王宗篪，曾藝秀

(三明學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建三明 365004)

0 引言

巨磁阻抗效應(yīng)(giant magneto－impedance effect，簡(jiǎn)稱GMI)是指在外磁場(chǎng)的作用下，軟磁材料的交流阻抗發(fā)生比較明顯變化的現(xiàn)象［1］.巨磁阻抗效應(yīng)可分為橫向驅(qū)動(dòng)和縱向驅(qū)動(dòng)兩種.橫向驅(qū)動(dòng)，交變電流從樣品中流過(guò)，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁化場(chǎng)對(duì)絲狀樣品來(lái)說(shuō)是環(huán)向的，對(duì)薄膜或者條帶樣品來(lái)說(shuō)是橫向的.縱向驅(qū)動(dòng)，是把樣品放在長(zhǎng)螺線管線圈中，交變電流從線圈通過(guò)，從而對(duì)條帶樣品產(chǎn)生縱向的驅(qū)動(dòng)磁化場(chǎng)［2］.

近年來(lái)，人們?cè)跍y(cè)量電路中并入了電容或在軟磁材料中加入絕緣層構(gòu)造電容，組成了LC共振回路，在共振的頻率附近出現(xiàn)了顯著的GMI共振增強(qiáng)［3－9］.研究其LC共振型GMI效應(yīng)現(xiàn)象和規(guī)律，有助于開(kāi)發(fā)新的LC電路共振器件，這將在調(diào)制、解調(diào)、濾波、振蕩等自動(dòng)控制電路得到廣泛應(yīng)用.

石英晶體振蕩器的Q值很高，其頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10－6量級(jí)，因此石英晶體振蕩器得到了廣泛應(yīng)用.石英晶體振蕩器的等效電路如圖1所示，它有兩個(gè)固有諧振頻率，串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp，石英晶體振蕩器的電抗特性如圖2所示［10］.本工作把含鈷基非晶帶電感線圈與電容Cs串聯(lián)再與電容Cp并聯(lián)，組成仿石英晶體振蕩電路，如圖3所示.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含鈷基非晶帶線圈LC振蕩電路(以下稱為仿石英晶體振蕩電路)有3個(gè)固有諧振頻率，一個(gè)串聯(lián)諧振頻率fs，另一個(gè)并聯(lián)諧振頻率fp，還有第3個(gè)諧振頻率ft.當(dāng)外磁場(chǎng)加在鈷基非晶帶上時(shí)，仿石英晶體振蕩電路兩個(gè)諧振頻率fs和fp都隨著外磁場(chǎng)的增大而向高頻移動(dòng)，第3諧振頻率ft基本不隨外磁場(chǎng)變化.根據(jù)鈷基非晶帶在交流磁化下的磁滯損耗和巨磁阻抗效應(yīng)，解釋了上述現(xiàn)象.

圖1 石英晶體振蕩器的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of quartz crystal oscillator

圖2 石英晶體振蕩器的電抗特性Fig.2 Reactance characteristics of quartz crystal oscillator

圖3 仿石英晶體振蕩電路Fig.3 Bionic quartz crystal oscillation circuit

1 實(shí)驗(yàn)

鈷基非晶帶 Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15是由單輥快淬法制備而成，樣品長(zhǎng)為 4 cm，寬 1.8 mm，厚 25 μm，采用PANalytical公司生產(chǎn)的型號(hào)為X’Pert PRO的X射線衍射儀(XRD)來(lái)測(cè)定樣品的結(jié)構(gòu).用110 μm的銅漆包線在長(zhǎng)4 cm、直徑2 mm的玻璃管上密繞200匝構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)螺線管，把樣品放入螺線管內(nèi)，組成一個(gè)電感L的線圈.當(dāng)螺線管通有交變電流時(shí)，對(duì)鈷基非晶帶產(chǎn)生一個(gè)交流縱向驅(qū)動(dòng)磁化場(chǎng).把放有鈷基非晶帶的線圈與電容Cs=2×10－3μF串聯(lián)再與電容Cp=4×10－4μF并聯(lián)，組成仿石英晶體振蕩電路，如圖3所示.把含鈷基非晶帶線圈置于Helmholtz線圈中心，Helmholtz線圈通以直流電流，產(chǎn)生直流外磁場(chǎng)范圍為0～1 712 A·m－1，磁場(chǎng)的方向與螺線管軸向平行，且與地磁場(chǎng)垂直，測(cè)量在室溫下進(jìn)行，通過(guò)螺線管的驅(qū)動(dòng)電流保持i=5 mA.

實(shí)驗(yàn)采用日置公司生產(chǎn)的3535LCRHITESTER測(cè)量?jī)x，該儀器的頻率測(cè)試范圍是0.1～120 MHz，可以測(cè)量的物理量包括電路中阻抗Z、電抗X、電阻R和阻抗角θ等.

2 結(jié)果與討論

圖4為Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15條帶樣品的XRD 圖譜.從圖4可見(jiàn)，XRD 譜線不存在尖銳的晶態(tài)相衍射峰，僅在2θ≈46°存在一個(gè)連續(xù)寬化的漫散峰，證實(shí)樣品結(jié)構(gòu)為完全的非晶態(tài).由于非晶態(tài)合金中沒(méi)有晶粒間界、位錯(cuò)、滑移和空穴等晶態(tài)中固有的缺陷，則它具有高硬度、高韌性和優(yōu)異的軟磁特性，因此，鈷基非晶合金軟磁材料具有顯著的巨磁阻抗效應(yīng).

2.1 在未加外磁場(chǎng)情況

在未加外磁場(chǎng)時(shí)，用日置公司生產(chǎn)的3535LCRHITESTER測(cè)量?jī)x分別測(cè)出仿石英晶體振蕩電路的阻抗角θ的頻譜、電抗X的頻譜和阻抗Z的頻譜，分別如圖5、圖6和圖7所示.

仿石英晶體振蕩電路的阻抗角θ=0°或電抗X=0 Ω時(shí)，表示電路處于諧振狀態(tài).由圖5和圖6可見(jiàn)，θ=0°對(duì)應(yīng)阻抗角頻譜曲線有3點(diǎn)，即仿石英晶體振蕩電路有3個(gè)固有諧振點(diǎn)，它們的固有諧振頻率分別為852.4 kHz、1.762和4.546 MHz.又由圖7可看出，第一個(gè)諧振頻率對(duì)應(yīng)阻抗是極小值，第2個(gè)諧振頻率對(duì)應(yīng)的阻抗是極大值，所以第一個(gè)諧振頻率fs=852.4 kHz是串聯(lián)諧振頻率，第2個(gè)諧振頻率fp=1.762 MHz是并聯(lián)諧振頻率.與石英晶體LC振蕩電路有2個(gè)固有諧振頻率不同，仿石英晶體振蕩電路還存在第3個(gè)固有諧振頻率ft=4.546 MHz.由圖7可見(jiàn)，第3個(gè)諧振頻率對(duì)應(yīng)阻抗也是極小值，因此第3個(gè)諧振點(diǎn)也是屬于串聯(lián)諧振.

圖 4 Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15 非晶帶 X 射線衍射圖Fig.4 XRD pattern of Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15 amorphous ribbons

圖5 仿石英晶體振蕩電路的阻抗角θ隨頻率的變化關(guān)系Fig.5 Frequency dependence of impedance angle θ for bionic quartz crystal oscillation circuit

圖6 仿石英晶體振蕩電路的電抗X隨頻率的變化關(guān)系Fig.6 Frequency dependence of reactance X for bionic quartz crystal oscillation circuit

圖7 仿石英晶體振蕩電路的阻抗Z隨頻率的變化關(guān)系Fig.7 Frequency dependence of impedance Z for bionic quartz crystal oscillation circuit

對(duì)于石英晶體振蕩電路(見(jiàn)圖1)的等效復(fù)阻抗:

當(dāng)阻抗角θ=0°時(shí)電路發(fā)生諧振，這時(shí)復(fù)阻抗的虛部等于零:

整理得:

由于石英振蕩器等效電路中的Rs與振蕩頻率無(wú)關(guān)且很小，可忽略，所以上式可化為:

從而可以得出石英振蕩器的兩個(gè)諧振頻率:

對(duì)于仿石英晶體振蕩電路(見(jiàn)圖3所示)中的Rs，主要是由含鈷基非晶帶線圈等效電阻決定的，它是交變電流通過(guò)含鈷基非晶帶線圈所產(chǎn)生交變磁場(chǎng)對(duì)鈷基非晶帶起到交流磁化從而產(chǎn)生磁滯損耗，磁滯損耗以電阻形式體現(xiàn)在Rs上.實(shí)驗(yàn)測(cè)量了含鈷基非晶帶線圈等效電阻隨交變驅(qū)動(dòng)電流頻率的變化關(guān)系，如圖8所示.從圖8中可看出，Rs是頻率f的函數(shù)，當(dāng)f≤fp時(shí)，鈷基非晶帶交流磁化引起的磁滯損耗隨頻率增大而增大，在并聯(lián)諧振頻率fp=1.762 MHz附近的磁滯損耗達(dá)到最大.當(dāng)f＞fp時(shí)，鈷基非晶帶交流磁化引起的磁滯損耗隨著頻率增大而減小，在第3諧振頻率處ft=4.546 MHz的磁滯損耗很小且隨頻率增大基本趨于一定值.這是由于鈷基非晶帶的易磁化軸沿條帶縱向，交變電流通過(guò)長(zhǎng)螺線管線圈產(chǎn)生了縱向磁化場(chǎng)，當(dāng)f≤fp，交流磁化場(chǎng)頻率處于中低頻的情況下，鈷基非晶帶在縱向驅(qū)動(dòng)的交流磁化主要以疇壁移動(dòng)為主，磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)為次，隨著縱向磁化場(chǎng)頻率增大疇壁移動(dòng)的磁滯損耗增加.當(dāng)f＞fp時(shí)，隨著磁化場(chǎng)頻率增大，在縱向驅(qū)動(dòng)場(chǎng)磁化下鈷基非晶帶的趨膚效應(yīng)變強(qiáng)以及渦流增大，疇壁移動(dòng)被渦流所阻滯增強(qiáng)，疇壁移動(dòng)磁化減弱，磁化過(guò)程以磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)為主，磁滯損耗隨頻率增大而減小，當(dāng)f≥ft(第3諧振頻率為4.546 MHz)時(shí)，交流磁化場(chǎng)頻率處于高頻的情況下，鈷基非晶帶疇壁移動(dòng)被渦流完全阻滯，磁滯損耗最小并且基本趨于一定值.由于鈷基非晶帶交流磁化引起的磁滯損耗與磁化場(chǎng)的頻率有關(guān)，則Rs是頻率的函數(shù)，從式(3)不能簡(jiǎn)化為式(4).因此，鈷基非晶帶交流磁化的磁滯損耗導(dǎo)致Rs=Rs(f)，是仿石英晶體振蕩電路比石英晶體振蕩電路多出一個(gè)固有諧振頻率的原因.

圖8 含鈷基非晶帶線圈等效電阻隨驅(qū)動(dòng)電流頻率的變化關(guān)系Fig.8 Driving current frequency dependence of equivalent resistance Rsfor the inductance coil which containing Co－based amorphous ribbons

2.2 外磁場(chǎng)對(duì)仿石英晶體振蕩電路諧振頻率的影響

直流電流通過(guò)Helmholtz線圈產(chǎn)生的外磁場(chǎng)作用于鈷基非晶帶上，用日置公司生產(chǎn)的3535LCRHITESTER測(cè)量?jī)x分別測(cè)出仿石英晶體振蕩電路的3個(gè)諧振頻率和Rs隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系，分別如圖9、圖10所示.

圖9 仿石英晶體振蕩電路的諧振頻率隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系Fig.9 Field dependence of resonant frequencies for the bionic quartz crystal oscillation circuit

圖10 3個(gè)諧振頻率下含鈷基非晶帶線圈等效電阻隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系Fig.10 Field dependence of equivalent resistance for the bionic quartz crystal oscillation circuit under three inherent resonant frequencies

圖9是外磁場(chǎng)作用在鈷基非晶帶上時(shí)仿石英晶體振蕩電路諧振頻率隨外磁場(chǎng)的變化情況.從圖9可以看出，仿石英晶體振蕩電路的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率均發(fā)生了磁致頻移，串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp均隨外磁場(chǎng)的增大往高頻移動(dòng)，仿石英晶體振蕩電路的第3個(gè)諧振頻率不隨外磁場(chǎng)變化.

圖10是仿石英晶體振蕩電路分別在3個(gè)諧振頻率的交流磁化下含鈷基非晶帶線圈的磁滯損耗等效電阻Rs隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系.從圖10中可見(jiàn)，在串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp的交流磁化下，含鈷基非晶帶線圈的磁滯損耗等效電阻Rs隨外磁場(chǎng)的增大而迅速減小并達(dá)到飽和.這是因?yàn)橥獯艌?chǎng)抑制鈷基非晶帶的交流磁化，也抑制鈷基非晶帶的磁滯損耗，因此外磁場(chǎng)增大Rs迅速減小直至飽和.

從圖10中還可看出，在第3個(gè)諧振頻率ft的交流磁化下，含鈷基非晶帶線圈的磁滯損耗等效電阻Rs隨外磁場(chǎng)的增大并不改變，且Rs≈5.6 Ω.由圖8可知，Rs≈5.6 Ω對(duì)應(yīng)的頻率是ft=4.546 MHz，因?yàn)镽s不隨外磁場(chǎng)改變，其對(duì)應(yīng)的第3個(gè)諧振頻率也不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的變化而發(fā)生改變.這是由于在第3個(gè)諧振頻率ft的交流磁化下，鈷基非晶帶的疇壁移動(dòng)被渦流所阻滯，外磁場(chǎng)抑制鈷基非晶帶疇壁移動(dòng)磁化作用甚微，使得磁滯損耗隨著外磁場(chǎng)沒(méi)有變化.由于第3個(gè)諧振頻率是鈷基非晶帶交流磁化磁滯損耗引起的，第3個(gè)諧振頻率在外磁場(chǎng)作用下不發(fā)生磁致頻移.

綜上所述，在外磁場(chǎng)作用下，仿石英晶體振蕩電路的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率發(fā)生磁致頻移，而第3個(gè)諧振頻率不發(fā)生磁致頻移.

3 結(jié)語(yǔ)

1)把含鈷基非晶帶電感線圈與電容Cs串聯(lián)再與Cp并聯(lián)，組成仿石英晶體振蕩電路，與石英晶體振蕩電路有2個(gè)固有諧振頻率不同，仿石英晶體振蕩電路有3個(gè)固有諧振頻率，一個(gè)串聯(lián)諧振頻率fs，另一個(gè)并聯(lián)諧振頻率fp，還有第3個(gè)諧振頻率ft.鈷基非晶帶交流磁化的磁滯損耗與磁化頻率有關(guān)，是導(dǎo)致仿石英晶體振蕩電路出現(xiàn)第3個(gè)諧振頻率的主要原因.

2)仿石英晶體振蕩電路的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率均隨外磁場(chǎng)增大往高頻變化，即發(fā)生磁致頻移，第3個(gè)諧振頻率則不隨外磁場(chǎng)變化.鈷基非晶帶磁化的巨磁阻抗效應(yīng)是仿石英晶體振蕩電路的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率出現(xiàn)磁致頻移的原因.仿石英晶體振蕩電路在第3個(gè)諧振頻率下鈷基非晶帶磁化的磁滯損耗等效電阻Rs不隨外磁場(chǎng)改變，是仿石英晶體振蕩電路的第3諧振頻率不發(fā)生磁致頻移的原因.

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