縱向驅動巨磁阻抗效應的研究進展

范曉珍，方允樟，何興偉，孫懷君，斯劍霄

(浙江師范大學數理與信息工程學院，浙江金華 321004)

0 引 言

巨磁阻抗(Giant Magneto-Impedance，簡稱GMI)效應是日本名古屋大學的 Mohri教授于1992年首先在Co基非晶絲中發(fā)現(xiàn)的［1］.所謂巨磁阻抗效應，是指磁性材料的交流阻抗隨外磁場的作用發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象.各國研究者就GMI效應的機理、提高GMI效應為目的的熱處理工藝和新材料開發(fā)及應用等方面開展了廣泛而深入的研究［2-13］.楊介信等［14］于 1997 年首次報道了縱向驅動巨磁阻抗(Longitudinally Driven Giant Magneto-Impedance，簡稱 LDGMI)效應.LDGMI效應采用不同于GMI效應的驅動方式，使交流電通過螺線管產生交變驅動磁場作用于軟磁材料，不像GMI效應那樣驅動電流直接通過磁敏材料，這樣避免了GMI效應載流導線與軟磁材料間異質材料的焊接難題和避免軟磁材料的高電阻發(fā)熱問題，同時LDGMI效應獲得了比GMI效應高2個數量級的靈敏度.

但是，由于學術界存在LDGMI效應與GMI效應物理機制是否相同的爭議，絕大多數學者都認為LDGMI效應的物理機制不同于GMI效應，不愿意研究LDGMI效應，只有少數幾個研究小組在研究LDGMI效應.鑒于此，本文對LDGMI效應的物理機制進行了討論，并對關于LDGMI效應研究的主要成果和應用進行了綜述.

1 LDGMI效應的定義

圖1為LDGMI效應裝置的示意圖，軟磁材料置于螺線管中組成磁芯螺線管，恒定幅值的交流電iac通過螺線管，產生平行于磁芯軸向的小值交變驅動磁場?h，在外加直流磁場Hex的作用下，測量螺線管兩端的電壓V和通過螺線管的電流I，跟據公式得磁芯螺線管的阻抗值Z，觀察Z隨外加磁場的變化情況.

圖1 LDGMI效應裝置示意圖

通常人們用LDGMI比來衡量LDGMI效應的大小，LDGMI比定義為

式(1)中:ZHex，Z0，ZHmax分別是直流偏置磁場為Hex，0及實驗時所加最大磁場Hmax(飽和磁化)時磁芯螺線管的阻抗.

2 LDGMI效應的物理機制

對LDGMI效應機理的解釋，王宗篪等［15-16］通過對FeCuNbVSiB薄帶的LDGMI效應研究得出:從相頻曲線的峰位確定材料的特征頻率，當LDGMI效應小于此特征頻率時顯示磁電感效應;LDGMI效應大于特征頻率才顯示磁阻抗效應.方允樟等［17］認為在LDGMI效應中，不僅存在電感隨磁場變化，同時也存在等效電阻(磁芯螺線管的渦流電阻)隨外加磁場變化情況:根據電磁學原理得到磁芯螺線管的阻抗Z為

式(2)中:R為螺線管的總電阻;L為磁芯螺線管的總電感.螺線管的總電阻R由螺線管的電阻Rs和磁芯渦流損耗引起的等效電阻Rm組成，R=Rs+Rm.

磁芯螺線管的總電感Ls是螺線管空心部分電感 L0與含磁芯部分電感 Lm的總和，即Ls=L0+Lm，螺線管空芯部分的電感為

含磁芯部分的電感為

式(3)～式(4)中:μ0為真空磁導率;μr為磁芯相對磁導率;a，b，l分別為磁芯的厚度、寬度及長度;S，n分別為螺線管的截面積與線繞密度.

可得到磁芯螺線管在驅動電流I=I0exp(-jωt)驅動下磁芯橫截面上產生的環(huán)向感應電動勢為

設單位長度磁芯環(huán)向電阻為r，則單位長度單位時間內產生的焦耳熱為

則長度為l的磁芯因為渦流而產生的熱量

令長度為l的磁芯因為渦流發(fā)熱消耗的能量等效于磁芯螺線管的電阻Rm耗能，即可建立等效方程

則聯(lián)列方程式(7)和式(8)及式(5)，可得

磁芯螺線管的阻抗

在 LDGMI效應研究過程中，Rs，ω，μ0，n，r，S，l，a，b皆不隨外加磁場變化，只有Rm和μr隨外加磁場變化.因此，式(10)可以改寫為

根據LDGMI效應的定義式

式(12)中:

由式(12)～式(14)可見，ΔZ的實部和虛部都隨Δμr線性變化，這就證明將LDGMI效應納入GMI效應的范疇是合適的.此外，Rs+Rm=R可等價于GMI效應定義［18］中電阻部分Rdc，但Rs很小，且不隨外加磁場變化，因此，在LDGMI效應中可忽略，則LDGMI效應中的渦流電阻Rm可等價于GMI效應中的Rdc.對比可以發(fā)現(xiàn)，Rm對磁敏材料的相對磁導率μr的依賴關系大于Rdc對磁敏材料的相對磁導率μr的依賴關系，這可能就是LDGMI效應大于GMI效應的主要原因之一.

3 LDGMI效應與磁各向異性的關系

GMI效應反映了軟磁材料磁導率隨外磁場的變化，實際上是直流磁化場Hex、交流驅動場和磁性材料內部的磁結構三者綜合作用的結果，這三者組合形式的多樣性導致了磁阻抗效應曲線的多樣性.這里只討論交流磁化場平行于磁芯軸向的LDGMI效應情況.

1)軟磁條帶具有橫向磁結構，在無外場作用時，材料具有橫向各向異性場Hk交變驅動場和外磁場Hex均在縱向(見圖2(a)).此時，帶在作用下的磁化以轉動為主.在施加 Hex以后，當Hex＜Hk時，Hex對磁化過程的影響很小，帶的磁阻抗基本保持不變;而當Hex＞Hk時，Hex使磁矩偏向帶的縱向并傾向于與Hex一致，這樣產生的交變磁化將變得困難，帶的磁阻抗急劇減小直至Hex使材料磁飽和，從而得到一條具有“平臺”的巨磁阻抗曲線(見圖2(b))

圖2 材料橫向易磁化結構模型及對應的LDGMI曲線

由圖2、圖3可知，LDGMI效應和磁結構的密切關系，可以通過控制磁結構來實現(xiàn)所需要的縱向磁阻抗響應，從技術的角度來說有利于傳感器的設計;另一方面，從縱向磁阻抗響應的特征中也能反應材料磁結構的信息，可以作為測量材料磁性能的一種手段.

圖3 材料縱向易磁化結構模型及對應的LDGMI曲線

4 LDGMI的主要研究成果

目前對LDGMI效應的研究主要集中于Fe基和Co基材料，包括薄帶、細絲、薄膜和粉體等形態(tài)，下面主要介紹這4種形態(tài)的LDGMI效應.

4.1 薄帶的LDGMI效應研究

滿其奎等［19］對直流電流退火Fe36Co36Ni4Si4.8B19.2薄帶的LDGMI效應研究發(fā)現(xiàn)，電流密度為3.2×107A/m2時出現(xiàn)類似“三峰”的LDGMI效應(如圖4)，稱為“尖刺GMI效應”(TGMI效應)，其靈敏度最高達2 440.2%/(A·m-1)，分析其機理可能是［20-21］由于退火過程中外殼層與內芯層溫度梯度的存在導致復合磁結構的形成.

圖4 不同電流退火密度FeCo基薄帶的LDGMI效應

Gong 等［22］在研究 Fe24Co11.82Ni47.3Si1.47B15薄帶的LDGMI效應時發(fā)現(xiàn)，樣品的磁機械共振能夠明顯地提高LDGMI效應，樣品在340℃溫度時加橫向磁場退火獲得最大LDGMI比值(1 532%)，這是由于強的磁機械耦合作用引起的.文獻［23］也用磁機械共振研究了 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄帶的LDGMI效應，發(fā)現(xiàn)薄帶經過480℃溫度退火，其LDGMI比值可達10 000%，并指出高的磁機械耦合系數k33和Q因子可提高材料的LDGMI效應.方允樟等［24］發(fā)明一種“寬線性”高靈敏的磁敏材料(FeSiBPC)，在空氣中470℃退火1 h，其LDGMI效應為680%，線性相關系數達0.998的線性區(qū)間寬度為925 A/m，具體見圖5.此材料的靈敏線性區(qū)寬度比典型的FINEMET合金提高了一個數量級以上，分析其機理，可能是由于退火過程中材料表面形成的氧化層和內芯層間磁交換耦合形成具有梯度的磁各向異性所致.孫懷君等［25］對Co63Fe4B22.4Si5.6Nb5薄帶通過一定的應力退火，LDGMI效應可達2 400%，靈敏度達到114%/(A·m-1).

圖5 空氣中470℃退火1 h的FeSiBPC合金薄帶的LDGMI曲線

4.2 玻璃包裹非晶細絲的LDGMI效應

劉龍平等［26］用高頻感應加熱熔融拉引技術制備 Fe73.0Cu1.0Nb1.5V2.0Si13.5B9.0玻璃包裹非晶細絲，在570℃溫度退火后其最大LDGMI變化達1 020%，比之前文獻［27］報道的相同條件下傳統(tǒng)橫向驅動 GMI效應大了4倍(見圖5).施方也等［28］和楊曉紅等［29］比對 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9玻璃包裹絲的LDGMI效應和GMI效應得出，LDGMI效應效果明顯優(yōu)于后者.

4.3 薄膜的LDGMI效應

Gong等［30］用電沉積法制備的坡莫合金薄膜，LDGMI效應比隨著膜的厚度增加而增加，最小值可達-52%.何興偉等［31］研究了不同溫度退火的3種不同厚度用磁控濺射制備的單層Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄膜的 LDGMI 效應，發(fā)現(xiàn)不同厚度樣品有著相同的最佳退火溫度，并指出LDGMI效應可以使樣品在低頻下對弱場靈敏響應.

4.4 粉體的LDGMI效應

趙振杰等［32］采用單輥快淬法噴制FINEMET合金薄帶，而后經過破碎制得非晶粉末，研究其LDGMI效應發(fā)現(xiàn)，相比薄帶、細絲和薄膜明顯降低，但是粉體材料不像上述3種形態(tài)樣品由于其形狀限制而導致實際應用中有局限性，便于器件的微型化和集成化，何況其LDGMI效應和靈敏度都比巨磁電阻(GMR)高，所以研究粉體的LDGMI效應及其應用也具有重要意義［33-35］.

5 LDGMI效應的應用

Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶在 540 ℃ 退火過程中外加應力，可以靈敏地改變其LDGMI曲線形狀［36］，可以看到具有“平臺”的 LDGMI曲線，即退火應力可以高效地感生磁各向異性［37］.利用此材料的橫向磁結構來改善傳感器的線性方法，這在實際應用中非常有意義［38-39］.楊燮龍團隊用FeCuNbVSiB納米微晶帶材料的磁結構特點，以獲得最佳靈敏度和線性組合［40］，制作出幾種汽車用的傳感器(納米磁敏開關、納米線性位移傳感器、齒輪速度傳感器等)［41］，該項科研成果已轉化為產品，并安裝在中國自制的混合動力汽車和榮威燃料電池汽車上.用“寬線性”的FeSiBPC非晶薄帶(或和具有軟磁性的軟磁材料疊加)作為敏感元件制作的磁敏傳感器［42-43］，具有重復性好、靈敏度高、無遲滯、線性范圍廣等優(yōu)點，尤其是弱場下仍然可以保持較好的線性度，可用于磁場測量、位移檢測磁和羅盤儀等.文獻［44］利用Fe78Si9B13合金薄帶的LDGMI效應設計的反饋GMI弱磁傳感器，相比未加反饋的GMI弱磁傳感器，具有更好的線性度和穩(wěn)定性.文獻［45］設計出LDGMI微型弱磁傳感器，也是基于Fe78Si9B13合金薄帶的LDGMI效應來實現(xiàn)的，具有較好的線性度和高重復率，在檢測空間弱磁場及地磁場、磁信息讀寫、汽車工業(yè)、機器人姿態(tài)測試、無損檢測、電力電子技術等領域具有廣泛的應用價值，圖6為該傳感器的實物圖.

圖6 Fe78Si9B13的LDGMI傳感器的實物圖

6 總結和展望

LDGMI效應和GMI效應的基本物理機制相同，區(qū)別在于工作模式不同，在應用開發(fā)中兩者各有優(yōu)缺點，相互可以形成互補關系，LDGMI效應相比GMI效應具有靈敏度更高、可靠性更高、適應性更靈活等優(yōu)點，在新型磁敏傳感器和新型磁性能測量儀器開發(fā)應用中LDGMI效應會發(fā)揮獨特的優(yōu)勢.LDGMI效應前景光明，值得業(yè)界關注.

文獻［46］在研究應力退火的FeCuNbVSiB薄帶的LDGMI效應時指出，由相位隨外磁場變化的最小值可確定材料的Hk，為測量磁性材料提供了一個新方法.方允樟等［47］建立了一種基于LDGMI效應表征軟磁材料磁結構的模型，利用該模型可得到材料磁結構特征參量，并可根據得到的各種形狀的LDGMI曲線反過來指導材料磁結構控制工藝.由于LDGMI效應對磁性材料的結構和磁性能敏感，利用LDGMI效應可以開發(fā)一種新型的磁測量方法.這種方法相比傳統(tǒng)的VSM，B-H儀等磁性能測量儀器，具有無需對樣品進行處理、簡單便捷和成本低的優(yōu)勢.利用LDGMI效應開發(fā)新型的磁測量儀有重要的價值和光明的前途.

為了實現(xiàn)LDGMI傳感器高靈敏、低能耗、快速響應等特性，大力進行開發(fā)優(yōu)異性能的材料很有必要.磁導率高，磁滯伸縮系數小，損耗小，利用熱處理就可簡單地控制材料磁結構(如FINEMET合金薄帶“平臺”和FeSiBPC合金薄帶的“寬線性”現(xiàn)象)，就非常適用于制作LDGMI效應的傳感器，有著廣闊的應用前景.不過，目前基于LDGMI效應的傳感器的開發(fā)尚屬起步階段，有著巨大的市場空間，亟需廣大研究者去開拓.

此外，近幾年提出的縱向驅動巨應力效應［48］(Longitudinally Driven Giant Stress-impendence，簡稱LDGSI)值得關注，研究發(fā)現(xiàn)FINEMET合金薄帶的LDGSI效應比橫向驅動模式GSI效應的靈敏度提高了30倍，這對研發(fā)新型高靈敏度應力傳感器［49］具有重要意義.

隨著LDGMI效應研究的逐漸深入，LDGMI效應應用產品的日臻完善，LDGMI效應造福于人類的美好前景將會逐步展現(xiàn)出來.

［1］Mohri K，Kohzawa T，Kawashima K，et al.Magneto-induced effect in amorphous wires［J］.IEEE Trans Magn，1992，28:(5):3150-3152.

［2］Lenz J E.A review of magnetic sensors［J］.Proc IEEE，1990，78(6):973-989.

［3］Meydan T.Application of amorphous materials to sensors［J］.J Magn Magn Mater，1994，133(1/2/3):525-532.

［4］Panina L V，Mohri K.Magneto-impedance effect in amorphous wires［J］.Appl Phys Lett，1994，65(9):1189-1191.

［5］Panina LV，Mohri K，Uchiyama T，et al.Giant magneto-impedance in Co-rich amorphous wires and films［J］.IEEE Trans Magn，1995，31(2):1249-1260.

［6］Vazquez M，Hernando A.A soft magnetic wire for sensor applications［J］.J Phys D:Appl Phys，1996，29(4):939-949.

［7］Chiriac H，Ovari T A.Amorphous glass-covered magnetic wires:preparation，properties，applications［J］.Prog Mater Sci，1996，40(5):333-407.

［8］Vazquez M.Giant magnetoimpedance in soft magnetic"wires"［J］.J Magn Magn Mater，2001，226/230(1):693-699.

［9］Knobel M，Pirota K R.Giant magnetoimpedance:concepts and recent progress［J］.J Magn Magn Mater，2002，242/245(1):33-40.

［10］Knobel M，Vazquez M，Kraus L.Giant magnetoimpedance［J］.Handbook of magnetic materials，2003，15:1-69.

［11］Kraus L.GMI modeling and material optimization［J］.Sens Acta A，2003，106(1/2/3):187-194.

［12］Tannous C，Gieraltowski J.Giant magneto-impedance and its applications［J］.J Mater Sci:Mater Electro，2004，15(3):125-133.

［13］Mohria K，Uchiyama K，Shen L P，et al.Amorphous wire and CMOS IC-based sensitive micro-magnetic sensors(MI sensor and SI sensor)for intelligent measurements and controls［J］.J Magn Magn Mater，2002，249(1/2):351-356.

［14］楊介信，楊燮龍，陳國，等.一種新型的縱向驅動巨磁致阻抗效應［J］.科學通報，1998，43(10):1051-1053.

［15］王宗篪.縱向驅動巨磁阻抗效應的解釋［J］.集美大學學報:自然科學版，2002，7(1):66-69.

［16］王宗篪，楊燮龍，宮峰飛，等.縱向驅動巨磁阻抗效應的相位特性［J］.華東師范大學學報:自然科學版，2000(2):49-53.

［17］方允樟，許啟明，鄭金菊，等.FeCo基磁芯螺線管的巨磁阻抗效應和磁芯長度關系的研究［J］.物理學報，2011，60(12):127501.

［18］Phan M H，Peng Huaxin.Giant magnetoimpedance materials:Fundamentals and applications［J］.Prog Mate Sci，2008，53(2):323-420.

［19］滿其奎，方允樟，孫懷君，等.FeCo基合金的一種新型縱向驅動巨磁阻抗效應［J］.科學通報，2007，52(23):2720-2724.

［20］方允樟，許啟明，葉慧群，等.流動氣體中應力焦耳熱退火FeCo基薄帶的GMI效應［J］.功能材料，2011，42(6):1083-1085.

［21］Fang Yunzhang，Xu Qiming，Zheng Jinju，et al.Highly sensitive giant magnetoimpedance in a solenoidcontaining FeCo-based ribbon［J］.Chin Phys B，2012，21(3):037501.

［22］Gong W Y，Wu Z M，Lin H，et al.Longitudinally driven giant magneto-impedance effect enhancement by magneto-mechanical resonance［J］.J Magn Magn Mater，2008，320(8):1553-1556.

［23］Wu Z M，Huang K，Li S P，et al.Sensitivity enhancement of longitudinally driven giant magnetoimpedance magnetic sensor using magnetoelastic resonance［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2010，161(1/2):62-65.

［24］方允樟，馬云，吳鋒民，等.一種具有寬線性區(qū)的高靈敏磁敏材料:中國，CN201110028111［P］.2012-09-19.

［25］孫懷君，李莉，方允樟，等.CoFeBSiNb非晶合金帶材縱向驅動巨磁阻抗效應研究［J］.浙江師范大學學報:自然科學版，2012，35(2):150-154.

［26］劉龍平，趙振杰，阮建中，等.縱向驅動納米微晶玻璃包裹絲的巨磁阻抗效應［J］.華東師范大學學報:自然科學版，2004(1):45-48.

［27］劉龍平，趙振杰，阮建中，等.鐵基納米微晶玻璃包裹絲的軟磁性能及巨磁阻抗效應［J］.功能材料，2003，34(6):638-639.

［28］施方也，黃翩翩，林根金，等.驅動方式對玻璃包裹鐵基納米晶絲巨磁阻抗(GM I)效應的影響［J］.浙江師范大學學報:自然科學版，2006，29(3):287-292.

［29］楊曉紅，鄭金菊，任俊華，等.不同驅動方法下Fe基納米晶絲的GMI研究［J］.金華職業(yè)技術學院學報，2006，6(6):1-5.

［30］Gong Fengfei，Kamel A，Shen Guotu，et al.Structure and longitudinal magnetoimpedance effect of permalloy films by electrodeposition［J］.華東師范大學學報:自然科學版，2005(1):63-67.

［31］何興偉，范曉珍，方允樟，等.FeCuNbSiB薄膜的縱向驅動巨磁阻抗效應［J］.浙江師范大學學報:自然科學版，2012，35(3):295-299.

［32］趙振杰，Bendjaballah F，蔣可玉，等.Fe基納米微晶粉末的磁性與巨磁阻抗效應［J］.科學通報，2001，46(17):1420-1422.

［33］方允樟，趙振杰，楊燮龍.退火溫度對Fe基納米晶粉芯磁致頻移特性影響的研究［J］.浙江大學學報:理學版，2002，29(3):280-283.

［34］Zhao Z J，Bendjaballah F，Yang X L，et al.Longitudinally driven magneto-impedance effect in annealed Fe-based nanocrystalline powder materials［J］.J Magn Magn Mater，2002，246(1/2):62-66.

［35］Zhao Z J，F(xiàn)ang Y Z，Ruan J Z，et al.Large frequency shift in Fe-based nanocrystalline powder cores［J］.J Magn Magn Mater，2004，278(1/2):82-86.

［36］方允樟，鄭金菊，施方也，等.Fe基合金應力退火感生磁各向異性機理的AFM研究［J］.中國科學:E輯 技術科學，2009，38(3):428-441.

［37］Fang Y Z，Zheng J J，Wu F M，et al.Mesostructural origin of stress-induced magnetic anisotropy in Fe-based nanocrystalline ribbons［J］.Appl Phys Lett，2010，96(9):092508.

［38］何理，鄭金菊，金林楓，等.基于 Fe基合金薄帶巨磁阻抗效應的新型磁敏傳感器［J］.磁性材料及器件，2009，40(6):40-43.

［39］蔡晶，鄭金菊，柳淵，等.一種新型巨磁阻抗磁敏開關的設計［J］.浙江師范大學學報:自然科學版，2013，36(1):79-82.

［40］Wu F M，Zhao Z J，Liu L P，et al.A new frequency-modulation-type MI sensor［J］.IEEE Tran Magn，2005，41(10):3694-3696.

［41］吳志明，楊燮龍，楊介信，等.納米巨磁阻抗效應在汽車傳感器上的應用［G］//納米材料和技術應用進展——全國第三屆納米材料和技術應用會議論文集(下卷).北京:中國材料研究會，2003:527-529.

［42］金林楓，鄭金菊，蔡晶.基于Fe基非晶薄帶的寬線性GMI傳感器［J］.浙江師范大學學報:自然科學版，2011，34(2):158-161.

［43］方允樟，鄭金菊，吳鋒民，等.一種高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭:中國，201110200045［P］.2011-12-28.

［44］Zhao Wen，Bu Xiongzhu，Yu Geliang，et al.Feedback-type giant magneto-impedance sensor based on longitudinal excitation［J］.J Magn Magn Mater，2012，324(19):3073-3077.

［45］Yu Geliang，Bu Xiongzhu，Xiang Chao，et al.Design of a GMI magnetic sensor based on longitudinal excitation［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2010，161(1/2):72-77.

［46］Wang Z C，Gong F F，Yang X L，et al.Longitudinally driven giant magnetoimpedance effect in stress-annealed Fe-based nanocrystalline ribbons［J］.J Appl Phys，2000，87(9):4819-4821.

［47］方允樟，范曉珍.基于巨磁阻抗效應表征材料磁結構的模型［J］.浙江師范大學學報:自然科學版，2011，34(1):1-8.

［48］李文忠，鄭建龍，馬云，等.退火工藝對Fe基薄帶縱向驅動應力阻抗效應的影響［J］.浙江師范大學學報:自然科學版，2011，34(2):153-157.

［49］鄭金菊，方允樟，李文忠，等.一種縱向驅動應力阻抗力敏傳感器探頭:中國，201110092222［P］.2011-11-16.