巨磁阻抗效應(yīng)

1、 巨磁阻抗效應(yīng)，簡稱gmi(giant magneto-impedance)，是指某些材料在通以一定頻率的交變電流時，其交流阻抗隨外加軸向磁場迅速變化的現(xiàn)象，常見的這種材料為co基非晶絲等。它來源于磁感應(yīng)(magneto-inductive)，最早可追溯到20世紀30年代，但由于當時材料和應(yīng)用領(lǐng)域的限制，gmi的應(yīng)用前景并不明朗，在當時和以后的幾十年里未引起人們注意。 1992年，日本名古屋大學(xué)的kmohri（毛利佳年雄）等在cofesib軟磁非晶絲中發(fā)現(xiàn)了gmi效應(yīng)，即非晶絲在交變電流激發(fā)下，其阻抗值隨沿絲軸方向施加的外磁場的變化而發(fā)生顯著變化，阻抗變化率zz0在幾奧斯特(oe)磁場作用下可

2、達50，比金屬多層膜fecu或coag在低溫、高磁場強度下觀察到的巨磁電阻效應(yīng)(gmr)高一個數(shù)量級，自此這一現(xiàn)象引起了廣泛關(guān)注。 zz0一般定義為(zh-z0)z0，其中z0、zh分別表示無外磁場和外加磁場下軟磁材料的交流阻抗，其比值的大小表示材料對磁場變化的敏感程度。 靈敏度高、響應(yīng)快、溫度穩(wěn)定、無磁滯等 在低場范圍(1oe左右)范圍，阻抗隨磁場增加而急劇減小，最后趨于飽和，飽和場約10oe，磁阻抗最大變化率為100以上。 gmi效應(yīng)的物理本質(zhì)還不是非常清楚，但是較為普遍接受的觀點認為gmi效應(yīng)的出現(xiàn)是在足夠高頻率下的結(jié)果。 趨膚效應(yīng)：交變電流通過導(dǎo)體時，由于感應(yīng)作用引起導(dǎo)體截面上電流分布

3、不均勻，愈近導(dǎo)體表面電流密度越大的現(xiàn)象。趨膚效應(yīng)使導(dǎo)體的有效電阻增加。頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著。當頻率很高的電流通過導(dǎo)線時，可以認為電流只在導(dǎo)線表面上很薄的一層中流過，這等效于導(dǎo)線的截面減小，電阻增大。 當交流電流通過導(dǎo)體時由于趨膚效應(yīng)，趨膚深度 式中 為絲的環(huán)向磁導(dǎo)率， 為電流角頻 率， 為電導(dǎo)率。 外磁場可以影響材料內(nèi)部的等效場，使材料的有效磁導(dǎo)率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致材料的趨膚深度發(fā)生變化，而趨膚深度變化意味著驅(qū)動電流流過樣品的有效面積發(fā)生了變化，從而引起樣品的有效阻抗發(fā)生變化，最后導(dǎo)致巨磁阻抗效應(yīng)的產(chǎn)生。 一種沒有原子三維周期性排列的金屬或合金固體。它在超過幾個原子間距范圍以外，不具有長程

4、有序的晶體點陣排列。原子在三維空間呈拓撲無序狀排列，不存在長程周期性，但在幾個原子間距的范圍內(nèi)，原子的排列仍然有著一定的規(guī)律，因此可以認為非晶態(tài)合金的原子結(jié)構(gòu)為“長程無序，短程有序”。通常定義非晶態(tài)合金的短程有序區(qū)小于15nm，即不超過4-5個原子間距。(a)晶態(tài)(c)位置無序(b)成分無序(d)拓撲無序 和普通晶態(tài)金屬與合金相比，非晶態(tài)金屬與合金具有較高的強度、良好的磁學(xué)性能和抗腐蝕性能等，通常又稱之為金屬玻璃或玻璃態(tài)合金。可部分替代硅鋼、玻莫合金和鐵氧體等軟磁材料，且綜合性能高于這些材料。 金屬在熔化后，內(nèi)部原子處于活躍狀態(tài)。一但金屬開始冷卻，原子就會隨著溫度的下降，而慢慢地按照一定的晶態(tài)

5、規(guī)律有序地排列起來，形成晶體。如果冷卻過程很快，原子還來不及重新排列就被凝固住了，由此就產(chǎn)生了非晶態(tài)合金?？梢?，產(chǎn)生非晶態(tài)合金的技術(shù)關(guān)鍵之一，就是如何快速冷卻的問題。 形成非晶態(tài)合金的過程是：液態(tài)金屬一過冷液態(tài)金屬一非晶態(tài)合金 非晶態(tài)合金是由熔融的液態(tài)金屬經(jīng)快速冷卻而形成，晶態(tài)合金是由熔融的液態(tài)金屬以較慢的速度冷卻，形成核并長大而得到。因此，非晶態(tài)材料與晶態(tài)材料相比有兩個最基本的特點： 1、原子排列不具有周期性 2、宏觀上處于非熱平衡的亞穩(wěn)態(tài)。 非晶態(tài)合金在宏觀上處于非熱平衡的。亞穩(wěn)是指在同樣外界條件下，非晶態(tài)合金比相應(yīng)晶態(tài)的能量高。溫度高于或等于熔點的液態(tài)金屬，其內(nèi)部處于平衡態(tài)。從自由能觀點

6、來看，當溫度低于熔點時，在沒有結(jié)晶的情況下過冷，此時體系的自由能將高于相應(yīng)的晶態(tài)金屬，故呈亞穩(wěn)態(tài)。 非晶態(tài)固體的物理性質(zhì)同晶體有很大差別，這同它們的原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)以及各種微觀過程有密切聯(lián)系。 非晶合金由于其獨特的無序結(jié)構(gòu)，并兼有一般金屬和玻璃的特性，使得它在物理、化學(xué)及機械性能上表現(xiàn)出一系列優(yōu)異的特性很高的耐腐蝕性、抗磨性、較好的強度和韌性、理想的磁學(xué)性能，如fe基非晶合金是非晶軟磁合金中飽和磁感最高的；co基非晶合金的飽和磁致伸縮系數(shù)接近于0，因而具有極高的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率，很低的矯頑力和高頻損耗。fe基非晶fe-ni基非晶co基非晶fe基 目前文獻中，針對gmi磁傳感器的研究主要有

7、2類：基于非晶絲(薄帶)的gmi磁傳感器和基于多層膜的gmi磁傳感器。 對gmi傳感器的開發(fā)主要集中在與磁場相關(guān)的傳感器和碰記錄頭方面，例如無接觸型磁編碼器、便攜式地磁場傳感器、汽車交通檢測系統(tǒng)、被動無線傳感器、汽車傳感器、磁性導(dǎo)航系統(tǒng)、腫癌傳感器、gmi生物傳感器、gmi方向、旋轉(zhuǎn)角傳感器等等。電路中無需放大電路，因而具有高穩(wěn)定和抗干擾特性，制成幾種汽車用的傳感器，如汽車里程表計數(shù)傳感器(a)。電噴發(fā)動機測速傳感器(b)；當材料處于某種磁結(jié)構(gòu)時，可以發(fā)現(xiàn)外磁場與磁阻抗效應(yīng)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。利用此原理，設(shè)計了量程從0-25mm的線性傳感器(c)主要可用于汽車油量的控制；利用巨磁阻抗探頭與齒輪

8、凹凸面距離變化所產(chǎn)生的脈沖信號進行轉(zhuǎn)速測量和控制，可用為汽車防抱死系統(tǒng)(abs)的速度傳感器(d)。 巨磁阻抗生物傳感器的測量原理是：在一定的高頻交流電和低頻外加磁場下，巨磁阻抗材料具有一定的阻抗變化比率，當結(jié)合有一定數(shù)目生物分子的(微米或納米級大小)磁性小球靠近時，外加磁場的大小受到影響，從而導(dǎo)致原阻抗變化比率的改變，然后通過阻抗變化比率的改變值來對生物分子進行定量分析。 在生物領(lǐng)域的應(yīng)用中，首先將磁性顆粒表面包上一層抗體，這種抗體只與特定的被分析物結(jié)合，因而可附著在生物樣本上作為磁性標記。在gmi傳感器上也附著同樣的磁性標記 當利用傳感器檢測含有被分析物的溶液時，兩磁性標記間磁場的變化將引起巨磁電阻傳感器輸出的變化，因而可根據(jù)輸出信號的變化確定被分析物的濃度等信息1普通退火：即在一定真空度、一