对于不同电流退火铁基非晶带材AGMI效应研究

Effect of Current Annealing on the AGMI Properties in Iron-Based Amorphous Ribbons

摘要: 本文研究了FeCuNbSiB非晶带材在不同退火电流下的磁阻抗效应。样品被分别施加不同的退火电流，在线性响应范围−325.57~11.63 A/m内观察到约0.9982%的线性拟合度，灵敏度达到0.81%/(A/m)，从而在零磁场与AGMI效应之间实现了宽线性度和高灵敏度的特点。旨在提供一种基于GMI效应的新型电流传感器用磁敏材料。根据XRD模式，样品中较高退火电流退火的B₆Fe₂₃硬磁相是AGMI效应的原因。

Abstract: This study investigates the magnetic impedance effect of FeCuNbSiB amorphous ribbon under varying annealing currents. Samples subjected to different annealing currents exhibited approximately 0.9982% linearity within the linear response range of −325.57 to 11.63 A/m, with a sensitivity of 0.81%/(A/m). These results demonstrate a wide linear range and high sensitivity between zero magnetic field and the AGMI effect, providing a novel magneto sensitive material for current sensors based on the GMI effect. XRD analysis indicates that the B₆Fe₂₃ hard magnetic phase formed at higher annealing currents is responsible for the AGMI effect.

1. 引言

1992年，日本名古屋大学教授Mhori [1]首次在钴基非晶材料中发现了巨磁阻抗效应(GMI)。基于GMI效应的传感器因其高灵敏度、快速响应、小型化和低功耗等特性，已成为新型传感器研究的重要领域[2] -[4]。然而，GMI效应的阻抗曲线不仅在零磁场附近呈现非线性[5]，而且随着外加直流磁场的变化，零磁场位置呈现对称性。因此，基于GMI效应工作的传感器几乎对零磁场不敏感[6] [7]。1995年，Kitoh [8]等人首次发现GMI曲线偏离零场对称性，形成不对称零磁场现象，称为不对称巨磁阻抗效应(AGMI)。AGMI效应存在三种形式[9]：电流偏置、交换耦合和螺旋各向异性。上述现象均伴随较大能量消耗和不稳定问题。尽管Kim [10]解决了该问题，但零磁场附近的阻抗比仍较低。目前，GMI效应主要集中在横向驱动中。本文研究了不同退火电流下单个非晶带材的纵向驱动效应，获得了AGMI效应在零磁场附近宽线性范围和高灵敏度的特性。

在电流传感器研究方面，国外研究人员提出了多种GMI电流检测结构[6] [7]。例如通过将GMI敏感元件置于载流导体产生的磁场中，实现电流检测。部分实验研究表明，基于GMI效应的电流传感器能够实现微安级甚至更低电流的检测[11] [12]，同时保持较高线性度。

2. 实验方法

实验装置如图1所示，使用Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9带材样品(长度2厘米，宽度1.1毫米，厚度40 μm)。带材一端固定于夹具，另一端夹持在可沿光滑导轨移动的夹具上，如图所示进行不同电流进行退火处理，退火时间为10 min从而分别实现高零场高灵敏度和宽线性AGMI效应。

Figure 1. Schematic diagram of current annealing device

图1. 当前退火装置示意图

纵向驱动模式(如图2所示)用于测量阻抗曲线，驱动电流并非直接流经磁性材料，而是流经样品和由等效阻抗构成的线圈[10]，这可避免复杂的样品熔融过程及对耐高温磁性材料的要求。该模式亦称为纵向驱动巨磁阻抗效应(简称LDGMI效应) [13]，其阻抗值比传统横向驱动GMI效应高出两个数量级[14] [15]。本研究采用HP4294A阻抗仪以纵向驱动的方式测量薄带的巨磁阻抗，驱动频率设置为310 KHz，驱动电流为10 mA。

Figure 2. Schematic diagram of longitudinal drive GMI measurement

图2. 纵向驱动GMI测量示意图

3. 结果与讨论

图3展示了不同退火电流下样品的GMI曲线。对于所选Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉薄带材料，铸态样品与22.73 A/mm²~29.55 A/mm²电流退火样品的GMI曲线均以零磁场为对称轴，展现出优异的软磁性能，其中27.27 A/mm²电流退火样品的阻抗值最高。当电流退火至34.09 A/mm²时，GMI曲线开始呈现不对称现象，因此我们认为27.27 A/mm²电流退火样品的阻抗值达到峰值，阻抗值高达1267.36%。在36.36 A/mm²电流下，GMI曲线虽未对称于零磁场，但灵敏度较低。不过其优势在于AGMI曲线不再呈现零磁场对称性且线性度良好，这有助于提升横向磁场线性响应区间。电流1对应27.27 A/mm² (小电流)退火样品，电流2对应36.36 A/mm² (大电流)退火样品。

Figure 3. The GMI curves of annealing with different currents

图3. 不同电流退火的GMI曲线

Figure 4. The GMI curve of as-cast, 27.27 A/mm², 36.36 A/mm² current anneal

图4. 为铸态、27.27 A/mm²、36.36 A/mm²电流退火的GMI曲线

Figure 5. XRD spectra of different current annealing

图5. 不同电流退火的XRD谱

对铸态及当前退火的27.27 A/mm²、36.36 A/mm²样品进行了X射线衍射分析(型号Y-2000)，并获得了以下XRD图谱。

不同电流退火样品的X射线粉末衍射(XRD)图谱如图5所示。如图4所示，铸态样品的最大阻抗比((ΔZ/Z)max)约为1045%，且GMI曲线在零磁场下对称。X射线粉末衍射(XRD)图谱(见图5)显示，铸态样品在45度处出现典型的非晶态样品散射峰，表明该样品仍为非晶态。27.27 A/mm²电流退火样品的XRD图谱在45度处出现典型散射峰，表明样品仍为非晶态。36.36 A/mm²退火样品的GMI曲线变得不对称，45度附近的XRD峰变得尖锐。43.5度处的峰代表硬B₆Fe₂₃相，这是硬磁相分离导致AGMI效应产生的原因。

4. 结论

在本研究中，我们使用自制的电流退火装置，研究了非晶带材在不同退火电流下的磁阻抗效应。我们获得了宽线性AGMI效应和高灵敏度。线性拟合度可达约0.9982%，灵敏度为0.81%/(A/m)，线性响应范围：−325.57~11.63 A/m，与Kim相比，零磁场附近的阻抗比提高了一个数量级。通过XRD分析电流退火样品，发现硬磁相B₆Fe₂₃的相分离导致了AGMI效应的产生。然而，仍需研究大电流退火截面是否占非晶带样品中整个能带的比例，以及可能出现的特定AGMI效应。

NOTES

^*共同通讯作者。