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時敏感材料的阻抗隨外磁場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,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)值計算和實驗結(jié)

2、合角度分析了幾何和測量參數(shù)對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磁敏傳感器的驗證,實現(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。對于脈沖電流退火時其

3、溫度呈幅值穩(wěn)定的周期性波動變化,且趨穩(wěn)時間則隨電流幅值增加適當(dāng)延長,內(nèi)部平均溫度呈上升趨勢,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,磁性能顯著降低。相比本實驗所用制備態(tài)微絲而言,復(fù)合式電流調(diào)制處理對改善微絲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Hk達(dá)2.0Oe。同時,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其改善GMI效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了初步探討,并對磁矩轉(zhuǎn)動角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)值計算方法,分析了幾何參數(shù)與測量參數(shù)對非晶微絲GMI效應(yīng)的影響,所獲得的計算結(jié)果與實驗相吻合。f=10MHz時,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。直徑較小時,應(yīng)力各向異性的不均勻分布和磁彈性能對自發(fā)

5、磁化矢量的阻礙使其GMI效應(yīng)不顯著;直徑較大時,局部區(qū)域內(nèi)原子排列長程有序區(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長度范圍內(nèi),GMI效應(yīng)隨長度增加而改善明顯,因其有效降低退磁場、端部閉合疇及切割應(yīng)力的影響,實現(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度應(yīng)分別選擇在25μm~35μm和18mm~24mm范圍內(nèi)。
　　激勵電流幅值對非晶微絲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,驅(qū)動力作用下磁矩愈易轉(zhuǎn)至平衡位置,實現(xiàn)完全體積磁化;而較低幅值時出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象,與磁矩轉(zhuǎn)動的局部臨界磁場的不均勻分布密切相關(guān)。同時,GMI效應(yīng)隨激勵頻率的升高,其趨膚效應(yīng)明顯,疇壁移動時渦流阻尼作用增強(qiáng),疇壁轉(zhuǎn)動成為磁化過程的主導(dǎo)因素。GMI磁敏傳感器的激勵幅值選擇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、電鍍時間及電

7、解液溫度等因素影響。電流密度較低且鍍時較短時,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較長時,鍍層呈晶粒粗大、多孔,具有氫脆和裂紋的傾向。同時,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金屬復(fù)合層的優(yōu)化參數(shù),且明顯改善其表面潤濕特性,實現(xiàn)變溫條件下微絲與電子電路的穩(wěn)定可靠連接。同時,基于歐姆接觸理論,對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,GMI輸出穩(wěn)定性較高,無波動變化區(qū);溫度較高時,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)計的磁敏傳