田 斌，夏 航

武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

巨磁阻抗效應(yīng)（giantm agnetoimpedance effect，GMI）是指軟磁材料的交流阻抗隨外加磁場(chǎng)變化而發(fā)生顯著變化的效應(yīng)。GMI 效應(yīng)的產(chǎn)生原因主要是由于其具有特殊的竹節(jié)狀磁疇結(jié)構(gòu)。采用熔融拉絲法制備玻璃包覆合金微絲過(guò)程中，進(jìn)行快速淬火處理時(shí)，合金微絲的表面先于中心部分凝結(jié)，在圓周方向形成壓縮應(yīng)力，中心部分受牽引力的作用形成軸向張力。在淬火殘余內(nèi)應(yīng)力和退磁能的共同作用下，合金微絲內(nèi)部形成特有的核～殼（core～shell）磁疇結(jié)構(gòu)，也就是所謂的竹節(jié)狀磁疇結(jié)構(gòu)。由于玻璃包覆合金微絲具有靈敏度高、快速響應(yīng)、非接觸、適合低溫等諸多優(yōu)點(diǎn)，很適合將其應(yīng)用到弱磁傳感器的研制上，受到各相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的極大關(guān)注［1-3］。

當(dāng)玻璃包覆合金微絲接入電路后，由于驅(qū)動(dòng)電流頻率過(guò)高，電路會(huì)存在電感和電容效應(yīng)。因此，有研究者會(huì)在元件兩端接入電容和電感，使合金微絲在LC 共振條件下工作，進(jìn)而顯著提高軟磁材料的巨磁阻抗效應(yīng)。 但是，人為接入電容影響了元件的小型化，電極和接地形成的雜散電容又影響了元件的抗干擾性［4-6］。

本文在玻璃包覆合金微絲的玻璃外層，利用磁控濺射方法濺射一層非磁性黃金層，然后在黃金層外電鍍一層CoNi 硬磁層。通過(guò)控制CoNi 鍍層的長(zhǎng)度，一方面讓CoNi 鍍層和合金微絲之間構(gòu)成不同參數(shù)的圓柱形電容，改變LC 共振參數(shù)，探討LC 共振對(duì)微波段復(fù)合結(jié)構(gòu)微絲的巨磁阻抗效應(yīng)的影響；另一方面探討了CoNi 鍍層的長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合微絲磁特性的影響［7-9］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

使用熔融拉絲法制備了具有零磁致伸縮系數(shù)的Co59.1Fe14.8Si10.2B15.9玻璃包覆非晶合金微絲，其中，微絲內(nèi)徑為12 μm，總直徑為25 μm。然后，在玻璃包覆層外用磁控濺射的方法濺射厚度約為300 nm 的黃金層。利用電流密度為12 mA/cm2的電流在黃金鍍層上電鍍Co90Ni10的鍍層，通過(guò)控制電鍍時(shí)間，控制CoNi 鍍層的厚度，制備出CoNi 鍍層厚度為5 μm，總直徑為35 μm 的樣品。截取不同的樣品部位，制備CoNi鍍層長(zhǎng)度L=2，3，4，5 mm，總長(zhǎng)度為5 mm 的GCM/CoNi 微絲。圖1 所示為GCM/CoNi微絲結(jié)構(gòu)圖［10-12］。

圖1 GCM/CoNi微絲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of GCM/CoNi microwire

樣品電阻譜是在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Agilent，model E8362B）中進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量頻率為0.1～14 GHz。測(cè)量阻抗過(guò)程中，外加靜磁場(chǎng)Ha由亥姆赫茲線(xiàn)圈產(chǎn)生，外加靜磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍為0～160 kA/m，外加靜磁場(chǎng)沿著微絲軸向方向［13］。

為了研究雙相磁性微絲的高頻特性，用刀片刮去樣品其中一端的玻璃層、黃金鍍層，用導(dǎo)電銀膠接入電路，樣品另外一端，用導(dǎo)電銀膠直接連接CoNi鍍層進(jìn)入電路，稱(chēng)之為核殼連接（CS）。

2 結(jié)果與討論

2.1 巨磁阻抗效應(yīng)

巨磁阻抗MI由公式（1）計(jì)算［14］：

從GCM/CoNi 微絲的阻抗譜可以計(jì)算出不同CoNi 鍍層長(zhǎng)度下的MI 譜，不同CoNi 鍍層長(zhǎng)度L=2，3，4，5 mm 樣品的MI 譜的最大值分別出現(xiàn)頻率f=4.2，2.8，2.5，1.6 GHz 處?？?以 明 顯 看 出，在CoNi 鍍層和合金微絲之間構(gòu)成的圓柱形電容，隨著CoNi長(zhǎng)度的增加，電容值增加，改變了LC共振的條件，MI最大值對(duì)應(yīng)的頻率逐漸向低頻段移動(dòng)［15-17］。

圖2 顯示的是GCM/CoNi 微絲頻率f=4.2，2.8，2.5，1.6 GHz 時(shí)候的巨磁阻抗曲線(xiàn)。從圖2 中可以看出，MI 最大值比較接近，均為300%～325%之間。但是，CoNi 鍍層長(zhǎng)度為5 mm 樣品的MI 最大值出現(xiàn)在外加磁場(chǎng)為0 kA/m 處，隨著CoNi 鍍層長(zhǎng)度的減小，MI 最大值開(kāi)始向高外磁場(chǎng)移動(dòng)，當(dāng)Co-Ni鍍層長(zhǎng)度為2 mm 時(shí)，MI 的最大值出現(xiàn)在外加磁場(chǎng)為15 kA/m 處。

圖2 不同CoNi鍍層長(zhǎng)度下GCM/CoNi微絲分別在4.2，2.8，2.5，1.6 GHz 處的MI曲線(xiàn)Fig.2 MI curves of GCM /CoNi microwires with different CoNi lengths at 4.2，2.8，2.5 and 1.6 GHz

這是因?yàn)殡S著CoNi 鍍層長(zhǎng)度的增加，合金微絲在CoNi鍍層退磁能的作用下。軸向磁疇體積增加，環(huán)向磁疇體積減小，軸向各向異性場(chǎng)增強(qiáng)。此時(shí)，磁矩在軸向磁場(chǎng)的作用下，很難發(fā)生環(huán)向偏轉(zhuǎn)，磁損耗的峰值出現(xiàn)在外加磁場(chǎng)為0 kA/m 處。當(dāng)CoNi 鍍層長(zhǎng)度為2 mm 時(shí)，此時(shí)，環(huán)向磁疇體積最大，隨著外加磁場(chǎng)增強(qiáng)，磁矩開(kāi)始由環(huán)向逐漸向軸向偏轉(zhuǎn)，當(dāng)外加磁場(chǎng)接近環(huán)向各向異性場(chǎng)的時(shí)候，磁損耗出現(xiàn)峰值，同樣的MI 出現(xiàn)峰值，MI 峰值對(duì)應(yīng)的外加磁場(chǎng)為15 kA/m 處。因此，隨著CoNi鍍層長(zhǎng)度的減小，MI 峰值所對(duì)應(yīng)的外加磁場(chǎng)也逐漸由0 kA/m 增加到15 kA/m。

2.2 鐵磁共振

圖3（a）（b）（c）（d）分別顯示的是CoNi 鍍層長(zhǎng)度L=2，3，4，5 mm 的電阻譜。從圖中可以看出，當(dāng)CoNi 鍍層長(zhǎng)度為2 mm 時(shí)，電阻譜只有1 個(gè)峰FMR0，F(xiàn)MR0 是由于復(fù)合結(jié)構(gòu)微絲的鐵磁共振引起的。隨著CoNi 鍍層長(zhǎng)度的增加，電阻譜逐漸出現(xiàn)兩個(gè)峰FMR0 和FMR1。因此，隨著CoNi 鍍層長(zhǎng)度的增加，CoNi 鍍層和合金微絲構(gòu)成的圓柱形電容值逐漸增加，LC 共振現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致FMR1峰出現(xiàn)。

其次，F(xiàn)MR0 峰值隨著CoNi 鍍層長(zhǎng)度的增加，在高頻段，樣品的阻值逐漸減小。鐵磁共振的主要損耗是磁矩在一定偏轉(zhuǎn)角度下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)引起的。由于CoNi鍍層長(zhǎng)度的增加，環(huán)向磁疇體積減小，磁矩由軸向向環(huán)向偏轉(zhuǎn)較難，大部分磁矩偏離共振位置，只有小部分磁矩處于共振位置，導(dǎo)致?lián)p耗下降。

在微波條件下，由于趨膚效應(yīng)，導(dǎo)致電流主要分布在合金微絲的表面，趨膚深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于合金微絲的直徑，使得鐵磁共振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，合金微絲的鐵磁共振效應(yīng)可以等效于薄膜的鐵磁共振現(xiàn)象。因此，對(duì)于薄膜的Kittel 的共振條件也同樣適用在此處，用來(lái)分析和解釋合金微絲的鐵磁共振現(xiàn)象［18-20］。Kittel公式如式（2）：

其中，fr-鐵磁共振頻率，γ-旋磁比，Ms-飽和磁化強(qiáng)度，Hk-各向異性場(chǎng)。通過(guò)公式（2）可以發(fā)現(xiàn)，由于等效磁場(chǎng)H 等于外加磁場(chǎng)Ha和各向異性場(chǎng)Hk的和，而且外加磁場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各向異性場(chǎng)Hk。因此，用外加磁場(chǎng)Ha代替H+Hk，公式（2）可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為公式（3）：

則當(dāng)鐵磁共振發(fā)生時(shí)，通過(guò)合金微絲的電流頻率的平方與外加磁場(chǎng)近似具有線(xiàn)性關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以估算出合金微絲的飽和磁化強(qiáng)度4πMs 約為12 Gs。

圖4 鐵磁共振峰值點(diǎn)頻率平方和外加磁場(chǎng)關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relationship curves between square of peak frequency of ferromagnetic resonance and applied magnetic field

3 結(jié) 論

通過(guò)測(cè)量GCM/CoNi 核殼連接方式下的樣品的阻抗值，分析發(fā)現(xiàn)：

1）通過(guò)增加復(fù)合結(jié)構(gòu)微絲的CoNi 鍍層長(zhǎng)度，可以增加復(fù)合結(jié)構(gòu)微絲等效電路的電容值，進(jìn)而改變復(fù)合微絲的LC 共振條件，導(dǎo)致MI 最大值所對(duì)應(yīng)的頻率從低頻向高頻段移動(dòng)。

2）通過(guò)分析樣品的MI 曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)CoNi 鍍層長(zhǎng)度的增加，削弱了環(huán)向各向異性場(chǎng)，導(dǎo)致MI 曲線(xiàn)的峰值對(duì)應(yīng)的外場(chǎng)逐漸向低場(chǎng)移動(dòng)。

3）通過(guò)分析樣品的鐵磁共振，發(fā)現(xiàn)CoNi 鍍層長(zhǎng)度的增加，增強(qiáng)了軸向各向異性場(chǎng)，導(dǎo)致鐵磁共振損耗被削弱。