Fe基合金薄带GMI效应与驱动线圈直径关系的研究

Study on the Relationship between the Giant Magneto-Impedance Effect of Fe-Based Alloy Strips and the Diameter of Drive Coil

摘要: 本文研究了Fe基(Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉)合金薄带为磁芯的驱动线圈的巨磁阻抗效应与驱动线圈直径之间的关系。结果表明，驱动线圈的直径是影响Fe基磁芯驱动线圈巨磁阻抗效应的重要因素。驱动线圈直径越小，巨磁阻抗效应越明显，且随着驱动线圈直径的增大，磁芯驱动线圈的最大阻抗比(ΔZ/Z)_max呈现指数性降低；磁芯驱动线圈在低频时，对频率的变化响应非常灵敏；磁芯与驱动线圈的占空比与磁芯驱动线圈最大阻抗比(ΔZ/Z)_max之间存在指数增大关系。

Abstract: The relationship between the giant magnetic-impedance effect and the diameter of drive coil with the Fe based (Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉) alloy strips as the magnetic core is studied in this paper. The results show that the diameter of drive coil is an important factor affecting the giant magneto-impedance effect of Fe-based alloy strips. The smaller the diameter of drive coil is, the more obvious the giant magneto-impedance effect is. And the maximum impedance ratio (ΔZ/Z)_max of the magnetic core drive coil decreases exponentially with the increase of the diameter of the magnetic core drive coil. When the magnetic core drive coil is at low frequency, the response to the change of the frequency is very sensitive. There is an exponential increase relationship between the cross-sectional area ratio of magnetic core to the drive coil and the maximum impedance ratio (ΔZ/Z)_max of the magnetic core drive coil.

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(Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉)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(Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉)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：

$\frac{\Delta Z}{Z}=\frac{Z\left(H_{ex}\right)-Z\left(H_{\max }\right)}{Z\left(H_{\max }\right)}\times 100\%$ (1)

其中Z (H_ex)和Z (H_max)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：

$\Psi =\frac{S_{\mathrm{m}\text{c}}}{S_{\text{dc}}}\times 100\%$ (2)

其中S_mc为磁芯的横截面积，S_dc为驱动线圈的横截面积。

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。

${\left(\Delta Z/Z\right)}_{\max }=A\exp \left(-D/t\right)+{\left(\Delta Z/Z\right)}_{\max 0}$ (3)

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

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。

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

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)：

${\left(\Delta Z/Z\right)}_{\max }=-1948.8\times {\text{e}}^{-\Psi /1.24}+1978.9$ (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： ${\left(\Delta Z/Z\right)}_{\max }=A\exp \left(-D/t\right)+{\left(\Delta Z/Z\right)}_{\max 0}$ ；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： ${\left(\Delta Z/Z\right)}_{\max }=-1987.8\times {\text{e}}^{-\Psi /1.24}+1978.9$ 。

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。