李文忠, 鄭建龍, 馬 云, 何 佳, 方允樟

(浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江金華 321004)

0 引 言

1997年,Shen等[1]首次在負(fù)磁致伸縮系數(shù)的 CoSiB非晶絲中發(fā)現(xiàn)了巨應(yīng)力阻抗 (GSI)效應(yīng),其應(yīng)力阻抗比可達(dá) 20%,是半導(dǎo)體力敏材料的 6倍以上,此后一直受到各國(guó)研究者的關(guān)注.但是,由于不斷發(fā)展的實(shí)際應(yīng)用需求[2-3],人們?nèi)匀蛔非蟾哽`敏的應(yīng)力傳感器.為了提高巨應(yīng)力阻抗的靈敏度,研究者做了大量的工作:文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì) Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金摻 V進(jìn)行組分調(diào)制獲得巨應(yīng)力阻抗比達(dá)-22.4%;文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì) Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶進(jìn)行溫度退火處理使應(yīng)力阻抗比達(dá) 25%;文獻(xiàn)[6]又通過(guò)對(duì) Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶外加張應(yīng)力電流退火來(lái)改善納米晶的磁導(dǎo)率和磁各向異性,獲得的應(yīng)力阻抗比高達(dá) 350%,是目前所見(jiàn)報(bào)道中采用橫向驅(qū)動(dòng)模式獲得的最大值,顯著提高了應(yīng)力阻抗效應(yīng)的靈敏度.

1998年,楊介信等[7]在研究 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶的巨磁阻抗效應(yīng) (G M I)時(shí)采用了縱向驅(qū)動(dòng)的方法將磁阻抗的靈敏度提高了 1個(gè)數(shù)量級(jí),由于這種方法采用非接觸模式[8],可以有效地避免橫向驅(qū)動(dòng)模式中導(dǎo)線與晶帶之間的接觸電阻及由此產(chǎn)生的焦耳熱損耗,同時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)沿晶帶縱向的磁化場(chǎng),從而影響材料內(nèi)部的磁化狀態(tài),導(dǎo)致其產(chǎn)生較大的磁阻抗效應(yīng).這種方法用于應(yīng)力阻抗效應(yīng) (SI)應(yīng)該能夠獲得更高的靈敏度,但相關(guān)工作至今仍未見(jiàn)報(bào)道.

本研究采用了縱向驅(qū)動(dòng)的方法對(duì) Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶的應(yīng)力阻抗效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)其在納米微晶狀態(tài)下的應(yīng)力阻抗比可達(dá) 650%,應(yīng)力響應(yīng)靈敏度達(dá) 120%/MPa.這種獲得高靈敏的應(yīng)力阻抗效應(yīng)的方法為研發(fā)高靈敏的新型應(yīng)力傳感器提供了一種新途徑.

圖 1 縱向驅(qū)動(dòng)應(yīng)力阻抗效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

1 實(shí) 驗(yàn)

采用單輥快淬的方法制備了寬為 0.4 mm,厚為30μm,成分為 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9的非晶薄帶.截取長(zhǎng) 20 mm的樣品在空氣中分別以 400,500,550,580,620℃退火,保溫 1 h后自然冷卻到室溫,退火過(guò)程中樣品的長(zhǎng)度方向與地磁場(chǎng)平行.用DSC對(duì) Fe基合金薄帶進(jìn)行了熱分析,用 XRD(Cu-kα)對(duì) Fe基合金薄帶進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的分析.在應(yīng)力阻抗測(cè)量過(guò)程中,樣品被放置在一個(gè)直徑為 0.57 mm的驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi),組成一個(gè)等效的阻抗元件,接入 HP4294A型阻抗分析儀進(jìn)行應(yīng)力阻抗測(cè)試,線圈內(nèi)通過(guò) 10 mA的交流驅(qū)動(dòng)電流,在樣品的縱向產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)磁化場(chǎng),驅(qū)動(dòng)頻率從 40 Hz到 20 MHz.圖 1為縱向驅(qū)動(dòng)應(yīng)力阻抗測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖,樣品縱向加載的應(yīng)力范圍為 0～105 MPa,所加載的應(yīng)力由外加不同砝碼提供.定義應(yīng)力阻抗比為

式 (1)中,Z(σ)和 Z(σmax)分別表示在任意外加張應(yīng)力和最大張應(yīng)力時(shí)的阻抗值.定義應(yīng)力阻抗的靈敏度為

式 (2)中:(ΔZ/Z)max為最大應(yīng)力阻抗比;ΔH為應(yīng)力阻抗比曲線的半高寬.

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe基合金薄帶的 XRD分析

圖 2 不同溫度退火后 Fe基合金薄帶的 XRD譜圖

為了說(shuō)明溫度退火后 Fe基合金薄帶微結(jié)構(gòu)對(duì) SI效應(yīng)的影響,圖 2為 Fe基合金薄帶在不同溫度退火 1 h后的 XRD衍射圖譜,其中鑄態(tài)和 400℃之前退火樣品的 XRD圖譜呈現(xiàn)為典型的“饅頭峰”,表明400℃之前退火的樣品仍為非晶態(tài).這個(gè)過(guò)程對(duì)合金薄帶樣品來(lái)說(shuō)是個(gè)內(nèi)應(yīng)力釋放的過(guò)程,SI比鑄態(tài)有明顯的提高.當(dāng)退火溫度達(dá)到 500℃時(shí),在 (110),(200)和 (211)面開(kāi)始出現(xiàn)了α-Fe(Si)晶化峰,SI效應(yīng)得到了進(jìn)一步的升高.當(dāng)退火溫度達(dá)到 550℃時(shí),合金薄帶樣品內(nèi)的 (110)面α-Fe(Si)晶化峰得到進(jìn)一步 增 強(qiáng),由 Scherrer公 式[9]D =0.96λ/(Bcosθ)(其中:λ是 X射線的波長(zhǎng);θ是衍射角;B為衍射峰的半高寬)計(jì)算得,退火溫度從 500～620℃的α-Fe(Si)納米晶粒尺寸為 10～15 nm,晶粒尺寸變化不大,此時(shí)樣品的矯頑力達(dá)到最低值,磁導(dǎo)率達(dá)到一個(gè)峰值,而磁導(dǎo)率直接影響材料的磁阻抗[10]及應(yīng)力阻抗效應(yīng)[11].由圖 2可知,退火溫度在550℃時(shí)具有最顯著的 SI效應(yīng).筆者認(rèn)為當(dāng)退火溫度達(dá)到 550℃時(shí),α-Fe(Si)納米晶相和非晶相存在著較強(qiáng)的磁交換耦合作用,局域的磁晶各向異性平均化,導(dǎo)致其磁導(dǎo)率提高,進(jìn)而使 SI效應(yīng)得到改善.當(dāng)退火溫度為580℃時(shí),α-Fe(Si)晶化峰更加“尖銳”,納米晶相所占的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步地增大,SI效應(yīng)逐漸減弱.當(dāng)退火溫度在 620℃以上時(shí),晶化進(jìn)一步加強(qiáng)并伴隨有硬磁相 Fe2B和 Fe3B的出現(xiàn),導(dǎo)致磁導(dǎo)率的急劇下降,應(yīng)力阻抗效應(yīng)極其微弱,SI值幾乎接近于零.以上結(jié)果表明,退火過(guò)程中 Fe基合金薄帶微結(jié)構(gòu)的變化對(duì)縱向驅(qū)動(dòng) SI效應(yīng)有明顯的影響.

2.2 不同溫度退火 Fe基合金薄帶的 SI效應(yīng)

圖 3為 Fe基合金薄帶在不同溫度退火處理后的縱向驅(qū)動(dòng)應(yīng)力阻抗效應(yīng)曲線.圖 3中,(a),(b),(c),(d)分別代表 Fe基合金薄帶在鑄態(tài)及經(jīng) 500,550,580℃退火 1 h后在驅(qū)動(dòng)頻率為 2.375MHz時(shí)的縱向驅(qū)動(dòng)應(yīng)力阻抗效應(yīng)曲線.

圖 3 Fe基合金薄帶 SI曲線

數(shù)據(jù)顯示樣品在鑄態(tài)下應(yīng)力阻抗比較小,隨應(yīng)力的增加單調(diào)遞減.當(dāng)退火溫度為 500℃時(shí),由于樣品開(kāi)始有納米晶粒析出,軟磁性能得到改善,因而應(yīng)力阻抗比隨之有明顯升高.當(dāng)退火溫度達(dá)到550℃時(shí),非均質(zhì)的納米晶粒逐漸增多,并與樣品內(nèi)部的殘余非晶相達(dá)到一定的比例,此時(shí)樣品的綜合軟磁性能達(dá)到最佳,應(yīng)力阻抗比也達(dá)到最大值 650%.當(dāng)外加應(yīng)力逐漸增加時(shí)應(yīng)力阻抗比呈單調(diào)遞減,這是由于縱向驅(qū)動(dòng)的磁化場(chǎng)與樣品的易磁化方向一致.當(dāng)外加張應(yīng)力時(shí),樣品疇壁的移動(dòng)和磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)受到阻礙,從而導(dǎo)致了有效磁導(dǎo)率的下降,進(jìn)而導(dǎo)致了應(yīng)力阻抗值的下降.當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高達(dá)到 580℃時(shí),樣品中的α-Fe(Si)相納米晶粒逐漸長(zhǎng)大,同時(shí)納米晶粒所占的比例進(jìn)一步增大,導(dǎo)致了有效磁導(dǎo)率的下降,從而使得應(yīng)力阻抗比下降.

磁彈性材料的磁致伸縮系數(shù)對(duì)材料的 SI效應(yīng)有很大的影響,早期 Twarowski等[12]在研究Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金在退火過(guò)程飽和磁致伸縮系數(shù)的變化時(shí)證實(shí):非晶具有較大的正磁致伸縮系數(shù),而α-Fe(Si)納米晶具有負(fù)的磁致伸縮系數(shù),當(dāng)非晶相與納米晶相達(dá)到一定的比例時(shí),飽和磁致伸縮系數(shù)趨于零.由圖 3可知,在縱向驅(qū)動(dòng)模式下,非晶和納米晶樣品的 SI曲線都表現(xiàn)為隨外應(yīng)力的增加而單調(diào)下降,這是因?yàn)?具有正磁致伸縮系數(shù)的材料受到張應(yīng)力時(shí),由于磁化方向和張應(yīng)力方向一致,其外加應(yīng)力相當(dāng)于一個(gè)等效的磁場(chǎng),由于磁彈耦合作用,薄帶內(nèi)部的等效場(chǎng)發(fā)生改變,從而影響自發(fā)磁化,進(jìn)而影響有效磁導(dǎo)率,最終導(dǎo)致非晶和納米晶狀態(tài)下縱向驅(qū)動(dòng) SI曲線隨外應(yīng)力的增加而單調(diào)降低.同時(shí),比較非晶和納米晶狀態(tài)的 SI曲線,明顯看到納米晶時(shí) SI曲線隨應(yīng)力下降的趨勢(shì)比較快,在較小的應(yīng)力范圍內(nèi)就達(dá)到飽和,這是由于對(duì)于正磁致伸縮系數(shù)材料而言,當(dāng)樣品受到張應(yīng)力時(shí),由于磁化方向和張應(yīng)力方向一致,其外加應(yīng)力相當(dāng)于一個(gè)等效的磁場(chǎng),由于非晶態(tài)樣品的磁致伸縮系數(shù)比較大,當(dāng)施加一個(gè)較大的張應(yīng)力時(shí)可以等效為施加一個(gè)比較小的外磁場(chǎng).因此,鑄態(tài) Fe基合金薄帶的 SI曲線隨應(yīng)力的下降趨勢(shì)比較緩慢.與此相反,納米晶樣品的磁致伸縮系數(shù)比較小,樣品軸向施加一較小的應(yīng)力時(shí)可以等效為施加了一個(gè)比較大的磁場(chǎng),因而其 SI曲線隨應(yīng)力的下降趨勢(shì)比較快,在較小的應(yīng)力范圍內(nèi)就達(dá)到飽和,應(yīng)力響應(yīng)靈敏度較高.

圖 4 最大應(yīng)力阻抗比與退火溫度的關(guān)系

為了說(shuō)明退火溫度對(duì) Fe基合金薄帶 SI的影響,圖 4顯示 Fe基合金薄帶樣品在鑄態(tài)和經(jīng) 400,500,550,580,620℃退火 1 h的最大應(yīng)力阻抗比隨退火溫度的變化關(guān)系.開(kāi)始時(shí)應(yīng)力阻抗比隨退火溫度的升高而增大,當(dāng)退火溫度達(dá)到 550℃時(shí),應(yīng)力阻抗比達(dá)到最大值,之后隨著退火溫度的升高應(yīng)力阻抗比隨之下降.上述結(jié)果表明:樣品在退火過(guò)程中納米晶的生長(zhǎng)對(duì)材料縱向磁結(jié)構(gòu)有很大的影響,同時(shí)材料的綜合軟磁性能與縱向驅(qū)動(dòng)應(yīng)力阻抗效應(yīng)有密切的關(guān)系.

2.3 Fe基合金薄帶 SI效應(yīng)與頻率的關(guān)系

圖 5 Fe納米晶薄帶應(yīng)力靈敏度隨頻率變化關(guān)系

通常認(rèn)為 SI效應(yīng)與材料的磁導(dǎo)率、磁致伸縮系數(shù)以及磁趨膚深度有關(guān),當(dāng)磁彈性材料受到張應(yīng)力作用時(shí),材料發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變.由于磁彈耦合的作用,材料內(nèi)部的等效磁場(chǎng)發(fā)生改變,從而影響自發(fā)磁化,導(dǎo)致了磁導(dǎo)率的改變,同時(shí)由于驅(qū)動(dòng)頻率的變化,進(jìn)而影響趨膚深度δ=磁導(dǎo)率)的變化,最終影響到 SI效應(yīng)的改變.圖 5為Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶在 550℃退火納米晶狀態(tài)下應(yīng)力響應(yīng)靈敏度隨頻率的變化關(guān)系.應(yīng)力響應(yīng)靈敏度ξ由方程 (2)計(jì)算可得.開(kāi)始時(shí)由于趨膚效應(yīng)不明顯,應(yīng)力響應(yīng)靈敏度隨頻率的增加而增加,在驅(qū)動(dòng)頻率f=2.375 MHz時(shí)應(yīng)力響應(yīng)靈敏度達(dá)到最大值ξ=120%/MPa,并隨頻率的進(jìn)一步增大而快速降低.在頻率 f≤2.375 MHz時(shí),應(yīng)力響應(yīng)靈敏度隨頻率迅速增加,可能是由于 Fe基納米晶薄帶疇壁的移動(dòng)和磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng),從而導(dǎo)致應(yīng)力阻抗增加的幅度大于其應(yīng)力各向異性的增加.相反,當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率 f≥2.375MHz時(shí),由于趨膚效應(yīng)抑制著疇壁的移動(dòng),SI效應(yīng)主要由旋轉(zhuǎn)磁化引起,應(yīng)力阻抗的降低并伴隨著應(yīng)力各向異性的增加,從而導(dǎo)致靈敏度的快速下降.

3 結(jié) 論

采用縱向驅(qū)動(dòng)模式可以獲得較橫向驅(qū)動(dòng)模式更為顯著的 SI效應(yīng),這為研發(fā)高靈敏的應(yīng)力傳感器提供了一種新途徑.退火溫度可以明顯地改善 Fe基合金薄帶的 SI效應(yīng).經(jīng) 550℃退火 1 h的樣品,在驅(qū)動(dòng)頻率為 2.375 MHz時(shí),應(yīng)力阻抗比和應(yīng)力響應(yīng)靈敏度分別達(dá)到最大值 650%和 120%/MPa,可能是由于退火過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力的釋放以及非晶和納米晶達(dá)到一定比例后兩者特殊的磁彈耦合作用所致.

[1]Shen L P,Uchiyama T,Mohri K,et al.Sensitive stress-impedance micro sensor using amorphous magmetostritive wire[J].IEEE TransMagn,1997,33(5):3355-3357.

[2]Mohri K,Uchiyama T,ShenL P,et al.Amorphouswire and CMOS IC-based sensitive micro-magnetic sensors(M I sensor and SI sensor)for intelligentmeasurements and controls[J].J MagnMagnMater,2002,249(1/2):351-356.

[3]Kusumoto D,ShenL P,Naruse Y,et al.Detection of finger-tip blood vesselpulsation usingCoSiB thin amouphouswire CMOS-I C SI sensor[J].IEEE TransMagn,1999,35(5):4115-4117.

[4]Hu Jifan,Qin Hongwei,Chen Juan,et al.Giant stress-impedance effect in Fe73.5CuNb3-xVxSi13.5B9amorphous ribbons[J].JMagnMagnMater,2003,266(3):290-295.

[5]LiDeren,Lu Zhichao,Zhou Shaoxiong.Giant stress-impedance effect in amorphous and thermally annealed Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9ribbons[J].SensActuatorsA,2003,109(1/2):68-71.

[6]LiD R,Lu Z C,Zhou S X.Magnetic anisotropy and stress-impedance effect in Joule heated Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9ribbons[J].J Appl Phys,2004,95(1):204-207.

[7]楊介信,楊燮龍,陳國(guó),等.一種新型的縱向驅(qū)動(dòng)巨磁致阻抗效應(yīng)[J].科學(xué)通報(bào),1998,43(10):1051-1053.

[8]Wang Z C,Gong F F,Yang X L,et al.Longitudinally driven giantmagnetoimpedance effect in stress-annealed Fe-based nanocrystalline ribbons[J].J Appl Phys,2000,87(9):4819-4821.

[9]CullityB D.Element of X-ray diffraction[M].2nd ed.Reading,Mass:Addison-Wesley,1978:102.

[10]PhanM H,Peng H X,W isnomM R,et al.Effectof annealingon the microstructure andmagnetic propertiesof Fe-based nanocompositematerials[J].Composites:PartA,2006,37(2):191-196.

[11]BayriN,Atalay S.Giant stress-impedance effect in Fe71Cr7Si9B13amorphouswires[J].Journal ofAlloys and Compounds,2004,381(1/2):245-249.

[12]Twarowski K,KuimiiiskiM,Siawska-Waniewsha A,et al.Magnetostriction and its temperature dependence in FeCuNbSiB nanocrystalline alloy[J].J MagnMagnMater,1995,150(1/2):85-92.