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:AGiant magneto-impedance effects and their applicationsDONG 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 FeCoSiB amorphous andnanocrystalline 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-impedance1　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 negativemagnetostrietive amorphous wiresPanim 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8×10-2～8×10-5A /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8×10-5A /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 sensorusing colpitts vibrato r2.2　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75第4期 董延峰等:巨磁阻抗效应及其应用 非晶磁芯传感器在尺寸、重量级响应速度方面满足不了系统的要求.因此,Inada K等人[6]应用FeCoSiB非晶丝的GM I效应,开发一种新型的大电流快速响应传感器.其电路结构如图3所示.使用一对Co72.5Si12.5B15铸态非晶丝(Ф=130μm,l=5mm).电路中加负反馈环是为了改善输出电压-外磁场特性、频率特性和温度稳定性.使用1000pF电容C,获得约为10M的振荡频率.检测±3200A/m磁场具有很高的线性度,非线性度小于0.5%FS,介质频率高达300kHz.在室温到130℃工作温度范围内,传感头的温度变化仅为0.01%/℃FS.这种传感器在25mm距离内可检测交直流500 A,传感头与外磁场成80°角,可检测2000A.图3　GM I头共振式多谐振荡器磁场传感器电路Fig.3　Circuit configuration of a field sensor using a M I headresonant multivibrato r and a low-pass filter(L PF)2.3　位移传感器1993年,Takagi M等人[7]报导用这种传感器检测眼睑运动状态,图4是位移传感器的电路,电路为哈特莱振荡器型.他是把4根FeCoSiB退火非晶丝(Ф50μm,l=7mm)排列成星形,在其中心放置一块永磁片,磁片可以垂直移动.4根非晶丝互相串联,用50kH z、30mA正弦波圆周磁化,产生感生电压e L.欧姆电压在差分电路中被抵消.用差分运算放大器、解调器、低通滤波器电路,从解调电压e L减去直流偏压e b,得到传感器输出E out.把两个GM I元件固定在眼镜架上,两个永磁片贴在靠近鼻子的眼睑上,就可以传感两个眼睑的运动.直流偏压e b的振幅控制磁片位移的工作点,试验结果在约6m m处为线性检测区,得到输出E out±1.8V.通过检验眼睑的运动可以诊断疾病,检查汽车司机和计算机人员的视力疲劳程度.2.4　磁旋转编码器M ohri K等人[8]利用一根具有GM I效应的折叠的FeCoSiB非晶丝制成一种新型器件,他们把它成为磁阻抗元(MI),并将其应用到磁旋转编码器中,该编码器由8个串联的M I呈星形环状面对磁极分布,这种磁编码器消除了环形磁体的每个磁极磁场的不规则分布和外界杂散磁场的影响以及转动轴的偏心运动;同时M I的磁能互补,提高了编码的准确性;另外M I与磁体的间距较大,解决了碰撞问题,提高了控制精度.图4　采用共振式多谐振荡器的磁体位移传感器Fig.4　M I-effect mag net displacement sensor2.5　薄膜磁传感器日本NTT公司的Senda M等人[9]利用溅射磁性薄膜的高频磁阻抗效应,研制了一种薄膜高频磁阻抗传感器.磁性薄膜为多层结构Ni83Fe17/Cu/SiO2,用离子束溅射沉积在No.0211麻玻璃基片上.其中Cu为导体层,有两个电流电压电极;SiO2用于避免涡流损耗和介质击穿;NiFe层厚50nm,其4πM=1T,ρ=20μΨ·c m,λ=5×10-7,沉积时向膜外加数kA/m直流磁场产生单轴各向异性场Hk=240A/m～480A/m.用光刻将多层膜制成10μm宽的条形并设计成闭合磁路,这样构成的磁传感器,由于薄膜的GMI效应,外加数百A/m的磁场,通过800MHz～1000MHz交流电流,获得60%～70%的输出电压变化,并且没有磁滞和巴克豪森噪声.(下转第95页) 76 天　津　理　工　学　院　学　报 18卷平板,在确定其位移函数后,可进一步推演出其内力计算公式见(24),这里罗列如下: M x =-∑tm =0∑tn =0D x A m n1l 2Χ″m (x /l )Χn (y /b )+μb 2Χm (x /l )Χ″n (y /b ) M y =-∑tm =0∑t n =0D y A m n μl 2Χ″m (x /l )Χn (y /b )+1b 2Χm (x /l )Χ″n (y /b ) Q x =-∑tm =0∑t n =0D x A mn lμl 2Χ m (x /l )Χn (y /b )+1b2Χ′m (x /l )Χ″n (y /b ) Q y =-∑t m =0∑tn =0D y A mnb 1l 2Χ″m (x /l )Χ′n (y /b )+μb2Χm (x /l )Χn (y /b )(24)6　结　语通过以上分析计算,本文建议对于地基、箱形基础和上部结构相互作用的问题,用子结构法凝聚上部结构的刚度和荷载,采用有限分层地基模型,并计及基础自身刚度的影响,利用能量变分原理建立数学模型,从而对问题进行较为全面的分析,体现了三者协同工作的特性,修正了现行设计计算模型的不合理之处.同时,本方法与其它空间问题数值计算方法相比,还有显著节省计算工作量的优点.参　考　文　献:[1]王勖成,邵　敏.有限单元法基本原理和数值方法[M ].北京:清华大学出版社,1997.[2]钱伟长.变分法及有限元(上册)[M ].北京:科学出版社,1980.[3]陈位宫.力学变分原理[M ].上海:同济大学出版社,1989.[4]王龙甫.弹性理论[M ].北京:科学出版社,1984.[5]Selvadural A P S ;范文田译.土与基础相互作用的弹性分析[M ].北京:中国铁道出版社,1984.(上接第76页)3　结　论在退火FeCoSiB 非晶丝和其他材料中能发现显著的GMI 效应.使用GMI 元件制成的新型微型磁头和磁传感器,1mm 磁头可以达到8×10-4A /m 磁通检测灵敏度;使用200MHz ～300MH z 电流可以获得20MHz ～30MHz 的截止频率;传感器中的负反馈电路可以提高工作温度和温度稳定性;使用的自激振荡电路,功耗小于10mW .利用GM I 元件所制成的谐振荡电路可以制作成新型的GM I 效应磁传感器,这种传感器比其他磁效应传感器拥有更高的磁通检测率和灵敏度,在诸多领域内具有良好的发展前景.参　考　文　献:[1]M ohri K ,Kaw ashima K ,Ko hzaw a T ,et al .M agneto -inductive effect in amo rphous wires [J ].IEEE T rans M agn ,1992,28(5):3150-3152.[2]P anina L V ,M ohri K .M ag neto -Impedance effect inamorphous wiresAppl [J ].P hy s Lett ,1994,65(9):1189-1191.[3]K itohri T ,M ohri K ,U chiyama T .Asymmetrical M ag -neto -Impedance Effect in Twisted Amorphous Wires fo rSensitive M agne tic Sensors [J ].IEEE Trans M ag n ,1995,31(6):3137-3139.[4]Panina L V ,Mo hri K ,Bushida K ,et al .Giant M ag ne -to -I mpedance and M ag neto -Inductive Effects in Amor -phous alloy s [J ].J .Appl Phy s ,1994,76(10):6198-6203.[5]M ohri K ,Panina L V ,Uchiyama T ,et al .Sensitiveand quick response mag neto -impedance (M I )sensor us -ing amorphous wire [J ].I EEE T rans M agn 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