非晶丝GMI效应频率谱和锁相环电路磁场传感器

　　0　引言

　　巨磁阻抗(GiantMagneto-Impedance,简称GMI)材料的GMI效应及其行为与测量电流频率有很大的关系[1-3]。文献[4-8]对测量电流频率与GMI特征之间的关系进行了实验研究。从实验的观点看,大多数GMI实验的测量频率最高只到13MHz.因为,在这个频率范围内,用HP4192ALF阻抗分析仪和四点法电压-电流测量技术能较容易地给出样品传输特性的测量结果。当频率高于13MHz时,电压和电流不能定量地确定,经典的四点法测量技术已不再适用。

　　曾用HP4192ALF阻抗分析仪和四点法电压-电流测量技术对Co-Fe-Si-B非晶丝的巨磁阻抗效应进行了系统地研究[7-8]。研究发现:测量频率从0·1 MHz变到1 MHz和10MHz时,非晶丝GMI比的符号在1 MHz附近由负向正转变。同时,当测量频率为10MHz时,非晶丝的GMI比远高于测量频率为0·1MHz和1MHz时的值。但并不知道测量电流究竟多高才能使GMI特性达到最大值。

　　为探明非晶丝在10MHz以上频率范围内的GMI行为和找到最高GMI特性的测量频率,发挥非晶丝的潜能,采用测量电流频率可由1MHz变到1 000 MHz的HP4191A型阻抗分析仪和专为测量非晶丝GMI效应设计的装置,研究了测量电流频率对经冷拔、真空退火和张应力退火制成的钴-铁-硅-硼非晶丝GMI效应的影响。在此基础上,研制了测量频率可变的锁相环电路GMI非晶丝磁场传感器样机,并估测了该传感器的磁场测量灵敏度,达到了预期的目的。

　　1　实验方法

　　研究所用的非晶丝是用研制的合金真空熔融直接喷丝快淬设备喷制的,经过冷拔,最后经真空退火-加应力退火等处理,得到直径70μm的试验用非晶丝。

　　在1~500 MHz测量频率范围内,非晶丝的GMI特性是用配有亥姆霍兹线圈和专用测量回路的HP4191A型阻抗分析仪(RF IMPEDANCE ANALYZER)测量的。亥姆霍兹线圈的外径为20 mm.专用测量回路示意图见图1。

　　其中:亥姆霍兹线圈的半径决定了白金丝的长度,并且应

　　尽可能地短,以防止专用测量回路的高频发射。在测量过程中,非晶丝的轴线始终与亥姆霍兹线圈的轴线保持一致,并垂直地磁场方向。用精度为0·000 1 Gs(1 Gs=10-4T)的德国造高斯计测量亥姆霍兹线圈轴线上的磁场。

　　由于HP4191A型RF阻抗分析仪只能测定包括非晶丝在内的整个测量回路的阻抗Zaw-c.因此,为了比较准确地确定非晶丝本身的阻抗Z,必须首先测量包括Φ75μm铜丝在内的测量回路的本底阻抗Zcu-c,然后,从Zaw-c值中减去Zcu-c,求得非晶丝的阻抗Z.表1为包括铜丝在内的测量回路的阻抗(Zcu-c=Rcu-c+Xcu-ci)的测量值。

　　由于频率≥500 MHz时,测量回路的阻抗急剧增加,以致达到了失真的程度,因此,实际仅测取了≤400 MHz的数据。在0 Oe, 1 Oe, 2 Oe, 3 Oe, 4 Oe, 5 Oe, 6 Oe, 7 Oe, 10 Oe(1 Oe=10-4T)轴向外磁场作用下,测量包括非晶丝在内的测量回路阻抗的实部Raw-c和虚部Xaw-c,并在Raw-c和Xaw-c中分别减去Rcu-c和Xcu-c,得到非晶丝阻抗的实部Raw和虚部Xaw,由|Z|2=|Raw|2+|Xaw|2,求得非晶丝的阻抗值Z.将在外磁场Hex作用下非晶丝的阻抗定义为Z(Hex),当Hex=0时,非晶丝阻抗为Z0,GMI比则等于(Z-Z0) /Z0.