巨磁阻抗效应

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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
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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与磁场相关 的传感器和碰记录头方面，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方向、旋转 角传感器等等。
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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 外磁场与磁阻抗效应呈现 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；利用巨磁阻抗探头与齿轮凹 凸面距离变化所产生的脉冲信号进行转速测量和控制，可 用为汽车防抱死系统(ABS)的速度传感器(d)。
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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 对生物分子进行定量分析。
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GMI效应的物理本质还不是非常清楚，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不均匀，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。
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规律有序地排列起来，形 成晶体。如果冷却过程很快，原子还来不及重新 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。
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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
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(a)晶态 (c)位置无序
(b)成分无序
(d)拓扑无序
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和普通晶态金属与合金相比，非晶态金属与 合金具有较高的强度、良好的磁学性能和抗腐蚀 性能等，通常又称之为金属玻璃或玻璃态合金。 可部分替代硅钢、玻莫合金和铁氧体等软磁材料， 且综合性能高于这些材料。
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非晶态的产生
巨磁阻抗效应
Giant magneto-impedance
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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，其交流阻抗随外加轴向磁场迅速变 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世纪30年代，但由于当时材料和应用领域 的限制，GMI的应用前景并不明朗，在当时和以 后的几十年里未引起人们注意。
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当交流电流源自文库过导体时由于趋肤效应，趋肤 深度
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
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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。
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GMI效应的特点
灵敏度高、响应快、温度稳定、无磁滞等
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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。
生。
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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，不具有 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，不存在长程周期性，但在几个原 子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规 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，即不超过4-5个原子间 距。
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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 抗值随沿丝轴方向施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。
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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，形成核并长大而得到。因此，非晶态 材料与晶态材料相比有两个最基本的特点：
1、原子排列不具有周期性 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。
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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，并兼有一 般金属和玻璃的特性，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。