帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的巨磁阻抗效應(yīng).pdf

1、由于GMI效應(yīng)具有靈敏度高、響應(yīng)快、無磁滯等特點(diǎn),在磁記錄和傳感器方面有著廣泛的應(yīng)用前景；另一方面,GMI效應(yīng)也可作為一種工具去研究鐵磁材料的磁化過程和估算出許多與GMI效應(yīng)相關(guān)的物理量參數(shù)。把帶絕緣層的多層膜結(jié)構(gòu)引入多層復(fù)合絲結(jié)構(gòu),期望帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲出現(xiàn)更高的GMI效應(yīng)和更好的低頻特性,成為當(dāng)前GMI效應(yīng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。作為一個(gè)新興的研究熱點(diǎn),帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的GMI效應(yīng),無論在理論上和實(shí)驗(yàn)上都不成熟,有必要深入進(jìn)行研究。GMI

2、效應(yīng)除了與材料的磁性能和組合結(jié)構(gòu)有關(guān)外,還與測試回路有關(guān)。因此,在測量系統(tǒng)中引入電容構(gòu)成LC回路,利用共振原理增強(qiáng)GMI效應(yīng)引起各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。 本文首先從理論上推導(dǎo)出帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的阻抗表達(dá)式,實(shí)驗(yàn)上詳細(xì)地研究了帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的GMI效應(yīng)。其次,由推導(dǎo)出的阻抗表達(dá)式將阻抗轉(zhuǎn)化為磁導(dǎo)率,結(jié)合等效電路和交流阻抗譜研究帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的磁化特性。最后,改變帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的測量方式構(gòu)成LC共振型復(fù)合結(jié)構(gòu)絲,由其自身形

3、成圓柱形電容,在GMI測量系統(tǒng)中產(chǎn)生串聯(lián)型LC共振,利用共振原理增強(qiáng)GMI效應(yīng)：系統(tǒng)地研究共振型復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的幾何尺寸和軟磁性能對共振頻率、共振型GMI效應(yīng)及高頻巨磁電抗效應(yīng)的影響。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 1.從理論上推導(dǎo)出帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的阻抗表達(dá)式；實(shí)驗(yàn)上用化學(xué)鍍方法制備帶聚酯絕緣層的CuBe/絕緣層/NiCoP復(fù)合結(jié)構(gòu)絲,研究了其GMI效應(yīng)和磁化特性,得到的主要結(jié)論如下： (1)由能量模型推導(dǎo)出帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲

4、的阻抗表達(dá)式。根據(jù)該表達(dá)式,從理論上預(yù)測帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲具有較大的GMI效應(yīng)和較好的低頻特性。 (2)用化學(xué)鍍方法制備了帶絕緣層的復(fù)合結(jié)構(gòu)絲,研究溫度退火和電流退火復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的GMI效應(yīng),溫度退火樣品在f=600 kHz時(shí)△Z/Z達(dá)最大值239％,最佳電流密度(J=283 A/mm2)退火樣品在f=220 kHz時(shí)最大磁阻抗比率AZ/Z高達(dá)1128.9％、最大磁場靈敏度為74％/Oe。最佳電流密度退火樣品低頻巨磁阻抗效應(yīng)更明顯

5、,f=10 kHz時(shí)AZ/Z的最大值為180.3％,而溫度退火樣品在f=10 kHz時(shí)AZ/Z=7.5％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測相吻合。 (3)由推導(dǎo)出的阻抗表達(dá)式將阻抗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為與磁化過程密切相關(guān)的磁導(dǎo)率數(shù)據(jù),利用磁導(dǎo)率并結(jié)合等效電路等研究帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的磁化特性。溫度退火和電流退火都使樣品磁疇結(jié)構(gòu)由制備態(tài)時(shí)環(huán)向和縱向的混合磁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱己玫沫h(huán)向磁結(jié)構(gòu),提高了外加直流磁場如時(shí)樣品磁導(dǎo)率對比的靈敏度,從而提高樣品的磁阻抗變化。最

6、佳電流密度退火樣品具有更好的環(huán)向磁結(jié)構(gòu),在低頻時(shí)∥和∥即隨外加直流磁場發(fā)生明顯變化,出現(xiàn)最大變化量的頻率更低；外加直流磁場后∥和∥的變化都遠(yuǎn)大于溫度退火樣品,適當(dāng)大小的電流退火提高GMI效應(yīng)更明顯。 (4)研究不同測試電流(驅(qū)動(dòng)場)大小對帶絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu)絲GMI效應(yīng)和磁化特性的影響。交變電流的大小影響鐵磁材料的交流磁化過程,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流Im增大時(shí),Im產(chǎn)生的環(huán)向交變磁場增大,增強(qiáng)磁化過程中的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng),延長磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的馳豫過程,從而影

7、響GMI效應(yīng)。 2.用化學(xué)鍍成功制備了LC共振型CuBe/絕緣層/CoP和CuBe/絕緣層/NiCoP復(fù)合結(jié)構(gòu)絲,研究其LC共振型巨磁阻抗效應(yīng),結(jié)果表明： (1)由于聚酯絕緣層的隔離、CuBe芯與外層鐵磁層形成電容,在測量電路中發(fā)生了串聯(lián)型LCR共振,不同于常規(guī)型復(fù)合結(jié)構(gòu)絲,其阻抗為整個(gè)回路的總阻抗,不僅與磁導(dǎo)率變化有關(guān),也與電容和回路有關(guān)。巨磁阻抗效應(yīng)在共振頻率附近迅速增強(qiáng),而遠(yuǎn)離該頻率則明顯減小,具有很好的頻率選擇性

8、。 (2)LC共振型復(fù)合結(jié)構(gòu)絲在共振頻率附近具有優(yōu)良的巨磁阻抗效應(yīng),如長度ι=11 cm、電流密度J=210A/mm2的電流退火共振型CuBe/絕緣層/CoP復(fù)合絲在f=30.5 MHz時(shí)磁阻抗比率AZ/Z的最大值由常規(guī)型的229.0％增強(qiáng)到1333.7％,提高4.8倍,最大磁場靈敏度達(dá)9l％Oe。 (3)建立等效電路模型,定量計(jì)算出復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的相位角和阻抗值,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合,說明所建立的理論模型合理、等效電路

9、的設(shè)計(jì)和各參數(shù)的選擇正確,較好地接近LC共振型復(fù)合結(jié)構(gòu)絲測量時(shí)的實(shí)際電路?；趯ι鲜龅刃щ娐纺Ｐ偷睦斫夂湍M計(jì)算,建立了簡化模型,更直觀地對影響共振頻率和共振型復(fù)合結(jié)構(gòu)絲GMI效應(yīng)的各種因素進(jìn)行定性分析。 (4)研究了復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的長度、CuBe芯直徑2dc和鐵磁層厚度dm等對共振頻率的調(diào)節(jié)。共振頻率fo隨長度的減小而增大、f～1/ι曲線近似成線性關(guān)系,隨CuBe芯直徑2dc的增加先增后減,隨鐵磁層厚度dm的增加而遞減。 (5)電

10、流退火改變鍍層磁結(jié)構(gòu),磁導(dǎo)率μ發(fā)生變化,導(dǎo)致L1和L2發(fā)生變化,從而共振頻率f0也略有變化。適宜的電流退火釋放了內(nèi)應(yīng)力、改善材料的軟磁性能,提高磁導(dǎo)率隨Hex變化的幅度,使得共振型復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的GMI效應(yīng)明顯增強(qiáng)。 (6)磁電抗比率最大值(△X/X)max在共振頻率附近發(fā)生突變,產(chǎn)生非常大的巨磁電抗效應(yīng),長度為5 cm復(fù)合結(jié)構(gòu)絲在頻率f=58924500 Hz時(shí)(△X/X)max=1.08×107％；通過控制共振頻率,在高頻也能觀