大的变化,表现出明显的应力阻抗效应,这种特性可以广泛应用于应力/应变传感器中,因此对非晶态铁磁合金薄膜应力阻抗效应的研究具有实际意义。由于“铁磁/金属/铁磁”三明治多层膜表现出了比单层铁磁薄膜更为明显的应力阻抗效应,为此,本文从理论和实验上对“铁磁/金属/铁磁”三明治结构多层膜的应力阻抗效应进行了系统研究。 本文首先建立了“铁磁/金属/铁磁”三明治结构多层膜应力阻抗效应的物理模型,通过求解Maxwell方程,得到了多层膜阻抗与其结构、铁磁层磁导率之间的关系,然后通过求解Landau-Lifshitz-Gilbert方程,推导出铁磁薄膜磁导率与外加应力的关系。通过铁磁层的高频磁导率将多层膜的阻抗与外加应力联系起来,给出了多层膜的应力阻抗表达式,研究了多层膜的结构参数和材料物理参数对“铁磁/金属/铁磁”多层膜阻抗以及应力阻抗效应的影响。结果表明,增加铁磁层和导电层的厚度都会增强多层膜的应力阻抗效应。提高中间金属层的电导率也可以提高应力阻抗效应。铁磁层采用高饱和磁化强度的材料可以增加多层膜的应力阻抗效应。随着测试频率升高,多层膜的应力阻抗效应先增加后降低,存在一个最佳的频率区间,在此频率区间内,应力阻抗效应变化不大,且具有较高的应力阻抗效应。 实验上,采用磁控溅射法在Kapton基片上制备了FeCoSiB/Cu/FeCoSiB三明治结构多层膜,测试了不同外加应力作用下多层膜的应力阻抗效应。结果表明,铁磁层和中间导电层厚度的增加都会增强多层膜的应力阻抗效应。当FeCoSiB铁磁层厚度保持1μm,Cu层厚度从0.25μm增加到1μm时,多层膜的应力阻抗效应从0.3%增加到20.5%。当Cu层厚度为0.25μm,FeCoSiB铁磁层厚度从0.5μm增加至1.5μm时,多层膜应力阻抗效应从0.5%增加到8.6%。中间导电层采用不同电导率的金属会导致不同大小的应力阻抗效应。当中间导电层材料分别为相同厚度的Cu和Ag时,在基片末端位移1mm范围内,应力阻抗效应分别可达3.1%和13.3%。FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜样品的应力阻抗效应随测试频率增加先增大后降低,当测试频率为1MHz时,可以获得最大的应力阻抗效应。实验结果很好地验证了理论模型的计算结果。 本文还采用光刻和剥离工艺在Kapton基片上制备了大小为3mm×4mm的FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜应变片,测试结果表明,当应变片的应变从990ppm增加到2700ppm时,其阻抗从118.7?增加至140.3?,相对阻抗变化达到18.2%,应变灵敏系数大于100,且在990ppm-2700ppm应变范围内,阻抗随应变的变化具有很好的线性特性。


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