CN113981334B - 具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构及其传感应用 - Google Patents

具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构及其传感应用 Download PDF

Info

Publication number
CN113981334B
CN113981334B CN202111288100.5A CN202111288100A CN113981334B CN 113981334 B CN113981334 B CN 113981334B CN 202111288100 A CN202111288100 A CN 202111288100A CN 113981334 B CN113981334 B CN 113981334B
Authority
CN
China
Prior art keywords
amorphous wire
planar structure
magnetic impedance
planar
amorphous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111288100.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113981334A (zh
Inventor
秦发祥
朱子豪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202111288100.5A priority Critical patent/CN113981334B/zh
Publication of CN113981334A publication Critical patent/CN113981334A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113981334B publication Critical patent/CN113981334B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C45/00—Amorphous alloys
    • C22C45/04—Amorphous alloys with nickel or cobalt as the major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/525—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length for wire, for rods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/063—Magneto-impedance sensors; Nanocristallin sensors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Soft Magnetic Materials (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构及其传感应用，属于电子器件和射频技术领域。具体将经过10min、30mA电流退火后Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3磁性微丝在PLA骨架上绕制成平面螺旋结构并用双面胶固定以防止微丝构型的破坏；倒扣在微带线阻抗测试所使用的PCB上，去除两端玻璃层并用数字万用表确定能够导通后，用银胶固定在PCB的铜带上，进行GMI性能的测试。本发明设计的平面螺旋结构能够极大地增强非晶丝的GMI性能及磁场灵敏度，且制备方法简单、结构可控，符合实际应用需求，在生物传感、地磁测量等技术领域具有巨大应用潜力。

Description

具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构及其传感应用
技术领域
本发明属于电子器件设计和射频技术领域，具体涉及的是一种具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构及其传感应用。
背景技术
随着21世纪信息技术的快速发展，电子传感器件不断向小型化、集成化发展，并且其灵敏度、探测范围、稳定性、成本及功耗需要进一步优化。自1992年日本名古屋大学的Mohri等人在CoFeB软磁非晶丝中发现巨磁阻抗(giant magneto-impedance,GMI)效应以来，其磁场灵敏度高、尺寸小、响应速度快及功耗低的优势使其在弱磁探测中具有广阔的应用前景。在军事领域，为满足在全球定位系统(GPS)信号较弱区域实现方向的精确导向的需求，基于GMI效应的地磁导航系统因其弱磁场敏感的特点极具发展潜力。而在医学领域，免疫磁珠技术的出现使得GMI效应应用于生物分子探测成为可能。因此，如何提高材料的GMI响应及磁场灵敏度成为其迈向应用的关键技术问题。
较于传统的成分调控、退火工艺等方式来提高材料的GMI性能，宏观的构型设计因其工艺简单、高度可控、性能提升显著等优点，使其更适合作为磁敏感单元应用到传感技术中。并且这种构型设计实现了GMI性能的进一步突破，其超高的磁场灵敏度使其在弱磁场探测中的抗干扰能力大大增强，为提高GMI性能提供了新思路，在地磁导航及生物传感方面具有重要应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构及其传感应用。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构，其中，将非晶丝以平面等距螺旋的形式绕制，导通后得到具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构。
作为优选，所述非晶丝的成分为Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3。
作为优选，所述非晶丝的直径为30μm。
作为优选，所述平面等距螺旋为圆蚊香型结构或方蚊香型结构。
作为优选，所述非晶丝的绕制匝数为3.5匝。
作为优选，所述非晶丝是用Taylor-Ulitovsky法制备玻璃包覆非晶丝并对其进行退火后所得。
进一步的，所述退火工艺为焦耳退火，退火参数为30mA、10min。
作为优选，所述非晶丝绕制于十字型聚乳酸PLA骨架上，PLA骨架通过3D打印技术制备得到。
进一步的，所述PLA骨架的四臂上均分布有用于固定非晶丝的等间距凹槽。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面任一所述非晶丝平面结构在传感领域的应用。
上述非晶丝平面结构可以采用如下方法制备：
S1：用3D打印技术制备用于实现Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3非晶丝的构型设计的聚乳酸PLA十字形骨架；
S2：以绕制的方法实现非晶丝构型的形成，并通过控制磁性微丝平面螺旋型的绕制匝数，得到具有超高GMI性能的非晶丝宏观结构；
S3：用Taylor-Ulitovsky法制备玻璃包覆非晶丝，随后将制备得到的Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3非晶丝在30mA的直流电下退火10min。
S4：将得到的非晶丝绕制在PLA骨架上，倒扣后用胶带固定，磨去两端玻璃包覆层并确认导通后，用导电银胶与PCB上的微带相连接并进行阻抗测试。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)本发明在非晶丝自身性能难以突破的背景下，利用材料-结构一体化的设计思路，用平面等距螺旋的结构实现了非晶丝性能的大幅提升。
2)本发明利用微带线本身存在的寄生电容效应，通过平面等距螺旋的结构引入电感，实现LC谐振回路的构筑，具有较好的集成兼容性。
3)本发明通过高频下非晶丝铁磁共振与结构产生的LC谐振的谐振耦合效应，实现了磁阻抗比(ΔZ/Z)及磁场灵敏度(ξ)进一步突破。其中3.5匝的平面螺旋型结构的非晶丝的磁阻抗比达到43000％，磁场灵敏度达到6300％/Oe。结合其通过平面结构构筑检测面积大的优势，在生物传感领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为实施例1所得材料的结构示意图；
图2为实施例1所得材料的阻抗频谱图；
图3为实施例1中900MHz下所得材料的GMI曲线；
图4为实施例1、对比例1、对比例2和对比例3所得材料能够达到的最大磁阻抗比及磁场灵敏度对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明提供了一种具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构，具体是将非晶丝以平面等距螺旋的形式绕制，导通后得到具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构。以平面等距螺旋形式绕制所得的非晶丝的GMI性能突出，在频率为900MHz时阻抗比(ΔZ/Z)可达43000％，磁场灵敏度(ξ)可达6300％/Oe，这种平面等距螺旋绕制方式极大地增强了磁性非晶丝的GMI性能，且结构简单、可控性好，具有进一步优化的空间。
实施例1
本实施例制备得到了一种非晶丝平面结构，制备方法具体如下：
S1：首先，用3D打印技术(型号：Ultimaker 3Extended)制备四臂具有等距凹槽特征的聚乳酸PLA十字骨架。
其中，3D打印过程中的具体参数为：层高0.1mm，填充密度20％，填充形式为三角形，打印温度200℃，筑板温度60℃，打印速率为70mm/s。
制备得到的PLA十字骨架模具的臂长为12mm,臂宽2mm,厚度2mm；凹槽深度1mm,宽度0.67mm,间距1.5mm。
S2：用Taylor-Ulitovsky法制备圆度良好、尺寸均一(直径～30μm)、成分为Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3的玻璃包覆非晶丝。随后对其进行退火处理，具体工艺形式为焦耳退火，工艺参数为30mA、10min。
S3：将制备得到的经焦耳退火的钴基非晶丝，以平面等距螺旋的形式绕制在PLA十字骨架上，匝数为3.5匝(半匝的出现是由于其需要两端引线)，并用胶粘的方式进行固定。最终将其固定在微带线法阻抗测试中使用的PCB，磨去两端玻璃包覆层后用万用表确认其导通状态。将所得的超高磁阻抗的非晶丝平面结构用导电银胶与两侧微带进行连接，待银胶干燥后进行其GMI性能的表征。
如图1所示，为本实施例通过PLA十字骨架制备的具有3.5匝方蚊香型的非晶丝平面结构。
如图2所示，为本实施例所得非晶丝平面结构的阻抗频谱图。从图中可以看出，除了1GHz附近的铁磁共振外，还存在着多重LC谐振模式。
如图3所示，为本实施例所得非晶丝平面结构的GMI曲线。从图中可以看出，该结构的引入极大的磁阻抗增强效应，频率为900MHz时的阻抗比达43000％，磁场灵敏度达6300％/Oe。
对比例1
本对比例采用与实施例1相同的制备方法，但与实施例1不同的是：非晶丝并未进行绕线处理，其他与实施例1相同，具体如下：
S1：用Taylor-Ulitovsky法制备圆度良好、尺寸均一(直径～30μm)、成分为Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3的玻璃包覆非晶丝。
S2：对制备得到的Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3进行退火处理，具体工艺形式为焦耳退火，工艺参数为30mA、10min。
S3：磨去两端的玻璃包覆层后，用导电银胶将其与PCB两端的微带相连，带银胶干燥后用外用表确认导通，随后进行GMI性能测试。
结果发现，本对比例中所制备的直线型非晶丝只出现了铁磁共振现象，与实施例1相比，其阻抗比和磁场灵敏度较低。
对比例2
本对比例采用与实施例1相同的制备方法，但与实施例1不同的是：绕线匝数为2.5匝，其他与实施例1相同，具体如下：
S1：用3D打印技术制备四臂具有等距凹槽特征的聚乳酸PLA十字骨架。
S2：用Taylor-Ulitovsky法制备圆度良好、尺寸均一(直径～30μm)、成分为Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3的玻璃包覆非晶丝。
S3：并对制备得到的Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3进行退火处理，具体工艺形式为焦耳退火，工艺参数为30mA、10min。
S4：将最终得到的非晶丝以平面等距螺旋的形式绕制在PLA十字骨架上，匝数为2.5匝(半匝的出现是由于其需要两端引线)，磨去两端玻璃包覆层后，用导电银胶将其与PCB两端的微带相连，带银胶干燥后用外用表确认导通，随后进行GMI性能测试。
结果发现，本对比例中所制备的具有方蚊香型平面螺旋结构特征的非晶丝同样表现为多重谐振的状态，但是与实施例1相比，本对比例得到的样品中，其阻抗比和磁场灵敏度仍然处于较低的水平。
对比例3
本对比例采用与实施例1相同的制备方法，但与实施例1不同的是：绕线匝数为4.5匝，其他与实施例1相同，具体如下：
S1：用3D打印技术制备四臂具有等距凹槽特征的聚乳酸PLA十字骨架。
S2：用Taylor法制备圆度良好、尺寸均一(直径～30μm)、成分为Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3的玻璃包覆非晶丝。
S3：并对制备得到的Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3进行退火处理，具体工艺形式为焦耳退火，工艺参数为30mA、10min。
S4：将最终得到的非晶丝以平面等距螺旋的形式绕制在PLA十字骨架上，匝数为4.5匝(半匝的出现是由于其需要两端引线)，磨去两端玻璃包覆层后，用导电银胶将其与PCB两端的微带相连，带银胶干燥后用外用表确认导通，随后进行GMI性能测试。
本对比例中所制备的具有方蚊香型平面螺旋结构特征的非晶丝表现为多重LC谐振，但是与实施例1相比，本对比例得到的样品中，其阻抗比和磁场灵敏度相对较低；但与对比例1相比，本对比例的阻抗比和磁场灵敏度相对较低有着一定的提升。
通过对比分析实施例1、对比例1、对比例2和对比例3所制备的具有方蚊香型平面螺旋结构特征的非晶丝的阻抗比及磁场灵敏度，来探究实施例1、对比例1、对比例2和对比例3所制备的具有方蚊香型平面螺旋结构特征的非晶丝的GMI性能。结果如图4所示，相较于对比例1、对比例2和对比例3，实施例1所制备的具有方蚊香型平面螺旋结构特征的非晶丝的GMI性能有显著提升，说明平面螺旋结构带来的LC谐振对于材料GMI性能优化具有重要意义。
因此，本发明制备的3.5匝方蚊香型平面螺旋结构特征的非晶丝具有探测面积大、GMI性能优、磁场灵敏度高、集成兼容性好的性能特点，且制备方法简单、结构可控，符合实际应用需求，在磁场传感技术领域具有巨大应用潜力。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构，其特征在于，将非晶丝以平面等距螺旋的形式绕制，导通后得到具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构；
所述非晶丝的成分为Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3；
所述非晶丝的绕制匝数为3.5匝；
非晶丝是用Taylor- Ulitovsky法制备玻璃包覆非晶丝并对其进行退火后所得；所述退火工艺为焦耳退火，退火参数为30 mA、10 min。
2.根据权利要求1所述的一种具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构，其特征在于，所述非晶丝的直径为30μm。
3.根据权利要求1所述的一种具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构，其特征在于，所述平面等距螺旋为圆蚊香型结构或方蚊香型结构。
4.根据权利要求1所述的一种具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构，其特征在于，所述非晶丝绕制于十字型聚乳酸PLA骨架上，PLA骨架通过3D打印技术制备得到。
5.根据权利要求4所述的一种具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构，其特征在于，所述PLA骨架的四臂上均分布有用于固定非晶丝的等间距凹槽。
6.一种如权利要求1~5任一所述具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构在传感领域的应用。
CN202111288100.5A 2021-11-02 2021-11-02 具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构及其传感应用 Active CN113981334B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111288100.5A CN113981334B (zh) 2021-11-02 2021-11-02 具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构及其传感应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111288100.5A CN113981334B (zh) 2021-11-02 2021-11-02 具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构及其传感应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113981334A CN113981334A (zh) 2022-01-28
CN113981334B true CN113981334B (zh) 2022-04-26

Family

ID=79745785

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111288100.5A Active CN113981334B (zh) 2021-11-02 2021-11-02 具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构及其传感应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113981334B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005291728A (ja) * 2004-03-31 2005-10-20 Hitachi Metals Ltd 巨大磁気抵抗素子を持った方位計
CN101212017A (zh) * 2006-12-26 2008-07-02 中国科学院合肥物质科学研究院 巨磁阻磁传感器及其制备方法
CN102707247A (zh) * 2012-06-06 2012-10-03 电子科技大学 一种自偏置巨磁阻抗传感器探头及其制备方法
CN104561868A (zh) * 2014-12-31 2015-04-29 哈尔滨工业大学 一种非晶微丝具有极高巨磁阻抗效应的方法
CN109061528A (zh) * 2018-08-02 2018-12-21 华中科技大学 一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1059934C (zh) * 1998-09-25 2000-12-27 山东大学 巨磁致电阻抗效应非晶薄带材料及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005291728A (ja) * 2004-03-31 2005-10-20 Hitachi Metals Ltd 巨大磁気抵抗素子を持った方位計
CN101212017A (zh) * 2006-12-26 2008-07-02 中国科学院合肥物质科学研究院 巨磁阻磁传感器及其制备方法
CN102707247A (zh) * 2012-06-06 2012-10-03 电子科技大学 一种自偏置巨磁阻抗传感器探头及其制备方法
CN104561868A (zh) * 2014-12-31 2015-04-29 哈尔滨工业大学 一种非晶微丝具有极高巨磁阻抗效应的方法
CN109061528A (zh) * 2018-08-02 2018-12-21 华中科技大学 一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN113981334A (zh) 2022-01-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yamaguchi et al. Microfabrication and characteristics of magnetic thin-film inductors in the ultrahigh frequency region
US8432164B2 (en) Ferromagnetic resonance and memory effect in magnetic composite materials
Morales et al. Tunable magneto-dielectric polymer nanocomposites for microwave applications
CN106990284A (zh) 一种基于自旋泵浦效应的微波功率探测器及其制备方法
CN100587993C (zh) 巨磁阻磁传感器及其制备方法
CN108226825A (zh) 一种软磁薄膜平面线圈复合磁传感器及其制备方法
CN101685901A (zh) 自旋微波振荡器和自旋微波检测器
Wang et al. Preparation of meander thin-film microsensor and investigation the influence of structural parameters on the giant magnetoimpedance effect
Sai et al. Magnetic nanoferrites for RF CMOS: Enabling 5G and beyond
Raj et al. Novel nanomagnetic materials for high-frequency RF applications
Luo et al. Preparation and electromagnetic properties of NiCuZn ferrites and multilayer chip inductors
Jantaratana et al. Effects of thickness and heat treatments on giant magnetoimpedance of electrodeposited cobalt on silver wires
CN113981334B (zh) 具有超高磁阻抗的非晶丝平面结构及其传感应用
CN102830370A (zh) 基于Fe3O4纳米颗粒的磁场检测装置及其制造方法
CN107526046B (zh) 一种平面电感型磁传感器
CN110444364B (zh) 一种叠层磁性薄膜及其制备方法
JP2005006263A (ja) 磁芯部材及びそれを用いたｒｆｉｄ用アンテナ
Yang et al. Investigation of on-chip soft-ferrite-integrated inductors for RF ICs—Part I: Design and simulation
JP5081002B2 (ja) Ｎｍｒ用アンテナコイル、それに使用する低磁性超電導線材とその製造方法並びに磁化率調整方法、及びｎｍｒシステム
CN112700941A (zh) 一种铁基非晶软磁合金磁芯材料及其制备方法
Chaudhuri et al. Indirect Permeability Measurements Using a “Strip Coil” for Co 0.6 Zn 0.4 Fe 1.7 Mn 0.3 O 4
CN1883018B (zh) 高频薄膜电路元件
JP6899117B2 (ja) 磁界センサとバイアス方法
Lee et al. Impedance Matching of Electrically Small Antenna with Ni-Zn Ferrite Film
CN102298123B (zh) 一种高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant