巨磁阻抗效应及其应用_董延峰

文章编号:1004-2261(2002)04-074-03

巨磁阻抗效应及其应用

董延峰,王　治,丁燕红

(天津理工学院　材料物理所,天津300191)

摘要:近年来在FeCoSiB等非晶和纳米晶丝带中发现了巨磁阻抗效应,由于其灵敏度高,因而在磁传感器技术中有巨大的应用前景,受到国内外专家的广泛关注.本文简单介绍了巨磁阻抗效应的原理,并结合近年来具有巨磁阻抗效应的非晶和纳米晶铁磁合金的应用研究进展情况,提出了巨磁阻抗效应可能广泛应用的领域.

关键词:非晶;纳米晶;铁磁合金;巨磁阻抗效应

中图分类号:TM27 文献标识码:A

Giant magneto-impedance effects and their applications

DONG Y an-feng,WANG Zhi,DING Yan-hong

(Institute of M aterial Physics,Tianjin Institute of Technology,Tianjin300191,China)

A bstract:Giant magneto-im pedance effects have been discovered in FeCoSi

B amorphous and

nanocrystalline w ires.These effects have giant sensitivity.Close attention has paid to it by schol-ars in lots of countries,since their g reat promising prospects in the application of sensor technolo-gy.In this article,the sources of giant magneto-im pendance effects are introduced briefly.And research developments of the effects and their applications in amo rphous and nanocrystalline soft magnetic alloy in recent years are summaried.The future applications are also described.

Key words:amorphous;nanocrystalline;Fe-based mag netic alloy;giant mag neto-impedance

1　GM I效应

1992年,日本名古屋大学毛利佳年雄教授等人首先报道了在非晶磁性材料中发现其交流磁阻抗随外加磁场而变化的现象,这种现象非常灵敏[1～2].非晶丝的灵敏度达12%～120%/Oe[3],因此将此现象称为巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance,GMI)效应.在室温下显著的磁阻抗效应和低外磁场下的高灵敏度,使这种效应在传感器技术和磁记录技术中具有巨大的应用潜能.接着美国波士顿大学教授Humphre y F B、瑞典皇家工学院Rao K V、日本Uniti-ka ltd公司在1994年的“MMM-INTERMAG联合会”和“快淬非晶磁性丝及应用研讨会”上均作了专题报告,对GMI效应的产生机制作了深入系统的分析研究,就实验数据作了理论解释.

毛利等人的研究成果表明,在适当成分下, FeCoSiB非晶软磁丝具有良好的软磁特性.磁致伸缩系数趋近于零(～10-7),因为负的磁致伸缩导致切向各向异性,从而使磁畴结构沿着丝呈环形畴排列,如图1所示.通过丝的电流产生了一个易轴场,该场使畴壁移动产生环形磁化.外加纵向场H ex相对于环形磁化来讲是一个难轴场.会阻止环形磁通的变化.结果当H ex=0时,切向磁导率较大(～104),当H ex增加,切向磁导率随外磁场急剧减小,切向磁导率随外场灵敏度变化是巨磁阻抗效应产生的主要原因.

第18卷第4期2002年12月 天　津　理　工　学　院　学　报

JOURNAL OF TIANJIN INSTITUTE OF TECHN OLOGY

　Vol.18No.4

Dec.2002

收稿日期:2002-09-08

基金项目:天津市自然科学基金资助项目(003603111);天津市“材料物理与化学”重点学科资助项目第一作者:董延峰(1976-),男,硕士研究生

图1　非晶丝的磁畴模型

Fig .1　M odel for domain structure in negative

magnetostrietive amorphous wires

Panim a L V 等在研究急淬火法制得的非晶软磁丝时,发现在电流频率较低情况下(1kH z ～

10kHz ),其感生电压下降350%,灵敏度为25%/Oe .这反映了切向磁导率随外磁场灵敏变化.在较高一些的电流频率(0.1MH z ～10MHz ),此时趋肤效应显著.当外加3Oe ～10Oe 的场时,丝的总电压降大约是40%～60%,灵敏度约10%/Oe

[4]

.这些效应随外磁场变化不出现磁滞现象,

并且能在1mm 长和几个微米直径的非晶丝得到,这对制作探测数量级为10-5Oe 的弱磁场的高灵敏度微传感器非常重要.

2　GM I 应用进展

随着信息技术的普及,各种信息设备,汽车和工业机器人一类机电设备,电力电子设备,医疗电子设备和工业测试设备的发展,都对磁传感器提出了越来越高的要求.为了检测磁记录介质和旋转编码器环形永磁体表面的定域微弱磁通量,检测头长度应小于1mm ;为了能够精确的非接触传感信号,磁通检测的灵敏度应为8×10

-2

～8×

10-5

A /m ;检测高密度记录应磁盘存储器表面磁通的变化,需要信号频率为0MHz ～10MHz 的响应速度;作为汽车和电动机用的微型磁传感器,在-50℃～+180℃温度范围应当由不稳定度小于0.01%FS ·℃-1的高温稳定性和最高工作温度;功耗要低于10mW ,使这种便携式微型传感器能够使用纽扣电池工作.

通常使用的磁通传感器和磁通检测元件,例如磁通门传感器、霍尔元件和磁敏(M R )电阻元件,都不能完全满足这些要求.使用高性能细磁芯的磁通门磁强计,灵敏度可达8×10

-5

A /m ,但由

于杂散电容,磁芯绕组会使传感器的响应速度低于数kHz .虽然霍尔元件和MR 元件都能做成微型器件,但它们的磁通检测率大约是0.1%/Oe .而且霍尔元件的最高工作温度在70℃;目前正在加紧开发的巨磁电阻(Giant Magneto -resistance ,GM R )元件是利用某些磁性材料的巨磁电阻效

应,这种效应是在施加外加磁场的情况下材料的

电阻发生巨变的现象.其灵敏度可以提高1个数量级,达到1%/Oe ,不过,它还存在辞滞、温度不

稳定性等问题;使用目前研制的GM R 材料,必须

在较高磁场(10kOe )中才能观察到效应,离实际应用还有一段较长的距离.

巨磁阻抗(GM I )效应比巨磁电阻(GM R )效应大一个数量级.在室温下就可以得到相当大的磁阻抗效应,一般能达到12%Oe ～120%/Oe 的灵敏度.很多研究表明,具有显著GMI 效应的非晶或纳米晶丝(约1mm ),可以同时满足新型微型磁传感器所需的诸多条件.下面介绍一下国内外GM I 效应传感器的研究进展.2.1　GM I 微型传感头

图2是科尔皮兹振荡器传感器组件电路[5]

.电路中利用GM I 元件的电感L 和电容C 1、C 2的共振产生振荡频率f =1/2π(LC 1C 2/(C 1+

C 2))1/2.用1根Ф30μm 长的FeCoSiB 退火非晶

丝作为GM I 元件,在C 1=C 2=10pF 和L =0.56μH 时,获得大约100MH z 高频振荡.在约

160A /m 外磁场中,振荡电路的丝电压E w 下降100%.由于振荡电路中的阻抗和丝电流同时减小,E w 的下降率约为本征磁阻下降率的5倍,即磁通检测率灵敏度为50%/Oe .共振电路上由外场H ex 感生的振幅调制电压,通过检测H ex 波形的二极管D 和电容C 解调,只要有微小的直流电源电流,就足以使共振电路中的GMI 元件磁化.这个科尔皮兹电路以8mW 工作.这种微型传感头组件可以检测方向、旋转角和位移等物理量.

图2　G M I 科尔兹振荡器传感器电路Fig .2　Circuit configuration of a field sensor

using colpitts vibrato r

2.2　快速响应大电流传感器

近来,随着用于交流电动机和各种传动机构

的逆变器驱动电子控制系统技术的发展,急需能够测量数百甚至到2000A 的小尺寸快速响应大电流传感器.传统的霍尔效应传感器和新开发的

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第4期 董延峰等:巨磁阻抗效应及其应用