当前, 磁传感器在生产生活中应用广泛且发展迅速, 在人工智能、医疗卫生、经济发展等领域发挥着至关重要的作用.传统巨磁阻抗GMI (Giant Magneto-Impedance, GMI)传感器因其具有温度稳定性好、灵敏度高、快速响应等特点, 被广泛地应用于工业领域^[1-3].而纵向巨磁阻抗(LDGMI)效应的传感器^[4-6]避免了传统巨磁阻抗效应传感器在软磁材料焊接和软磁材料受焦耳热影响的问题.因此LDGMI效应在新型磁敏传感器和磁记录传感器应用方面表现出较好的应用前景^[7-8].

纵向驱动巨磁阻抗效应与磁性材料的退火温度、磁结构、驱动场及频率等因素的关系, 以及磁阻抗的相位与磁结构、驱动场的频率和外磁场等的关系已被大量研究^{[4, 9-12]}.但是基于纵向驱动的多磁芯材料的巨磁阻抗效应研究目前还未见报道, 在环向(横向)驱动下多磁芯巨磁阻抗效应的研究却有很多^[13-15]. Fan等^[16]研究了非晶钴基玻璃包裹丝阵磁动态相互作用, 结果发现随着丝阵中非晶丝数目的增加, 丝阵的饱和磁化强度逐渐增加, GMI最大值却逐渐下降; 同时当丝阵施加交变电流后, 发现非晶丝与丝之间会感生出环向各向异性的现象. Phan等^[17-18]研究了多根钴基玻璃包裹微丝的GMI效应, 发现当组成样品的微丝数量增加时, 样品的电阻减小及其有效磁导率增加, 因此样品的GMI效应也随之增强.可见, 在多芯材料中, 邻近材料的相互作用对器件性能的影响很大, 研究其内在机制至关重要.

本文研究了多片铁基纳米晶条带的磁偶极相互作用, 探究了不同片数把纳米晶条带样品的LDGMI效应的变化特点; 从相邻纳米晶条带间的磁偶极相互作用角度, 分析了样品磁性能受到的影响, 研究了驱动场的变化对样品LDGMI效应的影响.

采用单辊甩带法制备Fe$_{73.5}$Cu$_{1}$Nb$_{3}$Si$_{13.5}$B$_{9 }$非晶条带, 将尺寸为30 mm$\times$0.6 mm$\times$ 0.033 mm的铁基非晶条带进行540 ${^\circ}$C真空退火20 min, 使条带内部的纳米晶相的体积分数在60%~70%范围内, 即获得软磁性能改善后的铁基纳米晶条带^[19].然后采用直流磁滞回线测量仪(MAST-2010SD)测量不同片数的Fe$_{73.5}$ Cu$_{1}$Nb$_{3}$Si$_{13.5}$B$_{9 }$纳米晶条带叠放在一起的磁滞回线, 进而分析比较不同样品的磁滞回线变化特点.最后采用Agilent 4294A型精密阻抗分析仪测量样品的阻抗和相位.测量时螺线管的长度为5 cm, 线圈匝数为383匝, 流过螺线管的交变电流$I$的有效值变化范围在0.3 mA~3 mA, 产生交变驱动场$H_\rm {ac}$, 可根据公式$H_{ac}=nI$ (其中$n$为螺线管单位长度中线圈的匝数)得驱动场的范围为0.028 Oe ~ 0.287 Oe (1 Oe=79.577 5 A/m), 驱动频率$f $的范围为10 kHz~1 MHz, 直流外磁场$H_\rm {ex}$的范围为--20 Oe ~+20 Oe, 并且方向沿螺线管轴向.

LDGMI效应是1997年在改进GMI效应测量方式的基础上提出的^[4], 使交流电通过螺线管产生交变驱动磁场直接作用于磁性材料, 其表达式为

其中, $Z(H)$、$Z(H_{\max})$分别是直流外磁场为$H$以及最大外磁场为$H_{\max}$时磁芯螺线管的对应阻抗.

当外磁场在一定范围内发生变化时, 螺线管内的磁性材料的磁导率$\mu(\mu=\mu'-j\mu")$也发生改变, 结合法拉第定律和欧姆定律容易求得电抗元件等效阻抗的相位角^[11]

其中, $\phi$同时表示感应电压与通过螺线管的交变电流的相位差, $\mu'$、$\mu"$分别是复数磁导率的实部和虚部.

图 1(a)为不同片数的铁基纳米晶条带的磁滞回线对比图.研究发现, 当铁基纳米晶条带片数增加时, 对应样品的各向异性场、饱和磁化强度均随纳米晶条带片数的增加而近似线性增大, 结果如图 1(a)和图 1(b)所示.这是由于当在纳米晶条带上叠加其他纳米晶条带时, 纳米晶之间存在磁偶极相互作用所致^[20-21]. 1片(1 p (piece), 本文设定此单位"片"为p)纳米晶条带的各向异性场为$H_{\rm{k}}^1$, 当在纳米晶条带1上层叠其他纳米晶条带时, 其他纳米晶条带会产生附加的磁偶极场作用在纳米晶条带1上, 外加磁场磁化纳米晶条带1时需要克服这些附加磁偶极场的作用, 纳米晶条带1饱和时的条件为$H_{\rm{k}}^N-\sum\limits^{N-1}_{i=1}K_{i, j}M_i=H_{\rm{k}}^1$, 所以

图 1(Fig. 1)

图 1 (a) 多片铁基纳米晶条带的磁滞回线; (b)铁基纳米晶条带的各向异性场与片数关系 Fig.1 (a) The hysteresis loops of Fe-based nanocrystalline ribbons; (b) Dependence of the anisotropy field with number of Fe-based nanocrystalline ribbons

其中, $K_{i, j}$为纳米晶条带组成样品的结构因子, $M_i$为纳米晶条带的饱和磁化强度, $H_{\rm{k}}^N$为$ N$片纳米晶条带的各向异性场, 下脚标注为$i$和$j$的纳米晶条带之间存在的磁偶极场$H_{i, j}=K_{i, j}M_i$.单片纳米晶条带的饱和磁化强度约为$M_i=1.5 \rm T$^[22], 因此纳米晶条带间的结构因子约为$K_{i, j}=3.2\times 10^{-3}$, 样品的$H_{\rm{k}}^N$随纳米晶条带的片数$N$的增大而线性增加.所以说纳米晶条带间的磁偶极相互作用可有效改变样品的软磁性能^[16].

当驱动电流为2 mA, 即螺线管中驱动场约为0.192 Oe, 小于单片条带的各向异性场0.75 Oe时, 我们测量了不同片数的铁基纳米晶条带的LDGMI频谱.如图 2(a)所示, 样品的LDGMI效应均随驱动频率$f$的增大先增加后减小.当纳米晶条带片数增加时, 纳米晶条带多的样品特征频率$f_\rm c$向高频移动, 如图 2(b)所示.这由于当组成样品的纳米晶条带增加时, 相邻纳米晶条带间存在磁偶极相互作用, 样品的阻抗比增大^[24], 有效磁导率$\mu$减小; 由趋肤深度$\delta=\sqrt{\frac{2}{\mu \sigma \omega}}$(其中$\sigma$为样品的电导率, $\omega=2\pi f$为驱动电流的角频率)可知, 样品趋肤效应减弱, 其特征频率也向高频率方向移动.

图 2(Fig. 2)

图 2 (a) 多片纳米晶条带的LDGMI效应的频谱; (b)铁基纳米晶条带的特征频率线性与片数的关系 Fig.2 (a) The LDGMI spectrum of nanocrystalline ribbons; (b) Dependence of the characteristic frequency with number of Fe-based nanocrystalline ribbons

图 3(a)是驱动电流为2 mA、驱动频率为10 kHz的不同样品的LDGMI效应曲线.不同片数的纳米晶条带的LDGMI曲线均表现为"小平台", 且"平台"的宽度随纳米晶条带片数的增加而展宽.为了进一步理解LDGMI曲线的"平台"展宽原因, 图 3(b)给出了相同条件下样品阻抗相位角随外磁场的变化关系^{[11, 23]}, 发现阻抗角变化曲线表现出类似的"平台"特点.当驱动频率$f$小于特征频率$f_\rm c$时, 样品的LDGMI效应主要来自电磁感应, 此时样品涡流损耗较小, 因此$u"$随外磁场变化不大.当$H_\rm {ex} <H_{\rm{k}}$时, 样品的交流磁化过程以磁矩转动为主, 对应样品的磁导率变化$\mu '$不大, 因此相位角和阻抗比均变化不大; 当$H_\rm {ex}\geq H_{\rm{k}}$时, 样品的磁矩几乎都转到带轴方向, 磁矩转动对样品的磁化过程贡献较小, 且随外磁场的增加, 畴壁移动被阻尼, $u'$迅速减小, 样品的相位角和阻抗比也迅速减小, 因此样品的阻抗比和相位角随外磁场变化的曲线均表现为"平台"形状.由于纳米晶条带间存在磁偶极作用, 样品的各向异性场随条带片数增加而变大, 因而LDGMI曲线和相位角曲线的"平台"宽度均随纳米晶条带片数的增加而展宽, 其中"平台"对应正外磁场的大小为LDGMI曲线的肩宽场$H_\rm b$, 即$H_\rm {ex}=H_\rm b$.

图 3(Fig. 3)

图 3 (a) 多片纳米晶条带在频率为10 kHz时的LDGMI曲线; (b)多片纳米晶条带在频率为10 kHz时的相位曲线 Fig.3 (a) The LDGMI curves of nanocrystalline ribbons at a frequency of 10 kHz; (b) The phase curves of nanocrystalline ribbons at a frequency of 10 kHz

图 4给出了驱动电流为2 mA时样品在不同驱动频率下, LDGMI曲线的肩宽场$H_\rm b$和磁滞回线测量的各向异性场$H_{\rm{k}}$随条带片数的变化规律, 它们均随片数增加而线性增大, 说明LDGMI曲线的肩宽场和磁滞回线测量的各向异性场均体现条带间磁偶极作用.但我们发现相同样品的肩宽场小于其各向异性场, 且随频率的升高, 样品的肩宽场逐渐增大, 但样品的肩宽场变化量逐渐减小.同时随着条带片数的增加, 样品在相同频率下肩宽场变化量也不断减小, 这可能是样品中磁偶极作用造成的影响.为了进一步说明驱动场对样品LDGMI曲线肩宽场影响的问题, 我们研究了不同驱动场下单片纳米晶条带的LDGMI效应, 如图 5所示.发现随着驱动电流的增加, 即驱动场$H_\rm {ac}$增强时, 样品LDGMI曲线的肩宽场随驱动场的增强而减小, "平台"宽度缓慢变窄, 且驱动频率越高, "平台"变化越不显著.

图 4(Fig. 4)

图 4 样品各向异性场和肩宽场在不同频率下的对比图 Fig.4 The comparison spectrum of the anisotropic field and broad field of the sample under different driven frequencies

图 5的结果说明交变驱动电流产生的驱动场对肩宽场产生了影响, 它对肩宽场的贡献如图 6所示.由图 6可知, 当驱动频率相同, 且小于铁基纳米晶条带的弛豫频率时^[25], 驱动电流产生的驱动场叠加在外磁场方向上, 使得纳米晶条带在驱动场作用下发生畴壁移动; 当驱动场增大时, 畴壁移动逐渐增强, 纳米晶条带LDGMI曲线上表示磁矩转动的平台磁场即肩宽场变小.当驱动频率增加时, 样品畴壁移动被阻尼, 驱动场对样品磁化作用减弱, 其LDGMI曲线上表示磁矩转动的平台磁场即肩宽场变大.因此, 图 4中样品不同驱动频率下肩宽场随纳米晶条带片数的增加总小于各向异性场$H_{\rm{k}}$, 这是由于驱动频率小于样品弛豫频率时, 样品磁化过程伴随畴壁移动的影响造成的.

图 5(Fig. 5)

图 5 不同驱动电流下单片铁基纳米晶条带的LDGMI曲线 Fig.5 The curves of the LDGMI effect of the single Fe-based nanocrystalline ribbon under different driven currents

图 6(Fig. 6)

图 6 铁基纳米晶条带肩宽场与驱动场在不同频率下的关系图 Fig.6 Dependence of the broad field of Fe-based nanocrystalline ribbons with the driven field under different driven frequencies

研究多片Fe$_{73.5}$Cu$_{1}$Nb$_{3}$Si$_{13.5}$B$_{9}$纳米晶条带的磁滞回线和LDGMI效应表明, 当组成样品的纳米晶条带增加时, 相邻纳米晶条带间的磁偶极相互作用使各样品的各向异性场和饱和磁化磁化强度均线性增加; 各样品的LDGMI曲线、相位曲线均表现出的不同宽度的"平台", 且"平台"宽度随纳米晶条带片数的增加而展宽; 样品LDGMI效应随纳米晶条带的片数的增加而增强, 样品的特征频率也随之向高频范围移动, 因此样品的磁偶极作用对其磁特性有显著影响.同时, 相同样品的LDGMI曲线的"平台"宽度随驱动频率的增加而展宽以及随驱动场的增强而变窄, 因此样品各向异性场相比不同条件下样品LDGMI曲线的肩宽场要大.

综上所述, 以上研究有助我们对多片铁基纳米晶条带的LDGMI效应特性的理解, 在研究和实现新型高灵敏度、低功耗、响应快的LDGMI传感器方面具有重要的意义.