非晶微絲的巨磁阻抗效應(yīng)及其連接和溫度特性.pdf

1、巨磁阻抗(GiantMagneto-impedance,GMI)效應(yīng)指在較高頻交變電流激勵(lì)時(shí)敏感材料的阻抗隨外磁場(chǎng)改變而顯著變化的現(xiàn)象。Co基非晶微絲作為新型敏感材料,具有響應(yīng)速度快和靈敏度高等特點(diǎn),適合應(yīng)用于高性能的GMI磁敏傳感器。本文研究了磁敏傳感器用非晶微絲的GMI效應(yīng)及其電鍍連接和溫度特性等基礎(chǔ)問題:分析了復(fù)合式電流調(diào)制處理對(duì)熔體抽拉非晶微絲GMI效應(yīng)的影響規(guī)律和作用機(jī)理,建立了非晶微絲GMI效應(yīng)的理論模型,從數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)

2、合角度分析了幾何和測(cè)量參數(shù)對(duì)GMI效應(yīng)的影響規(guī)律,提出了非晶微絲端部電鍍后連接以提高GMI輸出穩(wěn)定性的技術(shù)途徑,進(jìn)行了基于非晶微絲溫度特性的差分式GMI磁敏傳感器的驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)軟磁材料的結(jié)構(gòu)功能一體化應(yīng)用目標(biāo),獲得以下結(jié)果:
　　采用瞬態(tài)熱傳導(dǎo)中的集總熱容法定量描述了不同類型電流退火過程中非晶微絲瞬態(tài)升溫特性及其與電流強(qiáng)度的相互關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),不同電流退火參數(shù)下微絲升溫特性為初始階段溫度迅速升高,后趨穩(wěn)定。對(duì)于脈沖電流退火時(shí)其

3、溫度呈幅值穩(wěn)定的周期性波動(dòng)變化,且趨穩(wěn)時(shí)間則隨電流幅值增加適當(dāng)延長(zhǎng),內(nèi)部平均溫度呈上升趨勢(shì),可作為電流退火參數(shù)選擇的依據(jù);當(dāng)其接近于居里溫度和晶化溫度時(shí),磁性能顯著降低。相比本實(shí)驗(yàn)所用制備態(tài)微絲而言,復(fù)合式電流調(diào)制處理對(duì)改善微絲GMI效應(yīng)的效果顯著,調(diào)制態(tài)微絲的最大阻抗變化率[ΔZ/Z0]max、磁場(chǎng)響應(yīng)靈敏度ξmax分別達(dá)368.7％和623.5%/Oe(f=10MHz),等效各向異性場(chǎng)Hk達(dá)2.0Oe。同時(shí),依據(jù)復(fù)合式調(diào)制處理中脈沖

4、電流退火和直流退火階段各自作用對(duì)其改善GMI效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了初步探討,并對(duì)磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)角i變化條件下復(fù)合調(diào)制態(tài)非晶微絲的磁化機(jī)制和GMI曲線峰行為演變進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
　　基于“芯-殼”磁疇結(jié)構(gòu)模型和自由能最小化原理的數(shù)值計(jì)算方法,分析了幾何參數(shù)與測(cè)量參數(shù)對(duì)非晶微絲GMI效應(yīng)的影響,所獲得的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相吻合。f=10MHz時(shí),非晶微絲的GMI效應(yīng)隨直徑的增加呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。直徑較小時(shí),應(yīng)力各向異性的不均勻分布和磁彈性能對(duì)自發(fā)

5、磁化矢量的阻礙使其GMI效應(yīng)不顯著;直徑較大時(shí),局部區(qū)域內(nèi)原子排列長(zhǎng)程有序區(qū)的形成導(dǎo)致準(zhǔn)磁晶各向異性的產(chǎn)生和GMI效應(yīng)的迅速下降。調(diào)制態(tài)非晶微絲在3mm~30mm長(zhǎng)度范圍內(nèi),GMI效應(yīng)隨長(zhǎng)度增加而改善明顯,因其有效降低退磁場(chǎng)、端部閉合疇及切割應(yīng)力的影響,實(shí)現(xiàn)微絲內(nèi)部均勻磁化。據(jù)此,GMI傳感器用非晶微絲的直徑和長(zhǎng)度應(yīng)分別選擇在25μm~35μm和18mm~24mm范圍內(nèi)。
　　激勵(lì)電流幅值對(duì)非晶微絲GMI效應(yīng)的輸出穩(wěn)定性影響的研究

6、表明,其穩(wěn)定性隨幅值增大而顯著改善。當(dāng)Iac≥15mA時(shí),驅(qū)動(dòng)力作用下磁矩愈易轉(zhuǎn)至平衡位置,實(shí)現(xiàn)完全體積磁化;而較低幅值時(shí)出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象,與磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的局部臨界磁場(chǎng)的不均勻分布密切相關(guān)。同時(shí),GMI效應(yīng)隨激勵(lì)頻率的升高,其趨膚效應(yīng)明顯,疇壁移動(dòng)時(shí)渦流阻尼作用增強(qiáng),疇壁轉(zhuǎn)動(dòng)成為磁化過程的主導(dǎo)因素。GMI磁敏傳感器的激勵(lì)幅值選擇15mA,工作頻率為10MHz~12MHz。
　　非晶微絲端部電鍍金屬層微觀形貌受陰極電流密度、電鍍時(shí)間及電

7、解液溫度等因素影響。電流密度較低且鍍時(shí)較短時(shí),易產(chǎn)生非均勻分布的“偏聚區(qū)”和歧化反應(yīng);電流密度較高且鍍時(shí)較長(zhǎng)時(shí),鍍層呈晶粒粗大、多孔,具有氫脆和裂紋的傾向。同時(shí),獲得了可應(yīng)用于微絲封裝連接且熱膨脹系數(shù)相匹配的端部電鍍Ni/Cu金屬?gòu)?fù)合層的優(yōu)化參數(shù),且明顯改善其表面潤(rùn)濕特性,實(shí)現(xiàn)變溫條件下微絲與電子電路的穩(wěn)定可靠連接。同時(shí),基于歐姆接觸理論,對(duì)電鍍金屬層微連接改善非晶微絲GMI輸出穩(wěn)定性的作用機(jī)理進(jìn)行了合理解釋。
　　非晶微絲的溫度

8、特性研究表明,GMI效應(yīng)及其輸出穩(wěn)定性隨環(huán)境溫度的升高而變化明顯,適合傳感器用非晶微絲的正常工作溫度范圍為0℃~80℃。溫度較低時(shí),GMI輸出穩(wěn)定性較高,無波動(dòng)變化區(qū);溫度較高時(shí),輸出穩(wěn)定性變差,輸出曲線特征由“鼓狀”轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧葼睢?這與升溫過程中電阻率的迅速增大、熱振蕩作用下磁性體內(nèi)微磁偶極矩的紊亂排布和磁晶各向異性所致非均勻變化區(qū)的形成有關(guān),進(jìn)而磁極化強(qiáng)度和環(huán)向磁導(dǎo)率顯著降低。
　　基于非晶微絲GMI效應(yīng)和溫度特性設(shè)計(jì)的磁敏傳