铁磁/金属/铁磁三明治多层膜的应力阻抗效应研究

摘要

非晶态铁磁合金薄膜在外加应力作用下，阻抗会发生很大的变化，表现出明显的应力阻抗效应，这种特性可以广泛应用于应力/应变传感器中，因此对非晶态铁磁合金薄膜应力阻抗效应的研究具有实际意义。由于“铁磁/金属/铁磁”三明治多层膜表现出了比单层铁磁薄膜更为明显的应力阻抗效应，为此，本文从理论和实验上对“铁磁/金属/铁磁”三明治结构多层膜的应力阻抗效应进行了系统研究。
　　本文首先建立了“铁磁/金属/铁磁”三明治结构多层膜应力阻抗效应的物理模型，通过求解 Maxwell方程，得到了多层膜阻抗与其结构、铁磁层磁导率之间的关系，然后通过求解 Landau-Lifshitz-Gilbert方程，推导出铁磁薄膜磁导率与外加应力的关系。通过铁磁层的高频磁导率将多层膜的阻抗与外加应力联系起来，给出了多层膜的应力阻抗表达式，研究了多层膜的结构参数和材料物理参数对“铁磁/金属/铁磁”多层膜阻抗以及应力阻抗效应的影响。结果表明，增加铁磁层和导电层的厚度都会增强多层膜的应力阻抗效应。提高中间金属层的电导率也可以提高应力阻抗效应。铁磁层采用高饱和磁化强度的材料可以增加多层膜的应力阻抗效应。随着测试频率升高，多层膜的应力阻抗效应先增加后降低，存在一个最佳的频率区间，在此频率区间内，应力阻抗效应变化不大，且具有较高的应力阻抗效应。
　　实验上，采用磁控溅射法在 Kapton基片上制备了FeCoSiB/Cu/FeCoSiB三明治结构多层膜，测试了不同外加应力作用下多层膜的应力阻抗效应。结果表明，铁磁层和中间导电层厚度的增加都会增强多层膜的应力阻抗效应。当 FeCoSiB铁磁层厚度保持1μm，Cu层厚度从0.25μm增加到1μm时，多层膜的应力阻抗效应从0.3％增加到20.5%。当Cu层厚度为0.25μm，FeCoSiB铁磁层厚度从0.5μm增加至1.5μm时，多层膜应力阻抗效应从0.5%增加到8.6%。中间导电层采用不同电导率的金属会导致不同大小的应力阻抗效应。当中间导电层材料分别为相同厚度的Cu和Ag时，在基片末端位移1mm范围内，应力阻抗效应分别可达3.1%和13.3%。FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜样品的应力阻抗效应随测试频率增加先增大后降低，当测试频率为1MHz时，可以获得最大的应力阻抗效应。实验结果很好地验证了理论模型的计算结果。
　　本文还采用光刻和剥离工艺在 Kapton基片上制备了大小为3mm×4mm的FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜应变片，测试结果表明，当应变片的应变从990ppm增加到2700ppm时，其阻抗从118.7Ω增加至140.3Ω，相对阻抗变化达到18.2%，应变灵敏系数大于100，且在990ppm-2700ppm应变范围内，阻抗随应变的变化具有很好的线性特性。

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第一章 引言

1.1 研究目的与意义

1.2国内外研究进展

1.3论文选题依据及研究内容

第二章 铁磁/金属/铁磁多层膜的应力阻抗计算

2.1 多层膜阻抗模型

2.2 应力相关的高频磁导率计算

2.3 多层膜的应力阻抗效应计算

2.4 本章小结

第三章 FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜的制备与性能研究

3.1制备方法

3.2多层膜的应力阻抗效应

3.3小结

第四章 图形化FeCoSiB/Cu/FeCoSiB应变片制备与测试

4.1图形化应变片的制备

4.2图形化单元的应力阻抗特性

4.3本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

硕士期间取得的研究成果