軟磁薄膜巨磁阻抗效應(yīng)的理論研究.pdf

1、巨磁阻抗GMI效應(yīng)即外加靜磁場(chǎng)可以顯著改變材料交流阻抗的物理效應(yīng)，利用巨磁阻抗效應(yīng)制作的磁傳感器能夠同時(shí)滿(mǎn)足靈敏度高、尺寸微型化、響應(yīng)速度快、功耗低、非接觸測(cè)試和沒(méi)有磁滯等要求，并且這種傳感器使用交流驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制、解調(diào)、濾波、振蕩和共振等多種功能，在工程控制方面擁有廣闊的應(yīng)用前景。巨磁阻抗效應(yīng)一般出現(xiàn)在軟磁絲、薄帶和薄膜中，其中薄膜GMI傳感器適合半導(dǎo)體電路的集成并可應(yīng)用于批量生產(chǎn)，能大大降低生產(chǎn)成本，因此研究軟磁薄膜材料中的巨磁

2、阻抗效應(yīng)具有重要的實(shí)用價(jià)值，對(duì)它的研究也越來(lái)越受到各國(guó)研究者的重視。 本文建立了一個(gè)由兩層軟磁性能良好的鐵磁材料中間夾一層導(dǎo)電薄膜構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)薄膜模型，從理論上研究其巨磁阻抗效應(yīng)。在該模型中我們重點(diǎn)考慮了磁各向異性的動(dòng)態(tài)分量的影響，這一項(xiàng)在以往的模型中，往往是被忽略的，而在交變電流作用下，尤其是在高頻下，這一分量的作用是值得考慮的。研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下： 首先，從“鐵磁層／導(dǎo)體層／鐵磁層”三明治結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用經(jīng)典

3、的Maxwell方程組，結(jié)合一定的邊界條件，計(jì)算出導(dǎo)體層與磁性層的電流分布表達(dá)式，得到三明治薄膜的阻抗表達(dá)式。 其次，考慮磁性層具有180°條狀磁疇。利用Landau-Lifshitz方程，采用Gilbert阻尼形式計(jì)算得到了高頻下鐵磁層的張量磁導(dǎo)率的表達(dá)式。在計(jì)算中，我們將磁晶各向異性等效場(chǎng)隨交變電流變化的動(dòng)態(tài)量納入Landau-Lifshitz方程進(jìn)行計(jì)算，得到張量磁導(dǎo)率表達(dá)式，計(jì)算得到橫向有效磁導(dǎo)率的表達(dá)式。 我們

4、的計(jì)算結(jié)果與N．A．Usov、董承遠(yuǎn)、黃燦星等人的未考慮磁各向異性的動(dòng)態(tài)分量的結(jié)果進(jìn)行比較得到：對(duì)于具有橫向各項(xiàng)異性的三明治薄膜，當(dāng)縱向外加磁場(chǎng)大小與各向異性等效場(chǎng)大小相當(dāng)、外加交變電流頻率相對(duì)較低時(shí)，磁各向異性等效場(chǎng)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)分量對(duì)有效磁導(dǎo)率的影響不可忽略，當(dāng)外加直流磁場(chǎng)與磁各向異性場(chǎng)差別較大，或交變電流頻率相對(duì)較高時(shí)，兩種模型計(jì)算的結(jié)果基本一致，此時(shí)可以忽略磁各向異性等效場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分量的影響。外加靜磁場(chǎng)和磁各向異性等效場(chǎng)之間的夾

5、角越大，磁晶各向異性等效場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分量對(duì)有效磁導(dǎo)率的影響越大。 我們用得到的薄膜的阻抗表達(dá)式對(duì)三明治薄膜的巨磁阻抗效應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算，從理論上分析了采用不同電導(dǎo)率的導(dǎo)體層和磁性層對(duì)巨磁阻抗效應(yīng)的影響，結(jié)果表明，導(dǎo)體層電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于磁性層電導(dǎo)率時(shí)，隨磁性層電導(dǎo)率與內(nèi)部導(dǎo)體層電導(dǎo)率之間的差異增大，薄膜表現(xiàn)出的巨磁阻抗效應(yīng)越明顯；導(dǎo)體層電導(dǎo)率與磁性層接近時(shí)，磁性層電導(dǎo)率越高巨磁阻抗效應(yīng)越明顯，與單層膜類(lèi)似。 用我們的模型計(jì)算了FeC

6、uNbSiB單層薄膜的磁阻抗比隨外磁場(chǎng)的變化曲線(xiàn)，其中磁阻抗比隨縱向外磁場(chǎng)呈雙峰，峰值對(duì)應(yīng)的外磁場(chǎng)大小在磁各向異性場(chǎng)附近，磁阻抗比隨橫向外磁場(chǎng)變化曲線(xiàn)呈單峰，與Sommer等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。另外計(jì)算得到了FeCuCrVSiB／Ag/FeCuCrVSiB三明治膜的磁阻抗比隨頻率的變化關(guān)系，在趨勢(shì)上也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。但由于模型忽略了退磁場(chǎng)、應(yīng)力等效場(chǎng)、交換作用場(chǎng)等，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果在數(shù)值的上以及某些變化趨勢(shì)上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不完全一致，要彌補(bǔ)