磁电子学讲座　第一讲　新一类磁传感效应——巨磁阻抗效应

如果 3 个量子基准是完备的 ,则以下关系 式成立 : n ·f ·i = 2 ·K ·f g . (6) 　　如果 (6)式在所需的准确度下成立 ,则证明 了 3 个量子基准是闭合的和完善的 ,并可以用 以下的方法绝对测量基本物理常数 h 和 e. (1) 首先设定两个常数 ( h/ e) L和 ( h/ e2) L ( L = 1 ,2 , ⋯) ,由图 1 所示的实验数据和 (1) — (4) 式 ,可以计算出 eL的一个值 ; (2) 由计算出的 eL 值和设定的系数 ( h/ e) L ,可以计算出 hL ; (3) 由计算值 eL 和 hL ,可以计算出计算值 ( h/ e2) L′; (4) 如果计算值 ( h/ e2 ) L′与设定的值 ( h/ e 2) L在所需的准确度下相同 ,则此此计算出的 eL和 hL就是基本物理常数 h 和 e 的准确值. 如 两者不相同 , 则需要重新设定两个常数 ( h/ e 2) L′和 ( h/ e2) L ,并重复以上 (1) —(4) 的过程 , 利用逐次逼近的方法计算 ,最终可得到基本物 理常数 h 和 e 的准确值. 当我们得到基本物理常数 h 和 e 的高准 确度值后 ,就可以计算出 h/ e 和 h/ e2两个常数 的准确值 ,就可以实现电学量中电压、电阻和电 流的绝对测量. 参 考 文 献 [1 ] 　L . J . CeerLigs , V. F. Anderegg , P. Holweg et al. , Phys. Rev . Lett . ,64 (1990) ,2691 . [2 ] 　C. Vrbina , H. Pothier , P. Lafarge et al. , I EEE Trans . Mag. ,27 (1991) ,2578 . [3 ] 　M. W. Keller , J . M. Martinis , and N. M. Zimmerman , CPEM’96 ,Digest ,J une 1996 ,503. 小型二极管激光加工装置 　　美国 Connecticut 大学光子学研究中心 Chandra Roychoudhuri ,Weiqun Chen 等最近报道了他们实验室 的这项科技成果 . 他们采用 OPC 公司 (Opto Power Corp . , Tucson , AZ) 的 4 支二极管激光器组成光纤耦合的阵列 (共 60 W) ,辐照黄铜粉末后可烧结成几 cm 尺寸的零件. 二极 管激光的光斑尺寸为 2116mm (在 0111 数值孔径内有 88 % 的光) ,波长为 812nm.粉末一层一层送到底座上 , 并在惰性气体保护下用激光进行烧结 ,经光纤耦合进 来的激光通过成像元件会聚成 018mm 的光斑 (数值孔 径 < 0133) ,其传输效率为 75 %. 由计算机软件控制光 斑扫描 ,以确定烧结零件的形状. 这种小型的高亮度的经济的二极管激光器还可用 于焊接、打孔和打印标志. 这些加工所需的功率密度为 103 —108 W/ cm2 ,光斑停留时间 10 - 6 —1s. 激光仅耦合 进单根光纤时亮度显著降低 ,上述小组将激光组成成 一维或二维阵列后 ,可使亮度提高一至两个量级 (依赖 于各束光是否部分或全部空间相干) . 通过烧结黄铜零 件 ,他们已消除了二极管激光太不相干、不适用于大功 率加工的旧概念 . 为提高亮度 ,OPC 已经将 15W 激光聚成 250μm 的光斑或耦合进直径为 250μm 的光纤. 以英国 Southampton 大学的专利技术为基础的装置改变了并 排成线的阵列式照射 ,它采用一对反射镜经过多次反 射使不相干的阵列发射叠合在一起 ,可以使辐射率增 大一个量级. 还有一家公司改变了常规的边发射二极 管激光 ,使激光垂直晶片表面发出 ,再用透镜聚焦成高 亮度斑点 ,以满足最大功率加工的需要. 参 考 文 献 [1 ] 　C. Roychoudhuri , W. Chen , T. Manzur et al. , L aser Focus Worl d ,Sept. (1996) ,97. [ 2 ] 　W. Chen et al. , Opt . Engi neer ,33 (1994) ,3662. (中国科学技术大学基础物理中心 　吴自勤) ·634· 物理 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3 　国家自然科学基金和国家教委博士学科点专项基金 资助项目 1996 年 5 月 6 日收到初稿 ,1996 年 7 月 12 日修回 磁电子学讲座 第一讲　新一类磁传感效应———巨磁阻抗效应 3 刘 　宜 　华 (山东大学物理系 ,济南　250100) 　　摘 　要 　　材料的交流阻抗随外加直流磁场的改变而变化的特性称为磁阻抗效应. 在软磁合金中 , 这种效应是快响应、高灵敏度的 ,因而被称为巨磁阻抗效应. 文章简单介绍了这一效应产生的基本原理、 高频和低频交流电流情况下这一效应的特点 ,介绍了这一效应的应用前景. 关键词 　　巨磁阻抗效应 ,非晶态软磁合金 ,趋肤效应 1 　引言 材料的交流阻抗随外加直流磁场的改变而 变化的特性称为磁阻抗效应. 1992 年日本名古 屋大学毛利佳年雄教授等人最先报道了这一现 象[1 ] .最初对这一效应研究得最多的是具有零 或负磁致伸缩系数的钴基非晶态软磁合金细 丝 ,特别是长度只有几毫米的小尺寸细丝[1 ,2 ] . 当丝通以高频电流时 ,丝两端感生的电压振幅 随沿丝长方向所加外磁场强度的改变而变化 , 这种变化无磁滞效应 ,而且是快响应、高灵敏度 的. 对这种特别大的磁阻抗效应人们称之为巨 磁阻抗效应. 它的灵敏度可以比多层膜中的巨 磁阻效应高一个数量级. 在趋肤效应可以忽略 的低频情况下 ,阻抗中的电阻分量受外磁场影 响很小 ,交流电压的磁场关系主要来自细丝的 电感分量 ,因而这时称巨磁电感效应. 高频下 , 趋肤效应发生作用 ,这时阻抗中的电阻分量和 电感分量同时受外磁场影响 ,而成为巨磁阻抗 效应 ,一般简写为 GM I. 目前对巨磁阻抗效应 的研究已扩大到非晶软磁薄带[3 ,4 ]和薄膜[3 ,5 ] , 并进一步扩大到纳米晶铁基软磁合金中. 利用 巨磁阻抗效应做成的探测头具有高灵敏度、无 磁滞、快响应、非接触等优点 ,它比磁阻磁头具 有更大的优越性. 利用巨磁阻抗效应已经做成 了许多有价值的传感元件[6 ] . 2 　基本原理 从经典的电磁理论出发即可解释非晶态细 丝的磁阻抗效应[1 ,2 ] . 对一个均匀磁化铁磁直 导线 ,当导线中通以交流电流 IW 时 ,按电磁感 应定律 ,丝周围可产生一感应磁场 Hθ, Hθ = IW/ 2πa , (1) 其中 a 为导线半径. 这一交变的感应磁场可以 在导线两端产生一交变的感应电动势 eL eL = - d < d t = - Sθ d Bθ d t = - Sθ d Bθ d Hθ· d Hθ d t , 其中 Sθ为磁力线在导线中穿过的截面积 Sθ = l W a , l W为导线长 , Bθ为磁感应强度 , d Bθ/ d Hθ 即为铁磁导线的横向微分磁导率 μθ(沿圆周方 向的分量) ,它是交变电流振幅 Im、外加直流磁 场 Hex和交变电流频率 f 的函数 ,所以 , eL = - 1 2πμθ( Im , Hex , f ) l W d IW d t , (2) 其中 IW = Imcosωt ,则感应电压的振幅为 | eL | = μ( Im , Hex , f ) f ·l W ·Im . (3) 按自感系数 L 的定义 eL = - L d Id t ,可得铁磁 ·734·26 卷 (1997 年) 7 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 导线的自感系数 L 为 L ( Im , Hex , f ) = 12πμθ( Im , Hex , f ) ·l W . (4) 由 (3) , (4) 式可见 ,如果平行于导线加入一直流 磁场 Hex ,则微分磁导率 μθ要发生相应变化 , 由此可以改变感应电动势 eL 的自感系数 L , 这正是磁电感应产生的机理. 在具有零或负磁 致伸缩系数的钴基非晶态软磁合金细丝中 ,可 以得到很高的μθ,而μθ又是纵向磁场的敏感 函数 ,这样就可得到巨磁电感效应. 以上分析只是一种最简单的情形 ,对实际 的铁磁材料 ,由于存在复杂的畴结构 ,材料的磁 化是非均匀的 ,在交变磁场中 ,磁导率为一张 量.此外 ,当频率增高时会产生明显的趋肤效 应 ,这时对问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的严格求解要从解电磁方程出 发[3 ] . 3 　低频下的巨磁电感效应 在低频下研究得最多的主要是具有零或负 磁致伸缩系数的钴基非晶态细丝 , 如 ( Fe0106 Co0194) 7215 Si1215B15 ,Co7215 Si1215B15等. 细丝的直 径从几十μm 到 120μm ,细丝的长度从 1mm 到十几 mm. 对具有负磁致伸缩的非晶丝 ,由于 在急冷制备过程中丝的表面和中心区有不同的 冷却速率 ,表面层受到一个圆周方向 (或轴向) 的压缩力 ,而中心区受到的是张力. 由于磁致伸 缩效应使表面层磁矩沿圆周方向或轴向排列 , 而退磁场能使磁矩选择沿圆周方向的排列方 式 ,因而丝的表面具有圆周方向的各向异性 ,中 心区域则沿轴向磁化 ,其畴结构如竹筒形 ,如 图 1 (a)所示. 这种畴结构在实验上已经被观察 到了. 当沿丝的轴向加入交变电流时 ,在丝中通 过畴壁位移产生了圆周磁化过程 ,其磁滞回线 为陡峭的矩形 ,因而材料表现出很高的磁导率. 当沿丝的轴向 (即难磁化方向) 加入一外磁场 时 ,使通过畴壁位移产生的圆周磁化过程受到 压制 ,随磁场增加 ,磁滞回线由矩形逐渐变为线 形 ,并出现了磁化矢量转动的磁化过程 ,这使 μθ随轴向磁场增加而下降 ,这样便产生了巨磁 电感效应. 如果对细丝采用张力退火热处理 ,则 可明显加强圆周各向异性 ,使丝中心区域的轴 向畴消失 ,而变成完全的圆周形畴结构 ,如 图 1 (b)所示 ,从而可以提高磁电感效应的灵敏 度. 图 1 　负磁致伸缩系数非晶丝的畴结构 (a)为制备态细丝 ; (b)为张力退火后的细丝 巨磁电感效应在实际测量中是将非晶细丝 加入一固定振幅的交变电流 ,然后沿轴向加入 直流磁场 ,测量细丝两端感生电压 eL随外场的 变化关系 ,细丝两端的感生电压中包含了不随 磁场而变化的电阻分量产生的电压. 在低频下 , 阻抗中的电阻电压所占比例很大 ,一般都在 90 % 以上 ,为将磁电感分量分离出来 ,可采用 电阻电桥或高通滤波器将电阻电压去掉 ,而得 到单纯的电感电压 ,这就使测量灵敏度得到大 幅度提高. 图 2 给出了直径为 100μm 的退火非晶丝 的感应电感电压比 | eL | / | eL ( Hex = 0) | 随外加 磁场 Hex的变化关系[2 ] . 丝长为 30mm ,交流电 流为 30mA ,10kHz. 当外加磁场平行于丝的轴 向时 ,在 40A/ m 的磁场下 ,电感变化量可超过 50 %。由于退磁场的影响 ,当外场垂直于丝的 轴向时 ,电感量基本无变化. 从图 2 还可以看 出 ,电压变化曲线无磁滞效应. 低频下 ,细丝感 抗 的 磁 场 响 应 灵 敏 度 一 般 可 达 到 01313 %/ (A/ m) (约 25 %/ Oe) [3 ] . 图 3 是一个 可用于磁编码器的折叠形细丝的测量草图[2 ] , 这里采用电阻平衡式电桥来消除丝的直流电阻 影响 ,以获得纯电感电压分量. 丝的直径为 120μm ,折叠后丝长 5mm. 在低频下 ,非晶细丝的电阻一般很小受外 ·834· 物理 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图 2 　非晶丝感应电压比随外加磁场的变化关系 图 3 　可用于磁编码器的非晶丝测量草图 加 磁 场 的 影 响. Mandal 等 人 在 Co6811 Fe414Si1215B15非晶丝中却观察到了很大的 磁阻效应[7 ] ,丝直径为 120μm ,长 10cm ,采用 87Hz 的低频交流电流 ,外加磁场沿丝的长方向 (交变电流方向) . 结果发现 ,室温下磁电阻变化 率Δρ/ρ0 = [ρ( H) - ρ0 ]/ρ0 (ρ0为饱和磁场下 的电阻率) 最大可达到 818 % ,而饱和磁场只有 80A/ m. 测量中发现 ,磁阻效应存在着很小的磁 滞. 当非晶丝在 240MPa 的纵向张应力作用下 测量时 ,磁电阻比可达到 1212 %. 将非晶丝冷 至 77 K 的低温下测量时 ,磁电阻比明显减小 , 这与多层膜中的巨磁电阻比随温度下降而增加 的结果相反. 4 　高频下的巨磁阻抗效应 当频率增高时 ,趋肤效应变得重要了 ,这时 材料的电阻和感抗都是频率和磁导率的函数 (它们通过趋肤深度发生作用) . 由于纵向外加 磁场影响磁导率 ,使材料的阻抗产生很大的磁 场效应 ,所以高频下表现的是磁阻抗效应. 低频 下材料的磁化是以畴壁位移为主 ,转动过程可 以忽略. 高频下磁化过程则以转动过程为主 ,畴 壁位移被涡流阻尼掉了. 当外场为零时 ,对 120μm 和 30μm 直径的细丝 ,实验上测得出现 趋肤效应的临界频率分别是 10kHz 和 150kHz (圆周磁导率选为 104) . 图 4 给出了不同频率下 ( Co0194 Fe0106) 7215 Si1215B15非晶细丝的感应电压随外磁场 Hex的 变化关系[3 ] . 丝的直径为 30μm ,长 5mm ,在 20MPa 的张应力下经过退火热处理. 高频电流 为 5mA. 图中同时给出理论计算结果 (虚线所 示) . 从图中可以看出 ,高频和低频情况有很大 差别. 低频下 ,随磁场增加 ,感应电压单调下降. 但当频率提高时 ,零场下感应电压处于最小值. 当外场趋于各向异性场 H K时 ,感应电压达到 最大值 ,这一变化是和磁矩的转动有关. 当外磁 场等于 H K 时 ,材料具有最大的横向微分磁导 率. 从图 4 还可以看出 ,低频下理论和实验符合 得很好 ,但高频下只能定性符合 ,而数值相差较 大 ,这可能是由于靠近丝的表面 ,磁结构和各向 异性都和内部有差异而造成的 ,而高频下电流 集中在表面 ,使有效各向异性场和色散关系都 会随频率而变化. 另一个原因是由于畴壁磁导 率与频率有关. 在高频下细丝阻抗的磁场响应 灵敏度最好 ,可以达到约 01125 %/ (A/ m) (约 为 10 %/ Oe) . 图 4 　不同频率下 ,非晶丝的感应电压随外加 磁场的变化关系 (图中虚线为理论结果 [3 ]) 随着频率的升高 ,磁阻抗响应中的电阻分 量逐渐变得重要起来 ,例如对 100μm 直径的 ·934·26 卷 (1997 年) 7 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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