Диссертация (Гигантский магнитоимпеданс и высокочастотные нелинейные эффекты в магнитомягких проводниках), страница 10

Нелинейный магнитоимпедансПри малых амплитудах возбуждающего тока напряжение, измеряемое наконцах магнитомягкого проводника, пропорционально его импедансу, которыйне зависит от амплитуды тока. При более высоких амплитудах тока возникаютискажения измеряемого синусоидального сигнала, что сопровождается возникновением высших гармоник в частотном спектре напряжения [8]. Этот режимназывают нелинейным магнитоимпедансом.

Следует отметить, что, строго говоря, понятие импеданса применимо только для линейного отклика напряжения. Тем не менее, термин «нелинейный магнитоимпеданс» широко используется в литературе для краткости и следуя традициям исследований ГМИ. В нелинейном режиме высшие гармоники имеют высокую чувствительность квнешнему магнитному полю, что является перспективным для использования вразличных приложениях.В первой работе, посвящённой нелинейному магнитоимпедансу, былоустановлено, что напряжение на концах композитной проволоки CuBe/NiFe нелинейно связано с амплитудой возбуждающего тока, и описание наблюдаемыхпроцессов перемагничивания несовместимо с представлением о стабильныхдоменных границах [7]. Наблюдавшееся поведение отклика напряжения былокачественно объяснено с использованием стационарной модели перемагничивания СтонераВольфарта [315].В работе [316] была экспериментально исследована зависимость напряжения от внешнего поля для композиционного материала, состоящего из двухаморфных лент на основе кобальта, разделённых медной проволокой.

Было обнаружено, что относительное изменение амплитуды первой гармоники с часто-46той возбуждающего тока оказывается существенно меньше относительного изменения второй гармоники.Нелинейный магнитоимпеданс с высокой чувствительностью к внешнемуполю наблюдался в композитных проволоках CuBe/FeCoNi [317320]. Проведённый анализ выходного сигнала напряжения показал, что частотный спектрсостоит из нескольких гармоник.

При этом амплитуды гармоник резко возрастали в области полей, при которых наблюдаются максимумы зависимости импеданса от поля. Чувствительность третьей гармоники существенно превышала(примерно в 20 раз) чувствительность первой гармоники [318]. Нелинейныймагнитоимпеданс в композитных проволоках был описан в рамках представления о спин-реориентационных фазовых переходах с учётом влияния константымагнитной анизотропии второго порядка [317].

Результаты проведённых расчётов показали хорошее согласие с экспериментальными данными.Возникновение высших гармоник в отклике напряжения наблюдалосьтакже в экспериментах с аморфными проволоками на основе кобальта[321333]. Было показано, что высшие гармоники возникают, когда циркулярное магнитное поле, индуцируемое переменным током, больше или порядкаполя анизотропии проволоки. При этом нечётные гармоники всегда присутствуют в частотном спектре напряжения, снимаемого с концов проволоки, а чётные гармоники возникают в проволоках с геликоидальной анизотропией, когдазависимость циркулярной компоненты намагниченности от переменного магнитного поля является асимметричной [321,322,326328].Приложение скручивающих напряжений приводит к развитию геликоидальной анизотропии в поверхностной области проволоки и может повлиять начувствительность чётных гармоник к внешнему полю.

Исследования влиянияскручивающих напряжений на нелинейный магнитоимпеданс в аморфных проволоках на основе кобальта показали, что вклад второй гармоники возрастает сувеличением скручивающих напряжений [324,327,328]. Хотя первая гармоникас частотой возбуждающего тока является основной в частотном спектре напряжения, вторая гармоника может иметь более высокую чувствительность к47внешнему полю [325].

Высокая чувствительность второй гармоники напряжения к внешнему полю была использована для разработки датчиков магнитногополя, получивших название «феррозонд без катушки» [334338].Амплитуда второй гармоники может быть увеличена при пропускании попроволоке дополнительного постоянного тока [339].

Пропускание постоянноготока приводит к образованию асимметрии в зависимости циркулярной компоненты намагниченности от переменного магнитного поля. В результате присутствие постоянного тока приводит к увеличению чувствительности второйгармоники к внешнему полю. При этом существует оптимальная величина постоянного тока, и при больших значениях постоянного тока чувствительностьвторой гармоники к полю уменьшается.Нелинейный магнитоимпеданс в аморфных проволоках анализировался врамках квазистационарного приближения [321,322,324,327,328,332] с использованием преобразования Фурье производной циркулярной компоненты намагниченности проволоки по времени [273].

При этом пространственное распределение циркулярного поля возбуждающего тока для простоты не учитывалось.Такой подход качественно объясняет зависимости частотного спектра откликанедиагонального магнитоимпеданса от внешнего магнитного поля, однако непозволяет описать частотные зависимости амплитуд гармоник.Попытка описать частотную зависимость амплитуды второй гармоникинапряжения была предпринята в работе [329]. Тензор поверхностного импедансавторогопорядкабылнайденприпомощирешенияуравненияЛандауЛифшица.

В рамках модели было проанализировано влияние амплитуды тока на вторую гармонику напряжения. Однако в рамках предложенной вработе [329] модели можно объяснить только поведение первой и второй гармоник напряжения. Кроме того, такой подход не позволяет описать процесс перемагничивания части аморфной проволоки, и, следовательно, может бытьприменим только при относительно малых амплитудах переменного тока.В работе [340] для исследования нелинейного отклика напряженияаморфной проволоки были проведены численные расчёты, основанные на сов-48местном решении уравнений Максвелла и уравнения ЛандауЛифшица.

Результаты численного моделирования позволяют описать зависимости амплитудгармоник напряжения от поля и частоты. Однако недостатком предложенногометода является возрастающая сложность численных расчётов, если необходимо учесть пространственные изменения параметров, таких как поле анизотропии или угол наклона анизотропии.В последние годы нелинейный магнитоимпеданс исследовался также ваморфных лентах [248,341,342]. Для лент высшие гармоники напряжения имеют поведение, аналогичное наблюдавшемуся в аморфных проволоках. В работе[341] исследовался частотный спектр напряжения на концах отожжённой лентына основе кобальта.

Было обнаружено, что нелинейные эффекты возникают ужепри достаточно малых амплитудах возбуждающего тока. В работе [342] былисследован нелинейный магнитоимпеданс в аморфных лентах на основе кобальта, прошедших термомагнитную и термомеханическую обработки. Былотакже предложено модельное описание особенностей отклика напряжения, основанное на предположении о существовании в лентах полосовой доменнойструктуры. Было установлено принципиальное различие в поведении чётных инечётных гармоник напряжения. Результаты проведённых расчётов хорошо согласуются с экспериментальными данными.1.8. Датчики на основе эффекта ГМИ и их приложенияСильные зависимости импеданса магнитомягкого проводника от изменения внешнего поля или тока являются перспективными для создания датчиковслабого магнитного поля и датчиков тока. Так как эффект ГМИ является такжечувствительным к приложенным напряжениям, он может быть использован дляразработки датчиков напряжения.Типичный датчик магнитного поля, основанный на эффекте ГМИ, былвпервые предложен в работе [343].

Последующие усилия были направлены наулучшение чувствительности датчиков [344349]. Детальные исследования49влияния различных параметров на поведение датчиков было проведено в работах [343,346]. В качестве чувствительных элементов предложенных прототиповдатчиков поля использовались аморфные проволоки [343,346,347] и тонкиеплёнки [345,348]. Датчики на основе эффекта ГМИ имеют ряд преимуществ посравнению с традиционными датчиками магнитного поля, в частности, меньшее потребление энергии и меньшие размеры. Однако наиболее существеннымдостоинством магнитоимпедансных датчиков является их высокая чувствительность.

В прототипе датчика, предложенного в работе [348], с чувствительным элементом в виде плёнки CoNbZr была достигнуто разрешение магнитного8поля 1.7  10 Э при частоте возбуждающего тока 500 кГц. Такое разрешениевыше, чем у датчиков типа феррозонд. Кроме того, магнитоимпедансные датчики имеют лучшую температурную стабильность по сравнению с традиционными датчиками [4].Магнитоимпедансный датчик постоянного тока с аморфной проволокойна основе кобальта в качестве чувствительного элемента был предложен в работе [350].

В этом датчике постоянный ток протекал по соленоиду, и магнитноеполе тока приводило к контролируемому уменьшению импеданса проволоки.Соответственно, зависимость импеданса от магнитного поля использоваласьдля точного измерения постоянного тока. В работе [351] был предложен высокочувствительный датчик тока, основанный на использовании асимметричногоГМИ в отожжённой аморфной ленте на основе кобальта. Напряжение, снимаемое с ленты, возрастало почти линейно с увеличением тока вплоть до 1 А.Вследствие асимметричного характера отклика напряжения, этот прототип датчика позволяет определять направление постоянного тока.Использование недиагонального магнитоимпеданса в датчиках магнитного поля позволяет получить более высокую чувствительность по сравнению сдатчиками ГМИ [352354]. Такие датчики имеют лучшую температурную стабильность [47], а их предельная чувствительность определяется только электронными шумами [355].50Высокая чувствительность относительного изменения импеданса магнитомягких аморфных проводников к малым механическим нагрузкам можетбыть перспективной для практических приложений.

Сильная зависимость ГМИот приложенных напряжений в аморфных проволоках и лентах была использована для разработки высокочувствительных датчиков напряжений [346,356361]. Было продемонстрировано, что использование зависимости ГМИ отнапряжений имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными датчиками напряжений, в частности, позволяет получить более высокую чувствительность.К настоящему времени предложено свыше сотни приложений датчиковна основе эффекта ГМИ [5,362]. Хотя большинство приложений эффекта ГМИнаходятся ещё в стадии лабораторной разработки, некоторые датчики уже доступны на рынке.

Датчики на основе ГМИ могут использоваться для системмониторинга и контроля [363,364], в электронных компасах [347], для контроляавтомобильного движения [347,365], магнитной дефектоскопии [366368] и т.д.Кроме того, ГМИ может найти применение в устройствах магнитной записи. В современных компьютерах модули чтения и записи на магнитные носители используют датчики на основе эффекта гигантского магнитоспортивления.Однако чувствительность таких датчиков существенно ниже чувствительностидатчиков ГМИ. В связи с этим, датчики на основе ГМИ с плёночной структуройв качестве чувствительного элемента представляют большой интерес для будущего развития устройств магнитной записи с высокой плотностью [369].Использование магнитных методов диагностики заболеваний нашло широкое применение для различных медицинских приложений [5].