一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法

摘要

一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法，涉及一种非晶微丝获得可调控的巨磁阻抗效应线性响应磁场量程的方法。本发明的提供了一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法。本发明的方法为：一、将微丝两端用铜质平头卡具固定，连入带有稳恒直流稳压电源退火电路中，将其置于液态油中进行退火反应，完成非晶微丝的退火；二、将步骤一退火的非晶微丝用无水乙醇和蒸馏水清洗烘干，置于零磁屏蔽空间进行阻抗测试，即完成一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法。本发明具有设备工艺简单、可操作性强、效率较高、电流密度易于控制、便于连接及安全性高等优点。本发明应用于磁传感、磁记录、磁存储技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非晶微丝获得可调控的巨磁阻抗效应线性响应磁场量程的方法。

背景技术

非晶微丝具有优异的软磁性能，尤其是具有高的巨磁阻抗性能，使其在微型化高灵敏度磁传感器中得到实际应用。巨磁阻抗效应可简述为：对材料施加交流电流，同时外加弱小磁场，由于趋肤效应，材料的电阻抗的产生巨大变化的现象。(参见Panina,L.and K.Mohri(1994)."Magneto‐impedance effect in amorphous wires".Applied Physics Letters 65(9):1189-1191.)。依据这一特性，巨磁阻抗(GMI)磁敏传感器得到开发。(参见V.Zhukova,M.Ipatov,A.Zhukov."Thin Magnetically Soft Wires for Magnetic Microsensors".Sensors.2009,9:9216-9240.)。作为磁敏感器件，一方面要求材料具有高的阻抗变化率和高的磁场灵敏度；一方面要求具有大的磁场响应量程，以满足不同磁场变化区间的响应要求。基于此，对材料的阻抗性能提出了新的挑战，即在不牺牲响应灵敏度的基础上，可以满足不同磁场区间响应的探测与甄别。在生物传感器件方面，在较大磁场(15Oe)响应时，非晶带已医学方面得到应用。(参见Hao Yang，Lei Chen,Yong Zhou,Da-Xiang Cui etc.(2010)"Giant magnetoimpedance-based microchannel system for quick and parallel enotyping of human papilloma virus type 16/18"Applied Physics Letters 97：043702(1-3))。然而，该材料阻抗性能具有较低的磁灵敏度及在小于20MHz频率激励下无法应用，且制备相对复杂，各向异性较大，限制了其更广泛应用。相比非晶丝方面，并未报道此类较大的响应场，但非晶丝相对非晶带软磁性能更好，灵敏度更高。有待于通过退火调制来实现。针对阻抗定义式：△Z/Z₀％＝[Z(H_ex)-Z₀]/Z₀×100％；磁灵敏度ξ＝2×△[△Z/Z₀]/△H_ex，轴向磁场H_ex即对应了阻抗Z_max，同时，该磁场也等于等效各向异性场H_eff；改善等效各向异性场即提高微丝的周向场，有助于阻抗性能的提高。而对于制备态材料，其残余较大内应力，各向异性过大，且存在结构不均匀或材料表面不平整或不光滑等特点，导致材料的磁阻抗性能、磁场灵敏度不高。所以，目前具有高性能的GMI效应的材料(非晶丝、非晶带、软磁薄膜等)均是通过退火或后处理等工艺得到的。一直以来，对微丝的退火调制主要包括：焦耳退火、磁场退火、应力退火等。于2014年，陈东明、邢大伟、孙剑飞等人对熔体抽拉非晶丝Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B_11.25Nb₂Cu₂采用低温焦耳退火，在300mA电流退火下，得到了较大的磁场区间(2.5～6.5Oe)的线性响应，其间的响应灵敏度为99.4％/Oe。同时，在大电流350mA退 火时，大于17MHz时，实现了较大的响应外场9Oe。(参见D.M.Chen,D.W.Xing,J.F.Sun"Cryogenic Joule annealing induced large magnetic field response of Co-based microwires for giant magneto-impedance sensor applications".Jounal of Applied Physics,116,053907(1-6))。然而，低温退火采用对的液氮为介质，实现了大电流退火方式，但低温液氮的引入，并未能实现微丝应力的释放，而是重新分布了微丝的内应力；这样，在小磁场(<2.5Oe)区间的磁场探测与甄别方面，有所欠缺；同时，也未能实现磁场响应量程的灵活调控。而液态介质(商业用油)焦耳退火方式不仅实现了较大的退火方式，实现了更大的磁场响应量程(11Oe)，而且实现磁场线性响应量程的调控，使其在0～11Oe区间能够通过不同的电流大小的退火，实现不同磁场区间的线性响应特性。目前，国内外对具有该性能的非晶微丝的特性的研究尚未有相关报道。

发明内容

本发明的提供了一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法。

本发明的一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法是按以下步骤进行的：

一、选取表面平滑、直径为30μm微丝、长度18mm的非晶微丝，将微丝两端用铜质平头卡具固定，连入带有稳恒直流稳压电源退火电路中，将其置于液态油中，在退火电流为50～400mA下退火3～6min后，完成非晶微丝的退火；

二、将步骤一退火的非晶微丝用无水乙醇和蒸馏水清洗烘干，置于零磁屏蔽空间进行阻抗测试，即完成一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法。

本发明包括以下有益效果：

1、该方法通过液态油介质焦耳退火对熔体抽拉非晶微丝进行退火，可有效释放微丝内部残余应力等特性，特别是有效提高微丝周向各向异性，易于获得可控的GMI磁场线性响应量程的性能，与低温焦耳热退火相比，其有效控制焦耳热效应，可逐步增大焦耳退火电流，实现阻抗对应的磁场从小到大连续性递增的线性响应的变化。易于改善敏感材料因内部应力重新分布而对小电流的退火感生弱的周向场，也改善了退火电流过大(350mA)、产生的焦耳热不能及时排出而使微丝晶化或灼烧的现象。

2、该方法具有设备工艺简单、可操作性强、效率较高、电流密度易于控制、便于连接及安全性高等优点，可克服现有非晶微丝只具有对微弱磁场响应的缺陷，如：阻抗的线性响应在0～1Oe或阻抗的线性响应只能在某一区间的特性。

附图说明

图1为试验一液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的 变化曲线；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为3MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为4MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为9MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；

图2为试验二液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为10MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为15MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；

图3为试验三液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为8MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为11MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；

图4为试验四液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为5MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为9MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；

图5为试验五液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为3MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为4MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为10MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；

图6为试验六液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为3MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为9MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法是按以下步骤进行的：

一、选取表面平滑、直径为30μm微丝、长度18mm的非晶微丝，将微丝两端用铜质平头卡具固定，连入带有稳恒直流稳压电源退火电路中，将其置于液态油中，在退火电流为50～400mA下退火3～6min后，完成非晶微丝的退火；

二、将步骤一退火的非晶微丝用无水乙醇和蒸馏水清洗烘干，置于零磁屏蔽空间进行阻抗测试，即完成一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法。

本实施方式包括以下有益效果：

1、该方法通过液态油介质焦耳退火对熔体抽拉非晶微丝进行退火，可有效释放微丝内部残余应力等特性，特别是有效提高微丝周向各向异性，易于获得可控的GMI磁场线性响应量程的性能，与低温焦耳热退火相比，其有效控制焦耳热效应，可逐步增大焦耳退火电流，实现阻抗对应的磁场从小到大连续性递增的线性响应的变化。易于改善敏感材料因内部应力重新分布而对小电流的退火感生弱的周向场，也改善了退火电流过大(350mA)、产生的焦耳热不能及时排出而使微丝晶化或灼烧的现象。

2、该方法具有设备工艺简单、可操作性强、效率较高、电流密度易于控制、便于连接及安全性高等优点，可克服现有非晶微丝只具有对微弱磁场响应的缺陷，如：阻抗的线性响应在0～1Oe或阻抗的线性响应只能在某一区间的特性。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的非晶微丝的成分为Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B_11.25Nb₂Cu₂。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中在退火电流为100～400mA下退火3min。

通过以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：本试验的一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法是按以下步骤进行的：

一、选取表面平滑、直径为30μm微丝、长度18mm的Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B₁₁₂₅Nb₂Cu₂非晶微丝，将微丝两端用铜质平头卡具固定，连入带有稳恒直流稳压电源退火电路中，将其置于液态油中，在退火电流为100mA下退火3min后，完成非晶微丝的退火；

二、将步骤一退火的非晶微丝用无水乙醇和蒸馏水清洗烘干，置于零磁屏蔽空间进行阻抗测试，即完成一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法。

本试验液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线如图1所示；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为3MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为4MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为9MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化 曲线；从图1可以看出，阻抗测试得到单调递增的阻抗曲线峰值对应的外场增至1.5Oe；在大于3MHz以上激励频率下，阻抗上升曲线具有0～1.5Oe的线性响应量程，在9MHz频率激励下，阻抗比值为123.3％，响应灵敏度为：82.2％/Oe。

试验二：本试验的一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法是按以下步骤进行的：

一、选取表面平滑、直径为30μm微丝、长度18mm的Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B₁₁₂₅Nb₂Cu₂非晶微丝，将微丝两端用铜质平头卡具固定，连入带有稳恒直流稳压电源退火电路中，将其置于液态油中，在退火电流为125mA下退火3min后，完成非晶微丝的退火；

二、将步骤一退火的非晶微丝用无水乙醇和蒸馏水清洗烘干，置于零磁屏蔽空间进行阻抗测试，即完成一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法。

本试验液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线如图2所示；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为10MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为15MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线； 为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；从图2可以看出，阻抗测试得到单调递增的阻抗曲线峰值对应的外场增至2.5Oe；在大于10MHz以上，阻抗上升曲线具有0～2.5Oe的线性响应量程，在10MHz频率激励下，阻抗比值为220.9％，响应灵敏度为：88.4％/Oe。

试验三：本试验的一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法是按以下步骤进行的：

一、选取表面平滑、直径为30μm微丝、长度18mm的Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B₁₁₂₅Nb₂Cu₂非晶微丝，将微丝两端用铜质平头卡具固定，连入带有稳恒直流稳压电源退火电路中，将其置于液态油中，在退火电流为200mA下退火3min后，完成非晶微丝的退火；

二、将步骤一退火的非晶微丝用无水乙醇和蒸馏水清洗烘干，置于零磁屏蔽空间进行阻抗测试，即完成一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法。

本试验液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线如图3所示；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为8MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为11MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线； 为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；从图3可以看出，阻抗测试得到单调递增的阻抗曲线峰值对应的外场增至7Oe；在大于10MHz以上，阻抗上升曲线具有2～4Oe的线性响应量程；在大于7MHz以上，阻抗上升曲线具有4～6.5Oe的线性响应量程，此区间11MHz频率激励下，阻抗比值为321.3％，响应灵敏度为：105.5％/Oe。

试验四：本试验的一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法是按以下步骤进行的：

一、选取表面平滑、直径为30μm微丝、长度18mm的Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B₁₁₂₅Nb₂Cu₂ 非晶微丝，将微丝两端用铜质平头卡具固定，连入带有稳恒直流稳压电源退火电路中，将其置于液态油中，在退火电流为100mA下退火3min后，完成非晶微丝的退火；

二、将步骤一退火的非晶微丝用无水乙醇和蒸馏水清洗烘干，置于零磁屏蔽空间进行阻抗测试，即完成一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法。

本试验液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线如图4所示；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为5MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为9MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；从图4可以看出，阻抗测试得到单调递增的阻抗曲线峰值对应的外场增至6.5Oe；在大于8MHz以上，阻抗上升曲线具有2～6.5Oe的线性响应量程，此区间9MHz频率激励下，阻抗比值为440.8％，响应灵敏度为：93.4％/Oe。

试验五：本试验的一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法是按以下步骤进行的：

一、选取表面平滑、直径为30μm微丝、长度18mm的Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B₁₁₂₅Nb₂Cu₂非晶微丝，将微丝两端用铜质平头卡具固定，连入带有稳恒直流稳压电源退火电路中，将其置于液态油中，在退火电流为100mA下退火3min后，完成非晶微丝的退火；

二、将步骤一退火的非晶微丝用无水乙醇和蒸馏水清洗烘干，置于零磁屏蔽空间进行阻抗测试，即完成一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法。

本试验液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线如图5所示；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为3MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为4MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为10MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；从图5可以看出，阻抗测试得到单调递增的阻抗曲线峰值对应的外场增至10.5Oe；在大于3MHz以上，阻抗上升曲线具有2～4Oe的线性响应量程；同时，阻抗上升曲线在4～8Oe区间也具有线性响应，此区间10MHz频率激励下，阻抗比值为151.2％，响应灵敏度为：32.3％/Oe。

试验六：本试验的一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法是按以下步骤进行的：

一、选取表面平滑、直径为30μm微丝、长度18mm的Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B₁₁₂₅Nb₂Cu₂非晶微丝，将微丝两端用铜质平头卡具固定，连入带有稳恒直流稳压电源退火电路中，将其置于液态油中，在退火电流为100mA下退火3min后，完成非晶微丝的退火；

二、将步骤一退火的非晶微丝用无水乙醇和蒸馏水清洗烘干，置于零磁屏蔽空间进行阻抗测试，即完成一种非晶微丝可调控阻抗线性响应量程的方法。

本试验液态油介质焦耳退火后非晶微丝在不同频率频率下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线如图6所示；其中，为0.1MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为3MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为9MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；为20MHz下阻抗△Z/Z₀％随外场的变化曲线；从图6可以看出，阻抗测试得到单调递增的阻抗曲线峰值对应的外场增至11Oe；在大于3MHz以上，阻抗上升曲线具有2～4Oe的线性响应量程；同时，阻抗上升曲线在4～8Oe区间也具有线性响应；此区间9MHz频率激励下，阻抗最大比值为85.1％。

表1为试验一至试验六的Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B_11.25Nb₂Cu₂非晶微丝通过液态油介质焦耳退火后的GMI比值、响应灵敏度大小及响应外场量程的比较，其中，阻抗比值的公式为：△Z/Z(H₀)％＝(Z(H_ex)-Z(H₀))/Z(H₀)×100％；磁场响应灵敏度公式为：ξ(％/Oe)＝2×△Z/Z(H₀)/△H_ex。

表1

由表1可知，熔体抽拉法获得的Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B_11.25Nb₂Cu₂非晶微丝通过液态油介质焦耳退火得到的阻抗效应对应的可调控磁场响应量程的方法，小电流(100mA、125mA)退火得到的磁场线性响应量程相对较小在0～2.5Oe；大电流(200mA，250mA，300mA， 400mA)退火得到的磁场响应量程分两个区间：2～4Oe和4～8Oe；经过液态油介质焦耳退火后的微丝阻抗的单调递增磁场响应在大电流400mA退火后达到12Oe。