一种非晶微丝具有极高巨磁阻抗效应的方法

摘要

一种非晶微丝具有极高巨磁阻抗效应的方法，涉及一种具有极高巨磁阻抗效应的方法。本发明提供了一种非晶微丝具有极高巨磁阻抗效应的方法。本发明方法为：一、将微丝两端用铜质平头卡具固定，并置于零磁屏蔽空间进行阻抗测试；二、进行阶梯式焦耳退火的第一步，完成后连入阻抗测试电路中，进行阻抗测试；三、进行阶梯式焦耳退火第二步，完成后连入阻抗测试电路中，进行阻抗测试；四、进行梯式焦耳退火第三步，完成后连入阻抗测试电路中，进行阻抗测试；五、进行梯式焦耳退火第四步，完成后连入阻抗测试电路中，进行阻抗测试，即完成非晶微丝具有极高巨磁阻抗效应的方法。本发明应用于磁传感、磁存储技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有极高巨磁阻抗效应的方法。

背景技术

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，要求材料具有好的阻抗变化率和高的磁场灵敏度，基于此，很多研究均集中 在提高材料的巨磁阻抗效应方面。然而，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，目前实际使用的具有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2000年，K.R.Pirota等人对玻璃包裹丝采用焦耳热真空退 火，在160Oe的外场驱动下，得到阻抗比值600％，该值为目前非晶微丝得到的最高的比值。 (参见K.R.Pirota,L.Kraus,H.Chiriac,M.Knobel,“Magnetic properties and giant  magnetoimpedance in a CoFeSiB glass-covered microwire”.J.Magn.Magn.Mater.221,243 (2000).)。然而，针对微型高灵敏度传感器件来说，玻璃层的存在，有碍电路连接；同时， 施加的外场也较大；此退火工艺关键是保持真空状态，在技术操作方面难度大，并且对封 装设备精度要求极高，一直未都得广泛应用与推广。焦耳退火电流大小至关重要，电流密 度太小实现不了退火的效果；电流密度过大则易使微丝晶化甚至灼烧。而阶梯式增加的电 流密度通过微丝即实现了应力充分释放，结构弛豫，逐步增大周向磁各向异性，同时实现 微丝组织均匀，避免局部过热与畴壁钉扎现象。目前，国内外对非晶微丝具有极高巨磁阻 抗效应的方式的研究尚未有相关报道。

发明内容

本发明提供了一种非晶微丝具有极高巨磁阻抗效应的方法。

本发明的一种非晶微丝具有极高巨磁阻抗效应的方法是按以下步骤进行的：

一、选取表面平滑、直径为45μm微丝、长度20mm的Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B_13.25Nb₁Cu₁ 非晶微丝，将微丝两端用铜质平头卡具固定，并置于零磁屏蔽空间中进行阻抗测试；

二、完成步骤一阻抗测试后，将微丝与铜质夹具一起连入带有稳恒直流稳压电源的电 路中，进行阶梯式焦耳退火的第一步：退火电流为30～40mA，退火时间为8～10min，完成 后连入阻抗测试电路中进行阻抗测试；

三、完成步骤二阶梯式焦耳退火的第一步后，进行阶梯式焦耳退火第二步，退火电流 为50～60mA，退火时间为8～10min，完成后连入阻抗测试电路中进行阻抗测试；

四、完成步骤三阶梯式焦耳退火的第二步后，进行梯式焦耳退火第三步，退火电流为 70～80mA，退火时间为8～10min，完成后连入阻抗测试电路中进行阻抗测试；

五、完成步骤四阶梯式焦耳退火的第三步后，进行梯式焦耳退火第四步，退火电流为 90～100mA，退火时间为8～10min，完成后连入阻抗测试电路中进行阻抗测试，即完成一种 非晶微丝具有极高巨磁阻抗效应的方法。

本发明包括以下有益效果：

1、该方法通过阶梯式电流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内部组织的均匀性、逐步感生周向各向异性，提高磁 导率，易于获得高的GMI性能，与传统焦耳热退火相比，其有效控制焦耳热效应，可在温 度低于晶化温度与居里温度的条件下逐步增大焦耳热，易于改善敏感材料因内部成分不均 匀及表面缺陷而产生的应力过大和局部过热，从而导致微丝晶化和畴壁钉扎现象。

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 及可重复退火等优点，可克服现有非晶微丝焊锡连接方式的不足和局限性，如焊锡连接电 路时温度高及卸载时微丝表面带有残余焊锡等因素难以有效控制。

附图说明

图1为本发明的非晶微丝制备态时GMI比值在不同频率下GMI函数随外场的变化曲 线；其中，为GMI比值的在0.1MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为 GMI比值的在1.0MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在7.4MHz 频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在22MHz频率下GMI函数随 外场的变化曲线；

图2为试验一中非晶微丝经过阶梯式电流退火第一步后，GMI比值在不同频率下GMI 函数随外场的变化曲线；其中，为GMI比值的在0.1MHz频率下GMI函数随外场的 变化曲线；为GMI比值的在1.0MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为 GMI比值的在12MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在22MHz 频率下GMI函数随外场的变化曲线；

图3为试验一中非晶微丝经过阶梯式电流退火第二步后，GMI比值在不同频率下GMI 函数随外场的变化曲线；其中，为GMI比值的在0.1MHz频率下GMI函数随外场的 变化曲线；为GMI比值的在1.0MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为 GMI比值的在11MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在22MHz 频率下GMI函数随外场的变化曲线；

图4为试验一中非晶微丝经过阶梯式电流退火第三步后，GMI比值在不同频率下GMI 函数随外场的变化曲线；其中，为GMI比值的在0.1MHz频率下GMI函数随外场的 变化曲线；为GMI比值的在1.0MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为 GMI比值的在7.4MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在22MHz 频率下GMI函数随外场的变化曲线；

图5为试验一中非晶微丝经过阶梯式电流退火第四步后，GMI比值在不同频率下GMI 函数随外场的变化曲线；其中，为GMI比值的在0.1MHz频率下GMI函数随外场的 变化曲线；为GMI比值的在1.0MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为 GMI比值的在16MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在22MHz 频率下GMI函数随外场的变化曲线。

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具有极高巨磁阻抗效应的方法是按以下 步骤进行的：

一、选取表面平滑、直径为45μm微丝、长度20mm的Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B_13.25Nb₁Cu₁非晶微丝，将微丝两端用铜质平头卡具固定，并置于零磁屏蔽空间中进行阻抗测试；

二、完成步骤一阻抗测试后，将微丝与铜质夹具一起连入带有稳恒直流稳压电源的电 路中，进行阶梯式焦耳退火的第一步：退火电流为30～40mA，退火时间为8～10min，完成 后连入阻抗测试电路中进行阻抗测试；

三、完成步骤二阶梯式焦耳退火的第一步后，进行阶梯式焦耳退火第二步，退火电流 为50～60mA，退火时间为8～10min，完成后连入阻抗测试电路中进行阻抗测试；

四、完成步骤三阶梯式焦耳退火的第二步后，进行梯式焦耳退火第三步，退火电流为 70～80mA，退火时间为8～10min，完成后连入阻抗测试电路中进行阻抗测试；

五、完成步骤四阶梯式焦耳退火的第三步后，进行梯式焦耳退火第四步，退火电流为 90～100mA，退火时间为8～10min，完成后连入阻抗测试电路中进行阻抗测试，即完成一种 非晶微丝具有极高巨磁阻抗效应的方法。

本实施方式包括以下有益效果：

1、该方法通过阶梯式电流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内部组织的均匀性、逐步感生周向各向异性，提高磁 导率，易于获得高的GMI性能，与传统焦耳热退火相比，其有效控制焦耳热效应，可在温 度低于晶化温度与居里温度的条件下逐步增大焦耳热，易于改善敏感材料因内部成分不均 匀及表面缺陷而产生的应力过大和局部过热，从而导致微丝晶化和畴壁钉扎现象。

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 及可重复退火等优点，可克服现有非晶微丝焊锡连接方式的不足和局限性，如焊锡连接电 路时温度高及卸载时微丝表面带有残余焊锡等因素难以有效控制。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中退火电流为40mA， 退火时间为10min。其它与具体实施方式一相同。

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：步骤三中退火电流为 60mA，退火时间为10min。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤四中退火电 流为80mA，退火时间为10min。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤五中退火电 流为100mA，退火时间为10min。其它与具体实施方式一至四之一相同。

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具有极高巨磁阻抗效应的方法是按以下步骤进行的：

一、选取表面平滑、直径为45μm微丝、长度20mm的Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B_13.25Nb₁Cu₁非晶微丝，将微丝两端用铜质平头卡具固定，并置于零磁屏蔽空间中进行阻抗测试；

二、完成步骤一阻抗测试后，将微丝与铜质夹具一起连入带有稳恒直流稳压电源的电 路中，进行阶梯式焦耳退火的第一步：退火电流为40mA，退火时间为10min，完成后连入 阻抗测试电路中进行阻抗测试；

三、完成步骤二阶梯式焦耳退火的第一步后，进行阶梯式焦耳退火第二步，退火电流 为60mA，退火时间为10min，完成后连入阻抗测试电路中进行阻抗测试；

四、完成步骤三阶梯式焦耳退火的第二步后，进行梯式焦耳退火第三步，退火电流为 80mA，退火时间为10min，完成后连入阻抗测试电路中进行阻抗测试；

五、完成步骤四阶梯式焦耳退火的第三步后，进行梯式焦耳退火第四步，退火电流为 100mA，退火时间为10min，完成后连入阻抗测试电路中进行阻抗测试，即完成一种非晶 微丝具有极高巨磁阻抗效应的方法。

本发明的非晶微丝制备态时GMI比值在不同频率下GMI函数随外场的变化曲线如图1 所示；其中，为GMI比值的在0.1MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为 GMI比值的在1.0MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在7.4MHz 频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在22MHz频率下GMI函数随 外场的变化曲线；从图1可以看出，在交流电流激励频率为7.4MHz时，微丝的阻抗比值 为：469.6％(H＝-0.9Oe)。

本试验中非晶微丝经过阶梯式电流退火第一步后，GMI比值在不同频率下GMI函数随 外场的变化曲线如图2所示；其中，为GMI比值的在0.1MHz频率下GMI函数随外 场的变化曲线；为GMI比值的在1.0MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在12MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在22 MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；从图2可以看出，(△Z/Z)_max在交流电流激励频 率为12MHz时，在正磁场得到的最大值为540.5％；负磁场时为536.6％。

本试验中非晶微丝经过阶梯式电流退火第二步后，GMI比值在不同频率下GMI函数随 外场的变化曲线如图3所示；其中，为GMI比值的在0.1MHz频率下GMI函数随外 场的变化曲线；为GMI比值的在1.0MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在11MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在22 MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；从图3可以看出，(△Z/Z)_max在交流电流激励频 率为11MHz时，在正磁场得到的最大值为605.4％；负磁场时为604.6％。

本试验中非晶微丝经过阶梯式电流退火第三步后，GMI比值在不同频率下GMI函数随 外场的变化曲线如图4所示；其中，为GMI比值的在0.1MHz频率下GMI函数随外 场的变化曲线；为GMI比值的在1.0MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在7.4MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在22 MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；从图4可以看出，(△Z/Z)_max在交流电流激励频 率为7.4MHz时，在正磁场得到的最大值为654.1％；负磁场时为650.2％。

本试验中非晶微丝经过阶梯式电流退火第四步后，GMI比值在不同频率下GMI函数随 外场的变化曲线如图5所示；其中，为GMI比值的在0.1MHz频率下GMI函数随外 场的变化曲线；为GMI比值的在1.0MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在16MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线；为GMI比值的在22 MHz频率下GMI函数随外场的变化曲线^；从图5可以看出，(△Z/Z)_max在交流电流激励频 率为16MHz时，在正磁场得到的最大值为631.9％；负磁场时为624.6％。

表1为Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B_13.25Nb₁Cu₁非晶微丝经过各个阶段的焦耳退火与玻璃包裹丝 真空焦耳退火后的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

据表1可知，Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B_13.25Nb₁Cu₁非晶微丝的制备态的GMI比值比玻璃包裹 丝制备态的高约50％；Co_68.15Fe_4.35Si_12.25B_13.25Nb₁Cu₁非晶微丝的阶梯式焦耳退火---80mA退 火得到的GMI比值比玻璃包裹丝70mA真空焦耳退火后高约54％。同时，在阶梯式焦耳退 火100mA退火后的GMI比值达到了631.9％与624.6％；响应灵敏度达到了401.0％/Oe与 397.5％/Oe；并具有较大的响应量程-1.5Oe～0/0～1.5Oe。