基于钴基非晶微带MI磁敏元件的制作

【摘要】钴基非晶态软磁合金在所有的非晶态材料中具有高磁导率、低矫顽力和近零的饱和磁致伸缩系数等优点,目前已作为一种新型的磁敏材料被广泛应用于磁感传感器、电流传感器、高频开关电源和磁放大器等。尤其是基于钴基非晶态软磁合金的磁感传感器,具有灵敏度高、测量范围大、功耗低和信噪比高的优点,在导航、通讯、地质勘测等领域受到人们的普遍关注。然而,钴基非晶态软磁合金软磁性能与其组分、组织结构等因素密切相关。因此,开展有关组分、组织结构等因素与钴基非晶态软磁合金软磁性能之间关系研究,对优化软磁性能,推进钴基非晶态软磁合金在磁传感器等方面的应用具有重要的理论意义和应用价值。本论文以CoFeSiB合金体系为研究对象,采用感应熔炼炉和真空铸造设备制备非晶微带。研究了铜辊转速、氩气气压等制备工艺以及Mo元素含量与合金微带组织结构和磁学性能之间的关系,并考察了磁场热退火方式对非晶微带磁学性能的影响。此外,本论文以CoFeSiB和(Co0.942Fe0.058)69Si6.4B22.6Mo2非晶合金微带为磁芯,试制MI磁敏感元件,测试了敏感元件在不同驱动频率下对外磁场的响应。制备态的合金微带物相结构和热稳定性分别利用XRD,TEM和DSC等手段进行分析表征；磁场热退火后的合金微带和MI磁敏感元件的磁学性能分别由VSM,直流B-H回线仪和阻抗分析仪测定。得到如下主要结论：(1)采用单辊快淬法制备Co67Fe4Si14.5B14.5非晶微带,其中制备工艺对非晶微带的形貌和磁学特性影响显著。实验发现,铜辊转速越高越有利于形成非晶微带。当铜辊转速为35m/s、氩气压力为20kPa时,所制备的合金微带表面光亮、无毛边且韧性良好,经XRD、TEM等表征为完全非晶态结构。该工艺下制备态的非晶微带具有优异的磁学特性,矫顽力为1.52A/m,饱和磁化强度为61.3emu/g，在1kHz.1A/m条件下有效磁导率为14556。(2)对于(Co0.942Fe0.058)71-xSi6.4B22.6Mox(x=0-5)体系非晶微带,随着Mo元素含量的增加,玻璃转化温度(Tg)和过冷液相区(△Tx)均单调增加,这表明添加Mo元素可以提高合金的非晶形成能力。同时,Mo元素的添加亦对非晶微带的软磁性能影响显著,饱和磁化强度随Mo元素含量的增加单调降低,由x=0时的72.4emu/g降低为x=5时的28.6emu/g。当Mo含量为2%时,制备态非晶微带表现出最为优异的软磁性能,此时矫顽力为1.24A/m,在1kHz、1A/m条件下有效磁导率为7558。(3)研究了热退火方式对Co67Fe4Si14,5B14.5和(Co0.942Fe0.058)69Si6.4B22.6Mo2非晶合金微带软磁性能的影响。与常规热退火相比,磁场热退火对非晶合金微带软磁性能改善更加明显。这是由于在磁场热退火过程中,非晶合金微带不仅释放了制备过程中产生的应力,而且感生磁各向异性。特别是采用纵向磁场退火时,软磁非晶微带中感生磁各向异性轴与微带形状各向异性轴一致,更有利磁化。与制备态相比,经过纵向磁场退火后,Co67Fe4Si14.5B14.5组分的非晶微带,饱和磁化强度和有效磁导率分别为65.917emu/g和15892,分别提高7.7%和9.2%,而矫顽力为0.86A/m,降低43.4%。而对于经过纵向磁场退火的(Co0.942Fe0.058)69Si6.4B22.6MO2非晶微带软磁性能亦显著提高,饱和磁化强度和有效磁导率分别为80.99emu/g和12510,与制备态相比,分别增加40.15%和65.52%；而矫顽力为0.64A/m,减小48.39%。(4)分别以制备态和不同方向磁场热退火后的Co67Fe4Si14.5B14.5和(Co0.942Fe0.058)69Si6.4B22.6Mo2非晶合金微带为磁芯,通过设计的模具灌胶固定磁芯和绕制漆包线制成MI磁敏元件,并测试了MI敏感元件在不同驱动频率下对外磁场的响应。随着频率增加,MI磁敏元件对外磁场响应的灵敏度先增加后降低。磁场退火明显改善了MI磁敏元件的性能,其中以573K纵向磁场热退火后的Co37Fe4Si14.5B14.5非晶合金微带为磁芯的MI磁敏元件对外磁场响应最灵敏,在驱动频率为31kHz时,对外磁场灵敏度达332%/(A·m-1),这与非晶微带软磁性能改善有关。
【作者】李杰；
【导师】林新华；
【作者基本信息】中国科学技术大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】钴基；非晶微带；磁场热退火；磁学性能；MI磁敏元件；

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