CoNi镀层长度对软/硬磁微丝微波磁性的影响

田 斌，夏 航

武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430205

巨磁阻抗效应（giantm agnetoimpedance effect，GMI）是指软磁材料的交流阻抗随外加磁场变化而发生显著变化的效应。GMI 效应的产生原因主要是由于其具有特殊的竹节状磁畴结构。采用熔融拉丝法制备玻璃包覆合金微丝过程中，进行快速淬火处理时，合金微丝的表面先于中心部分凝结，在圆周方向形成压缩应力，中心部分受牵引力的作用形成轴向张力。在淬火残余内应力和退磁能的共同作用下，合金微丝内部形成特有的核～壳（core～shell）磁畴结构，也就是所谓的竹节状磁畴结构。由于玻璃包覆合金微丝具有灵敏度高、快速响应、非接触、适合低温等诸多优点，很适合将其应用到弱磁传感器的研制上，受到各相关领域学者的极大关注［1-3］。

当玻璃包覆合金微丝接入电路后，由于驱动电流频率过高，电路会存在电感和电容效应。因此，有研究者会在元件两端接入电容和电感，使合金微丝在LC 共振条件下工作，进而显著提高软磁材料的巨磁阻抗效应。 但是，人为接入电容影响了元件的小型化，电极和接地形成的杂散电容又影响了元件的抗干扰性［4-6］。

本文在玻璃包覆合金微丝的玻璃外层，利用磁控溅射方法溅射一层非磁性黄金层，然后在黄金层外电镀一层CoNi 硬磁层。通过控制CoNi 镀层的长度，一方面让CoNi 镀层和合金微丝之间构成不同参数的圆柱形电容，改变LC 共振参数，探讨LC 共振对微波段复合结构微丝的巨磁阻抗效应的影响；另一方面探讨了CoNi 镀层的长度对复合微丝磁特性的影响［7-9］。

1 实验部分

使用熔融拉丝法制备了具有零磁致伸缩系数的Co59.1Fe14.8Si10.2B15.9玻璃包覆非晶合金微丝，其中，微丝内径为12 μm，总直径为25 μm。然后，在玻璃包覆层外用磁控溅射的方法溅射厚度约为300 nm 的黄金层。利用电流密度为12 mA/cm2的电流在黄金镀层上电镀Co90Ni10的镀层，通过控制电镀时间，控制CoNi 镀层的厚度，制备出CoNi 镀层厚度为5 μm，总直径为35 μm 的样品。截取不同的样品部位，制备CoNi镀层长度L=2，3，4，5 mm，总长度为5 mm 的GCM/CoNi 微丝。图1 所示为GCM/CoNi微丝结构图［10-12］。

图1 GCM/CoNi微丝结构图Fig.1 Structure diagram of GCM/CoNi microwire

样品电阻谱是在矢量网络分析仪（Agilent，model E8362B）中进行测量，测量频率为0.1～14 GHz。测量阻抗过程中，外加静磁场Ha由亥姆赫兹线圈产生，外加静磁场磁场强度范围为0～160 kA/m，外加静磁场沿着微丝轴向方向［13］。

为了研究双相磁性微丝的高频特性，用刀片刮去样品其中一端的玻璃层、黄金镀层，用导电银胶接入电路，样品另外一端，用导电银胶直接连接CoNi镀层进入电路，称之为核壳连接（CS）。

2 结果与讨论

2.1 巨磁阻抗效应

巨磁阻抗MI由公式（1）计算［14］：

从GCM/CoNi 微丝的阻抗谱可以计算出不同CoNi 镀层长度下的MI 谱，不同CoNi 镀层长度L=2，3，4，5 mm 样品的MI 谱的最大值分别出现频率f=4.2，2.8，2.5，1.6 GHz 处。可 以 明 显 看 出，在CoNi 镀层和合金微丝之间构成的圆柱形电容，随着CoNi长度的增加，电容值增加，改变了LC共振的条件，MI最大值对应的频率逐渐向低频段移动［15-17］。

图2 显示的是GCM/CoNi 微丝频率f=4.2，2.8，2.5，1.6 GHz 时候的巨磁阻抗曲线。从图2 中可以看出，MI 最大值比较接近，均为300%～325%之间。但是，CoNi 镀层长度为5 mm 样品的MI 最大值出现在外加磁场为0 kA/m 处，随着CoNi 镀层长度的减小，MI 最大值开始向高外磁场移动，当Co-Ni镀层长度为2 mm 时，MI 的最大值出现在外加磁场为15 kA/m 处。

图2 不同CoNi镀层长度下GCM/CoNi微丝分别在4.2，2.8，2.5，1.6 GHz 处的MI曲线Fig.2 MI curves of GCM /CoNi microwires with different CoNi lengths at 4.2，2.8，2.5 and 1.6 GHz

这是因为随着CoNi 镀层长度的增加，合金微丝在CoNi镀层退磁能的作用下。轴向磁畴体积增加，环向磁畴体积减小，轴向各向异性场增强。此时，磁矩在轴向磁场的作用下，很难发生环向偏转，磁损耗的峰值出现在外加磁场为0 kA/m 处。当CoNi 镀层长度为2 mm 时，此时，环向磁畴体积最大，随着外加磁场增强，磁矩开始由环向逐渐向轴向偏转，当外加磁场接近环向各向异性场的时候，磁损耗出现峰值，同样的MI 出现峰值，MI 峰值对应的外加磁场为15 kA/m 处。因此，随着CoNi镀层长度的减小，MI 峰值所对应的外加磁场也逐渐由0 kA/m 增加到15 kA/m。

2.2 铁磁共振

图3（a）（b）（c）（d）分别显示的是CoNi 镀层长度L=2，3，4，5 mm 的电阻谱。从图中可以看出，当CoNi 镀层长度为2 mm 时，电阻谱只有1 个峰FMR0，FMR0 是由于复合结构微丝的铁磁共振引起的。随着CoNi 镀层长度的增加，电阻谱逐渐出现两个峰FMR0 和FMR1。因此，随着CoNi 镀层长度的增加，CoNi 镀层和合金微丝构成的圆柱形电容值逐渐增加，LC 共振现象逐渐增强，导致FMR1峰出现。

其次，FMR0 峰值随着CoNi 镀层长度的增加，在高频段，样品的阻值逐渐减小。铁磁共振的主要损耗是磁矩在一定偏转角度下进行运动引起的。由于CoNi镀层长度的增加，环向磁畴体积减小，磁矩由轴向向环向偏转较难，大部分磁矩偏离共振位置，只有小部分磁矩处于共振位置，导致损耗下降。

在微波条件下，由于趋肤效应，导致电流主要分布在合金微丝的表面，趋肤深度远远小于合金微丝的直径，使得铁磁共振现象发生时，合金微丝的铁磁共振效应可以等效于薄膜的铁磁共振现象。因此，对于薄膜的Kittel 的共振条件也同样适用在此处，用来分析和解释合金微丝的铁磁共振现象［18-20］。Kittel公式如式（2）：

其中，fr-铁磁共振频率，γ-旋磁比，Ms-饱和磁化强度，Hk-各向异性场。通过公式（2）可以发现，由于等效磁场H 等于外加磁场Ha和各向异性场Hk的和，而且外加磁场远远大于各向异性场Hk。因此，用外加磁场Ha代替H+Hk，公式（2）可以进一步简化为公式（3）：

则当铁磁共振发生时，通过合金微丝的电流频率的平方与外加磁场近似具有线性关系。根据实验结果分析，可以估算出合金微丝的饱和磁化强度4πMs 约为12 Gs。

图4 铁磁共振峰值点频率平方和外加磁场关系曲线Fig.4 Relationship curves between square of peak frequency of ferromagnetic resonance and applied magnetic field

3 结 论

通过测量GCM/CoNi 核壳连接方式下的样品的阻抗值，分析发现：

1）通过增加复合结构微丝的CoNi 镀层长度，可以增加复合结构微丝等效电路的电容值，进而改变复合微丝的LC 共振条件，导致MI 最大值所对应的频率从低频向高频段移动。

2）通过分析样品的MI 曲线，发现CoNi 镀层长度的增加，削弱了环向各向异性场，导致MI 曲线的峰值对应的外场逐渐向低场移动。

3）通过分析样品的铁磁共振，发现CoNi 镀层长度的增加，增强了轴向各向异性场，导致铁磁共振损耗被削弱。