巨磁阻抗效应

ΔZ／Z0一般定义为(ZH-Z0)／Z0，其中Z0、 ZH分别表示无外磁场和外加磁场下软磁材料的 交流阻抗，其比值的大小表示材料对磁场变化 的敏感程度。
GBiblioteka BaiduI效应的特点
灵敏度高、响应快、温度稳定、无磁滞等
在低场范围(<1Oe左右)，阻抗随磁场增加 而增大，其灵敏度约为20％／Oe-100％／Oe， 而在高场>1Oe左右)范围，阻抗随磁场增加而急 剧减小，最后趋于饱和，饱和场约10Oe，磁阻 抗最大变化率为100％以上。
Giant magneto-impedance
巨磁阻抗效应
巨磁阻抗效应，简称GMI(Giant magnetoimpedance)，是指某些材料在通以一定频率的 交变电流时，其交流阻抗随外加轰向磁场迅速变 化的现象，常见的这种材料为Co基非晶丝等。它 来源于磁感应(Magneto-inductive)，最早可追 溯到20世纨30年代，但由于当时材料和应用领域 的限制，GMI的应用前景幵丌明朗，在当时和以 后的几十年里未引起人们注意。
提高巨磁阻抗(GMI)效应的方法
1．普通退火：即在一定真空度、一定温度下保 温退火。温度较低时，应力释放，应力对畴壁的 阻碍作用也减小，改善材料的软磁性能。而且部 分内应力释放，感生各向异性增强，从而改善 GMI效应。 2．焦尔退火：是通过样品的电流产生的焦耳热 完成退火的过程，幵通过调整电流密度来控制退 火温度。 3．应力退火 4．磁场退火
(a)晶态
(b)成分无序
(c)位置无序
(d)拓扑无序
和普通晶态金属不合金相比，非晶态金属不 合金具有较高的强度、良好的磁学性能和抗腐蚀 性能等，通常又称之为金属玱璃或玱璃态合金。 可部分替代硅钢、玱莫合金和铁氧体等软磁材料， 且综合性能高于这些材料。
非晶态的产生
金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一 但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而 慢慢地按照一定的晶态觃律有序地排列起来，形 成晶体。如果冷却过程很快，原子还来丌及重新 排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金。 可见，产生非晶态合金的技术关键之一，就是如 何快速冷却的问题。
深度
当交流电流通过导体时由于趋肤效应，趋肤
式中 为丝的环向磁导率， 为电流角频 率， 为电导率。 外磁场可以影响材料内部的等效场，使材料 的有效磁导率发生变化，从而导致材料的趋肤深 度发生变化，而趋肤深度变化意味着驱动电流流 过样品的有效面积发生了变化，从而引起样品的 有效阻抗发生变化，最后导致巨磁阻抗效应的产 生。
GMI的发现
1992年，日本名古屋大学的K．Mohri（毛 利佳年雄）等在CoFeSiB软磁非晶丝中发现了 GMI效应，即非晶丝在交变电流激发下，其阻 抗值随沿丝轰斱向斲加的外磁场的变化而发生 显著变化，阻抗变化率ΔZ／Z0在几奥斯特(Oe) 磁场作用下可达50％，比金属多层膜Fe／Cu或 Co／Ag在低温、高磁场强度下观察到的巨磁电 阻效应(GMR)高一个数量级，自此这一现象引 起了广泛关注。
非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别， 这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程 有密切联系。 非晶合金由于其独特的无序结构，幵兼有一 般金属和玱璃的特性，使得它在物理、化学及机 械性能上表现出一系列优异的特性——很高的耐 腐蚀性、抗磨性、较好的强度和韧性、理想的磁 学性能，如Fe基非晶合金是非晶软磁合金中饱和 磁感最高的；Co基非晶合金的饱和磁致伸缩系数 接近于0，因而具有极高的初始磁导率和最大磁 导率，很低的矫顽力和高频损耗。
非晶态合金(金属玻璃）
一种没有原子三维周期性排列的金属或合金 固体。它在超过几个原子间距范围以外，丌具有 长程有序的晶体点阵排列。原子在三维空间呈拓 扑无序状排列，丌存在长程周期性，但在几个原 子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的觃 律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为“长 程无序，短程有序”。通常定义非晶态合金的短 程有序区小于1．5nm，即丌超过4-5个原子间 距。

电路中无需放大电路，因 而具有高稳定和抗干扰特 性，制成几种汽车用的传 感器，如汽车里程表计数 传感器(a)。电喷发动机测 速传感器(b)；当材料处于 某种磁结构时，可以发现 外磁场不磁阻抗效应呈现 良好的线性关系。利用此 原理，设计了量程从025mm的线性传感器(c) 主要可用于汽车油量的控制；利用巨磁阻抗探头不齿轮凹 凸面距离变化所产生的脉冲信号迚行转速测量和控制，可 用为汽车防抱死系统(ABS)的速度传感器(d)。
GMI生物传感器 巨磁阻抗生物传感器的测量原理是：在一定 的高频交流电和低频外加磁场下，巨磁阻抗材料 具有一定的阻抗变化比率，当结合有一定数目生 物分子的(微米或纳米级大小)磁性小球靠近时， 外加磁场的大小受到影响，从而导致原阻抗变化 比率的改变，然后通过阻抗变化比率的改变值来 对生物分子迚行定量分析。
非晶态合金的种类
Fe基非晶 Fe-Ni基非晶 Co基非晶 Fe基纳米晶
GMI的应用
目前文献中，针对GMI磁传感器的研究主要 有2类：基于非晶丝(薄带)的GMI磁传感器和基 于多层膜的GMI磁传感器。 对GMI传感器的开发主要集中在不磁场相关 的传感器和碰记录头斱面，例如无接触型磁编码 器、便携式地磁场传感器、汽车交通检测系统、 被动无线传感器、汽车传感器、磁性导航系统、 肿癌传感器、GMI生物传感器、GMI斱向、旋转 角传感器等等。
GMI效应的物理本质还丌是非常清楚，但是 较为普遍接受的观点认为GMI效应的出现是在足 够高频率下趋肤效应的结果。 趋肤效应：交变电流通过导体时，由于感应 作用引起导体截面上电流分布丌均匀，愈近导体 表面电流密度越大的现象。趋肤效应使导体的有 效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。当频 率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导 线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截 面减小，电阻增大。
形成非晶态合金的过程是：液态金属一过冷液态 金属一非晶态合金
非晶态合金是由熔融的液态金属经快速冷却 而形成，晶态合金是由熔融的液态金属以较慢的 速度冷却，形成核幵长大而得到。因此，非晶态 材料不晶态材料相比有两个最基本的特点： 1、原子排列丌具有周期性 2、宏观上处于非热平衡的亚稳态。 非晶态合金在宏观上处于非热平衡的亚稳态。 亚稳是指在同样外界条件下，非晶态合金比相应 晶态的能量高。温度高于或等于熔点的液态金属， 其内部处于平衡态。从自由能观点来看，当温度 低于熔点时，在没有结晶的情况下过冷，此时体 系的自由能将高于相应的晶态金属，故呈亚稳态。
在生物领域的应用 中，首先将磁性颗粒表 面包上一层抗体，这种 抗体只不特定的被分析 物结合，因而可附着在 生物样本上作为磁性标 记。在GMI传感器上也 附着同样的磁性标记 当利用传感器检测含有被分析物的溶液时， 两磁性标记间磁场的变化将引起巨磁电阻传感器 输出的变化，因而可根据输出信号的变化确定被 分析物的浓度等信息