柔性FeCoSiB非晶磁弹性薄膜应力阻抗效应研究

论文摘要

FeCoSiB薄膜具有优良的磁弹性能及应力阻抗效应(SI),利用SI效应可制备应力传感器,而将FeCoSiB薄膜沉积在柔性基底制备的传感器可以广泛应用于异形表面等特殊形状物体的应力监测与控制。本文针对FeCoSiB薄膜材料的应力阻抗效应,理论上从微磁学出发,建立FeCoSiB/金属/FeCoSiB三层膜的微磁学模型,通过联立求解LLG方程和Maxwell方程,推导出应力作用下FeCoSiB薄膜有效磁导率,得到FeCoSiB/金属/FeCoSiB的应力阻抗效应。利用该模型研究了磁性层和导电层厚度、导电层电导率、磁性薄膜饱和磁化强度、测试频率等对三层膜应力阻抗性能的影响;实验上采用DC磁控溅射法在柔性基底上制备FeCoSiB单层和FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层薄膜,研究了工艺条件对薄膜应力阻抗效应的影响。理论计算结果表明,随着磁性层厚度、磁性层M_s及金属电导率的增大,多层膜的应力阻抗效应逐渐增大。因此,要获得明显的应力阻抗效应,可以通过增大多层膜磁性层的厚度,提高薄膜的饱和磁化强度M_s,中间层使用电导率高的材料等途径。同时测试频率对应力阻抗效应影响显著,应力阻抗效应随测试频率的增大而先增加后降低。实验研究结果表明,溅射气压对FeCoSiB单层薄膜的成分和应力阻抗效应影响很大,1.5Pa可以得到最大的SI效应,在测试频率为25MHz时,最大SI值可达7.6%;溅射过程中较强的横向偏置磁场可形成较强的感生磁各向异性,从而显著提高薄膜的应力阻抗效应。在25MHz测试频率下,弱偏置磁场(65 Oe)的柔性FeCoSiB单层薄膜的SI值达4.0%,而强偏置磁场(1000 Oe)时的SI值可达7.6%。对于柔性FeCoSiB/Cu/FeCoSiB三层膜,弱偏置磁场(65 Oe)的非晶FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层薄膜的SI值达1.75%,而强偏置磁场(1000 Oe)时的SI值可达6.61%。磁性层和导电层厚度对SI效应有较大影响。FeCoSiB层厚度保持2μm,当Cu层厚度为1.0μm时,最大应力阻抗效应达到6.61%左右,而当Cu层厚度降至0.5μm时,最大应力阻抗效应降至1.62%;Cu层厚度保持1μm,当FeCoSiB层厚度为2.0μm时,最大应力阻抗效应达6.61%,当FeCoSiB薄膜的厚度降至1.0μm时,最大应力阻抗效应达到5.03%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 非晶磁弹性材料的应力阻抗效应理论研究
• 1.2.2 磁弹性材料的特性研究
• 1.2.3 磁弹性薄膜在应力阻抗传感器方面的应用
• 1.3 论文选题及研究内容
• 第二章 FeCoSiB多层膜应力阻抗效应模拟
• 2.1 多层膜巨磁阻抗效应模型
• 2.2 FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜应力阻抗效应模型的建立
• 2.2.1 等效场的确定
• 2.2.2 高频等效磁导率的求解
• 2.3 应力阻抗效应的计算
• 2.4 小结
• 第三章 柔性FeCoSiB非晶薄膜的制备
• 3.1 磁控溅射方法
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 样品的制备
• 3.2.2 样品的表征
• 3.2.3 FeCoSiB薄膜横向磁场处理
• 3.2.4 FeCoSiB薄膜的图形化的设计
• 第四章 柔性FeCoSiB非晶磁弹性薄膜单层膜的应力阻抗效应
• 4.1 溅射气压对FcCoSiB薄膜成分的影响
• 4.2 FcCoSiB薄膜的相结构
• 4.3 溅射气压对应力阻抗效应的影响
• 4.4 不同偏置磁场对磁性能及应力阻抗效应的影响
• 4.5 膜厚对应力阻抗效应的影响
• 4.6 测试频率对应力阻抗效应的影响
• 4.7 小结
• 第五章 FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜的应力阻抗效应
• 5.1 三层膜的制备
• 5.2 研究结果与讨论
• 5.2.1 测试频率对应力阻抗效应的影响
• 5.2.2 磁性层与导电层厚度对应力阻抗效应的影响
• 5.2.3 偏置磁场对应力阻抗效应的影响
• 5.3 小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间所取得的研究成果