巨磁阻抗效应

巨磁阻抗效应Giantmagneto-impedance巨磁阻抗效应，简称GMI(Giantmagneto-impedance)，是指某些材料在通以一定频率的交变电流时，其交流阻抗随外加轴向磁场迅速变化的现象，常见的这种材料为Co基非晶丝等。它来源于磁感应(Magneto-inductive)，最早可追溯到20世纪30年代，但由于当时材料和应用领域的限制，GMI的应用前景并不明朗，在当时和以后的几十年里未引起人们注意。GMI的发现1992年，日本名古屋大学的K．Mohri（毛利佳年雄）等在CoFeSiB软磁非晶丝中发现了GMI效应，即非晶丝在交变电流激发下，其阻抗值随沿丝轴方向施加的外磁场的变化而发生显著变化，阻抗变化率ΔZ／Z0在几奥斯特(Oe)磁场作用下可达50％，比金属多层膜Fe／Cu或Co／Ag在低温、高磁场强度下观察到的巨磁电阻效应(GMR)高一个数量级，自此这一现象引起了广泛关注。ΔZ／Z0一般定义为(ZH-Z0)／Z0，其中Z0、ZH分别表示无外磁场和外加磁场下软磁材料的交流阻抗，其比值的大小表示材料对磁场变化的敏感程度。GMI效应的特点灵敏度高、响应快、温度稳定、无磁滞等在低场范围(1Oe左右)，阻抗随磁场增加而增大，其灵敏度约为20％／Oe-100％／Oe，而在高场1Oe左右)范围，阻抗随磁场增加而急剧减小，最后趋于饱和，饱和场约10Oe，磁阻抗最大变化率为100％以上。GMI效应的物理本质还不是非常清楚，但是较为普遍接受的观点认为GMI效应的出现是在足够高频率下趋肤效应的结果。趋肤效应：交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大的现象。趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。当交流电流通过导体时由于趋肤效应，趋肤深度式中为丝的环向磁导率，为电流角频率，为电导率。外磁场可以影响材料内部的等效场，使材料的有效磁导率发生变化，从而导致材料的趋肤深度发生变化，而趋肤深度变化意味着驱动电流流过样品的有效面积发生了变化，从而引起样品的有效阻抗发生变化，最后导致巨磁阻抗效应的产生。非晶态合金(金属玻璃）一种没有原子三维周期性排列的金属或合金固体。它在超过几个原子间距范围以外，不具有长程有序的晶体点阵排列。原子在三维空间呈拓扑无序状排列，不存在长程周期性，但在几个原子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为“长程无序，短程有序”。通常定义非晶态合金的短程有序区小于1．5nm，即不超过4-5个原子间距。(a)晶态(c)位置无序(b)成分无序(d)拓扑无序和普通晶态金属与合金相比，非晶态金属与合金具有较高的强度、良好的磁学性能和抗腐蚀性能等，通常又称之为金属玻璃或玻璃态合金。可部分替代硅钢、玻莫合金和铁氧体等软磁材料，且综合性能高于这些材料。非晶态的产生金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金。可见，产生非晶态合金的技术关键之一，就是如何快速冷却的问题。形成非晶态合金的过程是：液态金属一过冷液态金属一非晶态合金非晶态合金是由熔融的液态金属经快速冷却而形成，晶态合金是由熔融的液态金属以较慢的速度冷却，形成核并长大而得到。因此，非晶态材料与晶态材料相比有两个最基本的特点：1、原子排列不具有周期性2、宏观上处于非热平衡的亚稳态。非晶态合金在宏观上处于非热平衡的亚稳态。亚稳是指在同样外界条件下，非晶态合金比相应晶态的能量高。温度高于或等于熔点的液态金属，其内部处于平衡态。从自由能观点来看，当温度低于熔点时，在没有结晶的情况下过冷，此时体系的自由能将高于相应的晶态金属，故呈亚稳态。非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别，这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程有密切联系。非晶合金由于其独特的无序结构，并兼有一般金属和玻璃的特性，使得它在物理、化学及机械性能上表现出一系列优异的特性——很高的耐腐蚀性、抗磨性、较好的强度和韧性、理想的磁学性能，如Fe基非晶合金是非晶软磁合金中饱和磁感最高的；Co基非晶合金的饱和磁致伸缩系数接近于0，因而具有极高的初始磁导率和最大磁导率，很低的矫顽力和高频损耗。非晶态合金的种类Fe基非晶Fe-Ni基非晶Co基非晶Fe基纳米晶GMI的应用目前文献中，针对GMI磁传感器的研究主要有2类：基于非晶丝(薄带)的GMI磁传感器和基于多层膜的GMI磁传感器。对GMI传感器的开发主要集中在与磁场相关的传感器和碰记录头方面，例如无接触型磁编码器、便携式地磁场传感器、汽车交通检测系统、被动无线传感器、汽车传感器、磁性导航系统、肿癌传感器、GMI生物传感器、GMI方向、旋转角传感器等等。电路中无需放大电路，因而具有高稳定和抗干扰特性，制成几种汽车用的传感器，如汽车里程表计数传感器(a)。电喷发动机测速传感器(b)；当材料处于某种磁结构时，可以发现外磁场与磁阻抗效应呈现良好的线性关系。利用此原理，设计了量程从0-25mm的线性传感器(c)主要可用于汽车油量的控制；利用巨磁阻抗探头与齿轮凹凸面距离变化所产生的脉冲信号进行转速测量和控制，可用为汽车防抱死系统(ABS)的速度传感器(d)。GMI生物传感器巨磁阻抗生物传感器的测量原理是：在一定的高频交流电和低频外加磁场下，巨磁阻抗材料具有一定的阻抗变化比率，当结合有一定数目生物分子的(微米或纳米级大小)磁性小球靠近时，外加磁场的大小受到影响，从而导致原阻抗变化比率的改变，然后通过阻抗变化比率的改变值来对生物分子进行定量分析。在生物领域的应用中，首先将磁性颗粒表面包上一层抗体，这种抗体只与特定的被分析物结合，因而可附着在生物样本上作为磁性标记。在GMI传感器上也附着同样的磁性标记当利用传感器检测含有被分析物的溶液时，两磁性标记间磁场的变化将引起巨磁电阻传感器输出的变化，因而可根据输出信号的变化确定被分析物的浓度等信息提高巨磁阻抗(GMI)效应的方法1．普通退火：即在一定真空度、一定温度下保温退火。温度较低时，应力释放，应力对畴壁的阻碍作用也减小，改善材料的软磁性能。而且部分内应力释放，感生各向异性增强，从而改善GMI效应。2．焦尔退火：是通过样品的电流产生的焦耳热完成退火的过程，并通过调整电流密度来控制退火温度。3．应力退火4．磁场退火