含鈷基非晶帶線圈LC振蕩電路的巨磁阻抗效應(yīng)

王宗篪，曾藝秀，黃思俞，肖波齊

（三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建三明365004）

含鈷基非晶帶線圈LC振蕩電路的巨磁阻抗效應(yīng)

王宗篪，曾藝秀，黃思俞，肖波齊

（三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建三明365004）

把含Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15非晶帶的電感線圈與電容Cs串聯(lián)再與Cp并聯(lián)，組成仿石英晶體LC振蕩電路。實(shí)驗(yàn)得到該電路有3個(gè)固有諧振頻率，一個(gè)串聯(lián)諧振頻率fs，另一個(gè)并聯(lián)諧振頻率fp，還有第3個(gè)諧振頻率ft。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了在固有諧振頻率以及其鄰近頻率下電路的阻抗比、阻抗角隨外磁場(chǎng)變化的關(guān)系，還測(cè)量了電路的阻抗絕對(duì)比隨頻率的變化關(guān)系，得到了在串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振頻率下巨磁阻抗效應(yīng)增強(qiáng)的結(jié)果，且并聯(lián)諧振態(tài)下巨磁阻抗效應(yīng)最顯著，第3個(gè)諧振頻率下電路沒有巨磁阻抗效應(yīng)。

鈷基非晶帶；石英晶體振蕩器；LC共振；巨磁阻抗效應(yīng)

巨磁阻抗效應(yīng)（giantmagneto impedance effect,簡(jiǎn)稱GMI）是指在外磁場(chǎng)的作用下,軟磁材料的交流阻抗發(fā)生比較明顯變化的現(xiàn)象[1]。巨磁阻抗效應(yīng)可分為橫向驅(qū)動(dòng)和縱向驅(qū)動(dòng)兩種。橫向驅(qū)動(dòng)，交變電流從樣品中流過，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁化場(chǎng)對(duì)絲狀樣品來說是環(huán)向的，對(duì)薄膜或者條帶樣品來說是橫向的。縱向驅(qū)動(dòng)，是把樣品放在長(zhǎng)螺線管線圈中，交變電流從線圈通過，從而對(duì)條帶樣品產(chǎn)生縱向的驅(qū)動(dòng)磁化場(chǎng)[2]。由于巨磁阻抗效應(yīng)在室溫下對(duì)小直流磁場(chǎng)具有巨大和靈敏的響應(yīng)，許多研究者利用該效應(yīng)開發(fā)出了磁場(chǎng)、位移等傳感器，顯示巨磁阻抗效應(yīng)的廣闊應(yīng)用前景[3-5]。

近年來，人們?cè)跍y(cè)量電路中并入了電容或在軟磁材料中加入絕緣層構(gòu)造電容，組成了LC共振回路，在共振的頻率附近出現(xiàn)了顯著的GMI共振增強(qiáng)[6-13]。研究其LC共振型GMI效應(yīng)現(xiàn)象和規(guī)律，有助于開發(fā)新的LC電路共振器件，這將在調(diào)制、解調(diào)、濾波、振蕩等自動(dòng)控制電路得到廣泛應(yīng)用。

石英晶體振蕩器可以等效成LC諧振電路，如圖1所示。它有兩個(gè)固有諧振頻率，串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp，如圖2所示[14]。含鈷基非晶帶電感線圈與電容Cs串聯(lián)再與Cp并聯(lián)，組成仿石英晶體LC振蕩電路，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)，含鈷基非晶帶線圈LC振蕩電路有3個(gè)固有諧振頻率，如圖4所示[15]。本工作測(cè)量了仿石英晶體LC振蕩電路在3個(gè)固有頻率以及其鄰近頻率下電路的阻抗比、阻抗角隨外磁場(chǎng)變化的關(guān)系，還測(cè)量了電路的阻抗絕對(duì)比隨頻率的變化關(guān)系，得到了在串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振頻率下巨磁阻抗效應(yīng)顯著增強(qiáng)，且并聯(lián)諧振態(tài)下巨磁阻抗效應(yīng)更加顯著，第3個(gè)諧振頻率下仿石英晶體LC振蕩電路沒有巨磁阻抗效應(yīng)。

圖1石英晶體的等效電路

圖2石英晶體LC諧振電路的電抗隨頻率的變化關(guān)系

圖3仿石英晶體等效電路圖

圖4仿石英晶體振蕩電路的電抗X隨頻率的變化關(guān)系

1　實(shí)驗(yàn)

鈷基非晶帶Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15是由單輥快淬法制備而成，樣品長(zhǎng)為4 cm，寬1.8 mm，厚25μm，把樣品放入匝數(shù)200的螺線管內(nèi)，組成一個(gè)電感L的線圈。當(dāng)螺線管通有交變電流時(shí)，對(duì)鈷基非晶帶樣品產(chǎn)生一個(gè)交流縱向驅(qū)動(dòng)磁化場(chǎng)。把放有鈷基非晶帶的線圈與電容Cs=2×10-3μF串聯(lián)再與電容Cp=4×10-4μF并聯(lián)，組成仿石英晶體LC振蕩電路，如圖3所示。把含鈷基非晶帶線圈置于Helmholtz線圈中心，Helmholtz線圈通以直流電流，產(chǎn)生直流外磁場(chǎng)范圍為0～1712 A/m，磁場(chǎng)的方向與螺線管軸向平行，且與地磁場(chǎng)垂直，測(cè)量在室溫下進(jìn)行，通過螺線管的驅(qū)動(dòng)電流保持i=5 mA。

實(shí)驗(yàn)采用日置公司生產(chǎn)的3535LCRHITESTER測(cè)量?jī)x，該儀器的頻率測(cè)試范圍是0.1～120 MHz，可以測(cè)量的物理量包括電路中阻抗Z、電抗X、電阻R和阻抗角θ等。

定義仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗比為：

定義仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗絕對(duì)比為：

2　結(jié)果與討論

由圖4，仿石英晶體LC振蕩電路有3個(gè)諧振頻率。串聯(lián)諧振頻率fs=852.4 kHz，并聯(lián)諧振頻率fp=1.762 MHz,與石英晶體LC振蕩電路有2個(gè)固有諧振頻率不同，含鈷基非晶帶線圈LC振蕩電路還存在第3個(gè)固有諧振頻率ft=4.546 MHz。

2．1仿石英晶體LC振蕩電路在諧振頻率下的巨磁阻抗效應(yīng)

圖5為在不同諧振頻率的交變電流下，仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗比隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系。

從圖5可見，在串聯(lián)諧振頻率fs=852.4 kHz的交變電流下，隨著外磁場(chǎng)增大，仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗比先增大后減小，在外磁場(chǎng)Hex=238.854 A/m時(shí)，阻抗比達(dá)到最大值39.2%。在并聯(lián)諧振頻率fp=1.762 MHz的交變電流下，仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗比隨著外磁場(chǎng)的增大先增大后持續(xù)下降，在外磁場(chǎng)為Hex=71.656 A/m時(shí)，阻抗比達(dá)到最大值423.8%。在第3個(gè)諧振頻率ft=4.546 MHz的交變電流下，仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗比基本都不隨外磁場(chǎng)發(fā)生變化。因?yàn)楫?dāng)頻率f大到一定值時(shí)變得很小，電路中的總阻抗主要是并聯(lián)電容那條支路即Z2起主要作用，串聯(lián)電容支路的阻抗Z1可以忽略，因此在第3個(gè)諧振頻率下，仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗基本不發(fā)生改變，則沒有GMI現(xiàn)象。

圖5在不同諧振頻率下阻抗比△Z/Z隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系

由圖5還可以看出，在并聯(lián)諧振頻率下，仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗比隨外磁場(chǎng)變化最大，即在并聯(lián)諧振頻率下，仿石英晶體LC振蕩電路的巨磁阻抗效應(yīng)最顯著。

2．2仿石英晶體LC振蕩電路在諧振頻率和其鄰近頻率下巨磁阻抗效應(yīng)

在串聯(lián)諧振頻率fs=852.4 kHz及其鄰近頻率f1=500 kHz、f2=900 kHz、f3=1 MHz的交變電流作用下，并聯(lián)諧振頻率fp=1.762 MHz及其鄰近頻率f4=1.7 MHz、f5=1.8 MHz、f6=2 MHz的交變電流作用下，分別測(cè)得仿石英晶體LC振蕩電路的ΔZ/Z、阻抗角隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系，見圖6～9。

由圖6和圖8可見，在串聯(lián)諧振頻率、并聯(lián)諧振頻率以及偏離諧振頻率時(shí)，仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗比均隨著外磁場(chǎng)的增大先增大后減少。當(dāng)f3=900 kHz時(shí)，在外磁場(chǎng)Hex=143.31 A/m時(shí)，ΔZ/ Z最大，又由圖7可見，在f3=900 kHz的阻抗角θ與外磁場(chǎng)的變化關(guān)系曲線上，在Hex=143.31 A/m時(shí)，所對(duì)應(yīng)的阻抗角θ=0。即當(dāng)Hex=143.31 A/m時(shí)，f3=900 kHz為電路的諧振頻率。在圖8中，當(dāng)f4=1.8 MHz時(shí)，在外磁場(chǎng)Hex=87.58 A/m時(shí)，ΔZ/Z最大，又由圖9可見，在f4=1.8 MHz的阻抗角θ與外磁場(chǎng)的變化關(guān)系曲線上，在Hex=87.58 A/m時(shí)，所對(duì)應(yīng)的阻抗角θ=0。即當(dāng)Hex=87.58 A/m時(shí)，為電路的諧振頻率f4=1.8 MHz。當(dāng)f4=2 MHz時(shí)，在外磁場(chǎng)Hex=191.08 A/m時(shí)，ΔZ/Z最大。又由圖9可見，在f4=2 MHz的阻抗角θ與外磁場(chǎng)的變化關(guān)系曲線上，在Hex=191.08 A/m時(shí)，所對(duì)應(yīng)的阻抗角θ=0。即當(dāng)Hex= 191.08 A/m時(shí)，f4=2 MHz為電路的諧振頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了LC電路諧振的選頻可以通過外磁場(chǎng)來控制。由圖6、圖8可以看出，在串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振附近，阻抗比均隨著外磁場(chǎng)的增大先增大后減少，在并聯(lián)諧振頻率fp=1.762 MHz時(shí)，阻抗比的最大值為423.8%，在串聯(lián)諧振fs=852.4 kHz時(shí)，阻抗比的最大值為39.2%，偏離諧振頻率的ΔZ/Z均比諧振頻率下的ΔZ/Z要小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了在串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振頻率下仿石英晶體LC振蕩電路的巨磁阻抗效應(yīng)具有增強(qiáng)的結(jié)果，且并聯(lián)諧振態(tài)下巨磁阻抗效應(yīng)最顯著。

圖6串聯(lián)諧振頻率和偏離諧振點(diǎn)的阻抗比隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系

圖7串聯(lián)諧振頻率和偏離諧振點(diǎn)的阻抗角隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系

圖8并聯(lián)諧振頻率和偏離諧振點(diǎn)的阻抗比隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系

圖9并聯(lián)諧振頻率和偏離諧振點(diǎn)的阻抗角隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系

2．3仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗絕對(duì)比ΔZ/Zm隨驅(qū)動(dòng)電流頻率的變化關(guān)系

通過實(shí)驗(yàn)，根據(jù)（2）式得到仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗絕對(duì)比ΔZ/Zm隨驅(qū)動(dòng)電流頻率的變化關(guān)系，如圖10所示。由圖10可見，仿石英晶體LC振蕩電路在串聯(lián)諧振頻率下阻抗絕對(duì)比有個(gè)極大值，即在f=852.4 kHz時(shí)，仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗絕對(duì)比ΔZ/Zm達(dá)到一個(gè)極大值26%。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流頻率在并聯(lián)諧振頻率附近，仿石英晶體LC振蕩電路的阻抗絕對(duì)比ΔZ/Zm達(dá)到最大，最大值為420%。仿石英晶體LC振蕩電路在第3個(gè)諧振頻率下阻抗絕對(duì)比ΔZ/Zm≈0，沒有巨磁阻抗效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了仿石英晶體LC振蕩電路的巨磁阻抗效應(yīng)有很好的頻率選擇性。

3　結(jié)論

石英晶體振蕩器可以等效成LC諧振電路，它有兩個(gè)固有諧振頻率，串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp。含鈷基非晶帶電感線圈與電容Cs串聯(lián)再與Cp并聯(lián)，組成仿石英晶體LC振蕩電路，實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)，它有3個(gè)固有諧振頻率，除了串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp外，還有第3個(gè)諧振頻率ft。在并聯(lián)諧振頻率下阻抗比的最大值為423.8%，在串聯(lián)諧振下阻抗比的最大值為39.2%，在第3個(gè)諧振頻率下阻抗基本不隨著外磁場(chǎng)發(fā)生改變，偏離串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率下阻抗比都比對(duì)應(yīng)諧振頻率下阻抗比小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿石英晶體LC振蕩電路在串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振頻率下巨磁阻抗效應(yīng)增強(qiáng)，且并聯(lián)諧振態(tài)下巨磁阻抗效應(yīng)最顯著，第3個(gè)諧振頻率下沒有巨磁阻抗效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還說明了仿石英晶體LC振蕩電路的巨磁阻抗效應(yīng)具有很好的頻率選擇性。

圖10阻抗絕對(duì)比ΔZ/Zm隨f的變化關(guān)系

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(責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

The Giant Magneto-impedance Effect of LC Oscillation Circuit Composed of Capacitors and a Coil which Containing Co-based Amorphous RAibbons

WANG Zong-chi，ZENG Yi-xiu，HUANG Si-yu，XIAO Bo-qi
(School of Electromechanical Engineerig,Sanming University,Sanming 365004,China)

In this study,the bionic quartz crystal oscillation circuitwas composed of a inductance coilwhich containing Co-based amorphous ribbons in seriesw ith a capacitor Csand then in parallelw ith a capacitor Cp.Three inherent resonant frequencieswere found in bionic quartz crystal oscillation circuit through experiments,one series-resonant frequency fs, another parallel-resonant frequency fp,the third resonant frequency ft.The field dependence of impedance ratio and impedance angle weremeasured in the bionic quartz crystal oscillation circuit at inherent resonant frequencies and near inherent resonant frequencies,respectively,the frequency dependence of the impedance absolute ratio wasmeasured in the bionic quartz crystaloscillation circuit,the enhanced giantmagneto-impedance effect（GMI）in the series-resonantstate and parallel-resonant state of the bionic quartz crystal oscillation circuitwere obtained,and themaximum GM Iwas in the parallel-resonant state of the bionic quartz crystaloscillation circuit,and none of GM Iwas in the third resonant state of the bionic quartz crystaloscillation circuit.

Co-based amorphous ribbons;quartz crystaloscillator;LC circuit resonant;giantmagneto-impedanceeffect

TM 15

A

1673-4343（2015）06-0041-05

10．14098／j．cn35－1288／z．2015．06．009

2015-09-08

福建省省屬高?？蒲袑ｍ?xiàng)（JK2010060）

王宗篪，男，福建永安人，教授。主要研究方向：磁性材料。