1. 引言
Fe基软磁合金是一种重要的磁性材料 [1] [2] [3] [4]。早在1992年,Mohri和Panina [5] 第一次在Co基非晶丝中发现了巨磁阻抗效应(指磁性材料的交流磁阻随着外加直流磁场的改变而发生变化的现象 [6],简称:GMI效应)。由于GMI效应在室温和弱磁场可以实现明显的磁阻抗效应,因此受到各国学者的广泛研究 [7] [8] [9] [10]。众多的研究结果表明,基于GMI效应的磁敏传感器相比于传统的磁敏传感器具有灵敏度高、响应速度快、易于微型化等优势 [11]。Mohri等人获得的巨磁阻抗效应指的是横向驱动巨磁阻抗效应,后来杨介信、杨燮龙 [12] 等人则是根据Fe基纳米晶材料的易磁化方向(丝或薄带的轴向)测量磁性材料的GMI效应,称作纵向驱动的巨磁阻抗效应(LDGMI效应),此种模式下测得的GMI效应具有较高的外场灵敏度。方允樟 [13] 等人研究了磁芯长度与LDGMI效应之间的关系,本文则重点研究Fe基(Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9)合金薄带为磁芯的驱动线圈的LDGMI效应与驱动线圈直径之间的关系,研究结果对GMI磁敏传感器的研发具有重要的现实意义。
2. 实验
采用单辊快淬法制备宽度为0.72 mm,厚度为30 μm的Fe基(Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9)非晶薄带,截取150 mm的非晶薄带,在自由伸长状态下以34℃/min的升温速率由室温升温至540℃,保温30 min,再自然冷却至室温,在整个退火过程中薄带始终处于自由伸长的状态,最后退火得到Fe基纳米晶薄带。然后制备直径D分别为0.9 mm、1.1 mm、1.9 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.6 mm、4.5 mm、5.0 mm、7.4 mm和10.2 mm,长度为90 mm (100匝)的驱动线圈,测量过程中将退火得到的Fe基纳米晶薄带插入具有不同直径的驱动线圈内构成磁芯驱动线圈。将含有磁芯的驱动线圈置于直径为200 mm的Helmholtz线圈中,保证Helmholtz线圈的轴向与地磁场垂直。在Helmholtz线圈产生的直流磁场作用下,用HP4294A型阻抗分析仪测量具有不同直径的磁芯驱动线圈的阻抗。测量过程中,阻抗分析仪为自制的驱动线圈提供10 mA的交流电。
在此测量模式下得到磁芯驱动线圈的纵向巨磁阻抗(LDGMI)效应,图1为纵向巨磁阻抗测量的原理示意图,其定义如下:
(1)
其中Z (Hex)和Z (Hmax)分别是外加磁场为任意值和最大值时的阻抗值。
占空比为磁芯横截面积与驱动线圈横截面积的比值:
(2)
其中Smc为磁芯的横截面积,Sdc为驱动线圈的横截面积。
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Figure 1. Schematic diagram of longitudinal giant magnetoimpedance measurement
图1. 纵向巨磁阻抗测量原理图
3. 结果与讨论
3.1. 不同直径磁芯驱动线圈的巨磁阻抗
图2为磁芯驱动线圈的直径分别取0.9 mm、1.1 mm、1.9 mm、2.5 mm、3 mm、3.6 mm、4. 5mm、5.0 mm、7.4 mm和10.2 mm时测得Fe基磁芯驱动线圈LDGMI的最大值(ΔZ/Z)max与驱动频率f之间的关系曲线。磁芯驱动线圈最大阻抗比(ΔZ/Z)max随着驱动频率的增大首先急剧上升达到一个峰值,而后快速下降,最后缓慢减小逐渐趋于稳定。随着驱动线圈的直径越小,能够达到的峰值越大,随着频率变化的趋势越明显。
Fe基磁芯驱动线圈LDGMI效应曲线的最大阻抗比(ΔZ/Z)max与驱动线圈直径D的关系如图3所示,驱动频率f分别为:0.1 Mhz、0.4 Mhz、1.0 Mhz、1.5 Mhz和2.0 Mhz。由图可见,驱动频率f = 0.1 Mhz,当D从0.9 mm增加到4.5 mm时,(ΔZ/Z)max从2272.67%快速下降至311.46%;随后当D从4.5 mm继续增加到7.4 mm,(ΔZ/Z)max缓慢从311.46%下降至155.07%;在D大于7.4 mm后,(ΔZ/Z)max不再有明显的变化。对数据进行最小二乘法拟合,发现最大阻抗比(ΔZ/Z)max都是随着直径D的增大呈指数下降,遵循下式(3),驱动频率对磁芯驱动线圈的最大阻抗比的变化趋势没有明显的影响。在驱动频率为0.1 Mhz时,最大阻抗比可以达到2272.67%,有较宽的变化范围。
(3)
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Figure 2. LDGMI the relationship between the maximum magnum impedance ratio and the driving frequency
图2. LDGMI的最大巨磁阻抗比与驱动频率的关系
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Figure 3. Relationship between the maximum magnum impedance ratio of the LDGMI and the diameter of the drive coil
图3. LDGMI最大巨磁阻抗比与驱动线圈直径的关系
3.2. 占空比对最大阻抗比的影响
图4为不同直径Fe基磁芯驱动线圈的LDGMI曲线,驱动频率f = 0.4 Mhz (右上角的小图为直径为5.0 mm,7.4 mm,10.2 mm的GMI放大图)。由图4可见,磁芯驱动线圈的LDGMI曲在弱磁场区域(0 A/m磁场附近)呈现“针尖”状,说明外加磁场发生微弱的改变时,磁芯驱动线圈可以敏锐的感知,驱动线圈的直径D = 0.9 mm时的GMI曲线的最大阻抗比达到最大,对外磁场的响应灵敏度最高,随着直径D的增大最大阻抗比(ΔZ/Z)max逐渐减小,从而Fe基磁芯驱动线圈对外磁场的响应灵敏度减小。
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Figure 4. LDGMI curves of drive coils with different diameters
图4. 不同直径磁芯驱动线圈的LDGMI曲线
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Figure 5. The relationship between the maximum giant magneto-impedance ratio of LDGMI and duty cycle
图5. LDGMI的最大巨磁阻抗比与占空比的关系
图5为Fe基磁芯驱动线圈LDGMI最大阻抗比(ΔZ/Z)max与占空比Ψ的关系,驱动频率f = 0.4 Mhz。占空比Ψ分别为3.395%、2.273%、1.145%、0.762%、0.440%、0.306%、0.212%、0.164%、0.136%、0.050%、0.038%和0.026%时的最大阻抗比为1874%、1673%、1479%、1189%、979%、561%、416%、318%、238%、177%、74%、56%和41%。对数据进行最小二乘法拟合,发现Fe基磁芯驱动线圈LDGMI最大阻抗比(ΔZ/Z)max随着占空比Ψ的增大呈指数上升,磁芯的横截面积与驱动线圈的横截面积越接近时,(ΔZ/Z)max也就越高,关系式如(4):
(4)
其中(ΔZ/Z)max为Fe基磁芯驱动线圈LDGMI最大阻抗比,Ψ为占空比。
4. 结论
本文通过改变驱动线圈的直径,研究Fe基磁芯驱动线圈的纵向巨磁阻抗效应。结果表明:1) 驱动线圈直径与Fe基磁芯驱动线圈LDGMI最大阻抗比关系式为:
;2) 当驱动频率为f = 0.4 Mhz,Fe基磁芯驱动线圈LDGMI最大阻抗比与驱动线圈的占空比的关系为:
。
基金项目
浙江省重点研发项目2018C01G2031345;国家自然科学基金项目51771083。