Экспериментальное исследование диагонального и недиагонального магнитного импеданса аморфных микропроводов со стеклянным покрытием и без него после проведения токового отжига

Аннотация
     Целью настоящей дипломной работы является экспериментальное исследование диагонального и недиагонального магнитного импеданса аморфных микропроводов со стеклянным покрытием и без него после проведения токового отжига. В работе рассмотрены физические основы магнитного импеданса, приведены обзор современных магнитных датчиков,  результаты экспериментов и проведен анализ результатов по полученным в ходе работы данным.
     Работа состоит из введения, аналитического обзора литературы, теоретической части, экспериментальной части, раздела по безопасности жизнедеятельности, выводов, списка сокращений и списка использованных источников.
     Выпускная квалификационная работа магистра изложена на 85 листах, содержит  _ рисунков,  21 таблиц и список использованных источников из 56  наименований.













Содержание
Введение…………………………………………………………………………....7
1  Литературный обзор……………………………………………………….…..9
1.1. Аморфные микропровода в стеклянной изоляции и их свойства………....9
1.1.1. Метод Улитовского-Тейлора изготовления микропроводов……………13
1.1.2. Процесс перемагничивания провода в рамках модели Вольфарта……..
1.2. Взаимодействие магнитного провода с высокочастотным полем…………
1.2.1. Физические механизмы полевой зависимости импеданса провода в различных частотных диапазонах………………………………………………..
1.2.2. ГМИ-эффект…………………………………………………………….……
1.3. Обзор экспериментальных исследований……………………………………
1.3.1. Методы исследования магнитных свойств микропроводов………….…
1.3.2. Влияние внешних механических воздействий на эффект гигантского магнитного импеданса……………………………………………………………..
 Влияние постоянного тока на эффект гигантского магнитного импеданса при перемагничивании провода……………………………….
  Влияние температуры на эффект гигантского магнитного импеданса…..
  Обзор сенсоров магнитных полей, их характеристики……………………..
  Выводы и постановка задачи исследования………………………………….
 Теоретическая часть………………………………………………………….
2.1 GMI сенсоры……………………………………………………………………
2.1.1Описание конструкции………………………………………………………
2.1.2 Принцип работы……………………………………………………………..
2.2 Оборудование для проведения исследований………………………………..
2.2.1 Экспериментальный стенд для измерения тензора магнитоимпеданса…
2.2.2 Методика измерения чувствительности сенсора на основе ГМИ ……….
2.2.3 Магнитокомпенсационный измерительный стенд…………………………
3  Экспериментальная часть…………………………………………………….
3.1 Объекты исследования………………………………………………..………
3.2 Последовательность выполнения, результаты экспериментов………….…
3.3 Анализ результатов измерений……………………………..………………..
4  Безопасность жизнедеятельности……………………………………….…..
4.1  Идентификация опасных и вредных производственных факторов………
4.2 Характеристика используемых веществ и материалов…………………….
4.2.1 Характеристики токсичности………………………………………………
4.2.2 Характеристика пожаровзрывоопасности…………………………………
4.3 Санитарно-технические требования………………………………………….
4.3.1 Требования к планировке помещения………………………………………
4.3.2 Требования к микроклимату помещения…………………………………...
4.3.3 Требования к освещению лаборатории……………………………………..
4.3.4 Разработка мер защиты от опасных и вредных факторов…………………
4.4 Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях……………...
4.4.1  Категория помещения по взрывопожарной и пожарной опасности…………..
4.5 Выводы по безопасности жизнедеятельности………………………………..
Выводы………………………………………………………………………………….
Список использованных источников…………………………………………………...












ВВЕДЕНИЕ
      Для регистрации слабых магнитных полей имеется целый ряд физических явлений получения эффективного и локального сигнала отклика  при проведении измерений: спин-туннельный эффект, гигантское магнетосопротивление, СКВИД (криогенные технологии), магнитомодуляционный эффект и гигантский магнитный импеданс.  Среди этих методов магнитный импеданс (МИ) является наиболее интересным и перспективных так как не требует сверх низких температур, обладает высокой чувствительностью при малых размерах, высоким быстродействием и малыми энергетическими затратами. Теория по исследованиям МИ в различных ферромагнитных структурах, хорошо изучена, однако вопросы построения МИ сенсоров мало требуют более детальной проработки.
      Разработка и создание более совершенных датчиков и преобразователей магнитного поля остается важной задачей современной науки. Автоматизация процессов производства, развитие технической базы научных исследований, создание современных технологий требуют более совершенных методов контроля и измерения различных параметров, в том числе магнитных и механических. В геофизике, для обнаружения и измерения слабых магнитных полей естественного и искусственного происхождения, требуются высокочувствительные датчики магнитного поля, способные измерять одновременно три компоненты магнитного поля и работать в широком интервале температур. В низкочастотной радиосвязи существует проблема создания малогабаритных параметрических антенн с узкой диаграммой направленности. В биологии и медицине требуются миниатюрные датчики сверхслабых магнитных полей, длительное время работающие при нормальных условиях, в космонавтике и ядерной промышленности требуются датчики не чувствительные к повышенному фону радиации и тяжелым заряженным частицам.
      Уникальные магнитные и механические характеристики ферромагнетиков позволяют создавать на их основе высокочувствительные датчики и преобразователи слабого магнитного поля, а также разнообразные датчики механических величин.
      Высокая магнитная проницаемость и малые потери на перемагничивание позволяют с помощью различных методов преобразования получить экстремально низкий порог чувствительности датчиков магнитного поля, выполненных на основе аморфных ферромагнитных сплавов, расширить диапазон частот измеряемого магнитного поля. На основе применения аморфных ферромагнетиков возможно улучшение параметров аппаратуры считывания информации с магнитных носителей, позволяющее в несколько раз увеличить разрешающую способность и количество записываемой информации.
      Миниатюрные магнитные датчики магнитного поля на основе магнитоимпедансного эффекта в аморфных ферромагнитных сплавах могут служить основным элементом для создания приборов магнитной дефектоскопии и различных устройств автоматики и робототехники. В отличии от датчиков Холла, они могут иметь размеры гораздо меньше 1мм, что позволяет увеличить разрешающую способность.При соответствующем выборе аморфного сплава и при его термомагнитной или термомеханической обработке перекрываемый с помощью магнитоимпедансного датчика диапазон постоянного или низкочастотного (до 20кГц) магнитного поля может достигать 100Э.
      В то же время магнитоимпедансный датчик магнитного поля выгодно отличается от датчика Холла высокой чувствительностью и меньшими габаритами. Магнитоимпедансный датчик построен на микропроводах, которые не чувствительны к воздействиям радиации и тяжелым заряженным частицам, в отличии от полупроводниковых датчиков Холла, эта особенность делает их наиболее привлекательными для применения в таких сферах как космонавтика и атомная промышленность.
1 Литературный обзор
1.1. Аморфные микропровода в стеклянной изоляции и их свойства
1.1.1. Метод Улитковского-Тейлора изготовления микропроводов 
      При помощи метода  вытягивания в специально подготовленном стеклянном капилляре получают аморфные микропровода в защищенной оболочке из стекла. Для того, чтобы изготовить аморфный микропровод необходимо взять небольшое количество металла  и погрузить его в закрытую колбу, а затем с помощью высокочастотного нагревательного элемента (на основе индукции) расплавить. 
      Необходимо раскалить металл до высокой температуры, чтобы размягчить область стеклянной поверхности трубки, после чего образуется капля на её границе. После этого нужно снизить давление и тогда эта капля сможет задержаться на какой-то период времени на данной трубке. Затем затравочная стеклянная палочка преобразовывается и из каплей вытягиваются капилляры, которые представляют расплавленный металл, покрытый размягченной стеклянной оболочкой. Полученный структурный образец «металл-стекло» необходимо охладить струей жидкости, после этого наматывается на барабан с заданной скоростью. 
     Как только начинается расход стеклянной трубки, микрометрическим устройством перемещений, происходит подача в рабочую зону стеклянной трубки. Так образуется микропровод, который состоит из центральной металлической жилы (тонкий цилиндр из металлов, сплавов, полуметаллов, полупроводников или их комбинации) и сплошной стеклянной оболочки. Для улучшения качества микропровода и решения других технологических задач на пути от индуктора к приёмной катушке микропровод проходит через струю охлаждающей жидкости (воду или масло).
      Микропровод можно получать «капельным методом» и «методом непрерывного литья». Капельный метод отличается от непрерывного тем, что весь процесс литья ограничен количеством металла капли. После уменьшения объёма капли до некоторой величины, процесс необходимо останавливать и выполнять операцию заплавки и формирования капли. При непрерывном процессе литья стержень металла контактирует с каплей и постоянно дополняет израсходованный металл.
      Общий вид данной установки для изготовления провода изображен на рисунке 1:
      
      Рисунок 1 – Установка для вытягивания микропровода (1 – стеклянная трубка и микрометрическое устройство подачи, 2 – шихта для получения микропровода, 3 – петля высокочастотной индукционной катушки для разогрева шихты, 4 – трубка для подачи охлаждающей жидкости, 5 – микропровод, 6 – устройство для намотки микропровода).
      На диаметр жилы и оболочки, физические свойства получаемого микропровода влияет целый ряд факторов [1]: масса металла в стеклянной трубке, начальная толщина капилляра, температура и теплоемкость охлаждающей жидкости, уровень разрежения воздуха в трубке над шихтой, скорость вытягивания микропровода, температура плавления металла и температура размягчения стекла, угол смачивания расплавленного металла и капилляра, химические реакции между металлом и стеклом, температурные коэффициенты расширения металла и стекла.
        Исследуя важные моменты процесса, нужно выделить, что возможно получить непрерывные образцы с длиной до нескольких километров, высокую степень управляемости и воспроизводимости параметров процесса следует отнести к: возможности получения непрерывных образцов длинной до нескольких километров, высокой степени контролируемости и воспроизводимости параметров микропроводов, возможности изготовления проводов с диаметром от единиц до нескольких десятков микрометров. Тонкий стеклянный слой поверх проводящей металлической жилы (представлен на рисунке 2) является электрическим изолятором, что имеет большое значение для практического применения [2]. В агрессивной среде наличие стеклянной оболочки позволяет частично защитить металлическую жилу провода от коррозии [3].
      
      
      
      
      
      
      
Рисунок  2 –  Фотография участка микропровода с заметно видимыми повреждениями оболочки.
      Роль стекла не исчерпывается механической защитой провода. Известно, что магнитные свойства образца во многом определяются магнитоупругим взаимодействием, которое, в свою очередь, зависит от величины остаточных (или закалочных) напряжений. Изменение распределений напряжений меняется при снятии стеклянной оболочки методом стравливания, при этом возможно приспособить магнитные свойства под определенные задачи на практике. [4].
     Поэтому необходимо выявлять, какие конкретные механические напряжения существуют в проводе и к каким зависимостям намагниченности они приводят.
       Из технологии производства провода, можно выделить три основных механизма, определяющих распределение замороженных макроскопических напряжений в его объеме: (1) Градиент температуры по длине радиуса провода и появление термоупругих напряжений появляется из-за высокой скорости застывания расплава; (2) Различные температурные коэффициенты расширения металлической жилы и стеклянной оболочки приводят к сильной зависимости от соотношения их толщин картины распределения напряжений; (3) Вытягивание провода из капилляра требует приложения дополнительных растягивающих аксиальных напряжений.
      Сложной задачей является построить адекватную модель для расчета присутствующих в микропроводе остаточных напряжений в ходе его производства [5].Во многих случаях, получаемые графики не проходят проверки экспериментально,так как предположенные ими картины распределения намагниченности на практике не реализуются [6]. В данном случае следует обосновать влияние эффективного поля циркулярной анизотропии. Судя по всему, циркулярное упорядочение намагниченности невозможно по полному объему провода, так как это в его центре оно приведёт к сингулярности.

Рисунок 3 – Зависимость компоненты M z  намагниченности от приведенного радиуса при различных внешних магнитных полях.
      По данному рисунку 3 можно определить, что в проводе рядом с его  центральной областью существует область аксиального направления намагниченности, если нет внешнего магнитного поля. 
      При воздействии внешнего магнитного поля вектор намагниченности в приповерхностной области поэтапно отходит от заданного курса циркулярного направления, а при некоторых значениях поля образец намагничивается полностью в состояние насыщения. В процессе намагничивания распространение величины M z в меньшей степени имеет зависимость от радиальной координаты (кроме центральной области провода) так, что область перехода между аксиально намагниченной сердцевиной и приповерхностной областью, в которой осуществляется поворот вектора намагниченности, практически не смещается.
1.1.3. Процесс перемагничивания провода
    В проводе существует две области: 1) аксиально-намагниченная сердцевина(core); 2)приповерхностная область (shell). Магнитные моменты упорядочиваются в циркулярном виде, если отсутствуют внешние магнитные поля. Считается, что намагничивание провода происходит за счет поворота магнитных моментов оболочки, и при этом область перехода между core и shell не смещается. Опыт также показывает, что, вследствие неоднородности сечения провода по его длине и других дефектов поверхности, приповерхностная область может разбиваться на циркулярные домены, как это схематически изображено на рисунке 4. Такая модель была предложена в одной из первых работ, относящихся к исследованию магнитных свойств аморфных микропроводов [7], а рассматриваемая конфигурация получила название «бамбуковой» доменной структуры.





Рисунок 4 – Бамбуковая доменная структура.
      Область перехода между аксиально намагниченной сердцевиной и оболочкой имеет вид 90-градусной «квази» доменной стенки. От обычной доменной стенки ее отличает значительная толщина, которая может достигать по различным оценкам 500 нм [8]. Для анализа статической картины намагниченности во внешних полях наибольшее распространение получил подход, аналогичный примененному в классической модели Стонера-Вольфарта [9]. Считается, что магнитные свойства провода полностью задаются его приповерхностной областью, в которой происходит когерентное вращение магнитных моментов. Области оболочки сопоставляется некоторое эффективное поле одноосной анизотропии H a ? 2KM s ( K – константа анизотропии), конкретный вид которого зависит от механических напряжений, создаваемых в образце. В частности, при наличии закручивающих напряжений, намагниченность в оболочке даже в отсутствие поля будет отклоняться от циркулярного направления, так что можно говорить о наведении геликоидальной анизотропии, направление которой составляет некоторый угол  с осью провода.
1.2. Взаимодействие магнитного провода с высокочастотным полем
      Если воздействовать на микропровод высокочастотным магнитным полем, то уменьшается частота магнитной проницаемости вследствие поверхностного эффекта, обусловленного вихревыми токами. Однако у микропроводов, обладающих высоким сопротивлением, влиянием вихревых токов можно пренебречь. В этом случае по мере возрастания частоты возникает магнитная индукция  внутри магнетика.
1.2.1. Физические механизмы полевой зависимости импеданса провода в различных частотных диапазонах.
      Наблюдая ГМИ эффект на разных частотах, который можно выявить его образование по различным факторам.[10]:
      Низкие частоты, от 100 кГц до 10 МГц.
      Эффект ГМИ связан с изменениями глубины скин-слоя, вследствие сильной зависимости эффективной магнитной проницаемости от внешнего магнитного поля. При эффектах смещения доменных границ, так и эффектах вращения происходит изменение циркулярной восприимчивости.
      Радиочастоты, от 10 МГц до нескольких сотен мегагерц. При данных частотах основной механизм вращения намагниченности влияет на циркулярную восприимчивость, а намагничивание при помощи перемещения доменных границ, из-за понижения скорости их подвижности, станет несущественным.
      Высокие частоты, несколько ГГц. После повышения частоты на вращение намагниченности накладываются эффекты гиромагнитной и ферромагнитной релаксации.













Рисунок  5– Зависимость импеданса от частоты и магнитного поля.
     В последнем случае важно подчеркнуть, что работая в диапазоне сверхвысоких частот, в которых условия ферромагнитного резонанса устанавливаются при параметрах внешнего магнитного значительно поля больших, чем поле анизотропии провода. В данном случае характерный СВЧ- отклик от провода наблюдается 2 раза: один раз при полях порядка нескольких Эрстед (именно эта особенность вблизи нулевого поля называется эффектом GMI), второй раз – при параметрах внешнего магнитного поля порядка нескольких сотен Эрстед. Несложно увидеть, что во втором случае имеет место явление ферромагнитного резонанса [11]. 
           Качественное разделение на частотные диапазоны, приведенное выше, является во многом искусственным. Теория ГМИ, связывающая импеданс ферромагнитного проводника с внешним постоянным магнитным полем и частотой возбуждающего тока в образце, строится на совместном решении уравнений Максвелла и уравнения движения намагниченности Ландау-Лившица с соответствующей формой слагаемого, ответственного за магнитные потери, который для металлов обычно записывается в форме Гильберта [12] Явление магнитного импеданса было открыто более 70 лет назад в работах Е.П. Харрисона с соавторами, выполненных на железо-никелевых проволоках.


1.2.2. ГМИ-эффект 
      Важнейшим эффектом, с точки зрения на практике, необходимо выделить гигантский магнитный импеданс, который при влиянии внешнего  магнитного поля в значительной степени зависит от частного диапазона и наблюдается в определенном их пределе, а именно от сотен килогерц до нескольких ГГц. Пример подобной зависимости показан на рисунке 5.
     В 1991г. В.Е. Махоткин с соавторами сделали высокочувствительный датчик малых магнитных полей с чувствительным элементом в форме аморфной ленты FeCoSiB, который работал на основе механизма изменения импеданса при воздействии внешних магнитных полей. Авторы этой работы, посвященной созданию конкретного прототипа датчика магнитных полей, не дискутировали о причинах возникновения эффекта и термин «магнитный импеданс» не употребляли. Не был введен данный термин даже в первых работах команды К. Мори, ставших предвестниками открытия заново явления магнитоимпеданса в 1994г.Хотя уже первые эксперименты, в которых наблюдалось изменение импеданса пермаллоевых проволок при приложении внешнего поля, были объяснены на основе классического скин-эффекта и зависимости глубины скин-слоя от величины эффективной магнитной проницаемости, Е.П. Харрисон с соавторами так и не добились повторяемости результатов. Позднее появились более совершенные технологии производства материалов с высокой магнитной проницаемостью, которые обеспечили повторяемость результатов ГМИ-исследований и возможность контролируемой разработки ГМИ-материалов.[13] ГМИ-образцы разрабатываются различными методами в виде проволок, лент, тонких пленок, многослойных пленочных структур и т.д. Имеются четыре группы магнитных материалов, в которых может наблюдаться ГМИ-эффект: Аморфные сплавы с малым значением константы анизотропии. Среди них система Co-Fe-Si-B имеет небольшую отрицательную константу магнитострикции; Нанокристаллические материалы типа Fe-Cu-Nb-Si-B, в которых размер зерен порядка 10нм; Кристаллические сплавы с чрезвычайно низкой кристаллической анизотропией и низкой магнитострикцией. Среди них – пермаллой (сплав никеля и железа) с высокой концентрацией никеля и с добавками Mo, Re, Ti;  Нанокомпозиты, состоящие из смеси однофазных частиц. Такими являются системы на основе Fe-B-N и Co-Cr-O. [14]

1.3. Обзор экспериментальных исследований 
      Перед постановкой экспериментов, следует понять и изучить теоритические основы методов исследования аморфных микропроводов, при этом выделить более подходящие методики для проведения исследований.

1.3.1. Методы исследования магнитных свойств микропроводов 
При исследовании магнитных свойств следует выделить 2 метода:
1) Измерения магнитного импеданса
     Явление магнитного импеданса было изучено  более 70 лет назад в работах Е.П. Харрисона с соавторами, выполненных на железо-никелевых проволоках. Термин «магнитный импеданс» не использовался ни в этих первых публикациях, ни в первых расчетах проведенных позднее.
     В 1991г. В.Е. Махоткин с соавторами создали высокочувствительный датчик малых магнитных полей с чувствительным элементом в виде аморфной ленты FeCoSiB, который работал на принципе изменения импеданса под воздействием внешнего магнитного поля. Авторы этой работы, посвященной созданию конкретного прототипа датчика магнитных полей, не обсуждали причины возникновения эффекта и термин «магнитный импеданс» не использовали.
     Не был термин «магнитный импеданс» введен и в ранних работах группы К. Мори, ставших предвестниками открытия заново явления магнитоимпеданса в 1994г.
     Наблюдая эксперименты c изменениями импеданса проволок из пермаллоя можно сделать следующий  вывод: если  происходит воздействие внешнего поля, то выяснено, что  на основе скин-эффекта и зависимости скин-слоя от параметра эффективной магнитной проницаемости так и не происходит повторяемости результата. Позже представлены были более удобные и практичные методы производства материалов с высокой магнитной проницаемостью, обеспечивающие повторяемость результатов ГМИ-исследований и возможности контроля при разработке ГМИ-материалов[15].
     ГМИ-образцы разрабатываются различными методами в виде проволок, лент, тонких пленок, многослойных пленочных структур и т.д. Имеются четыре группы магнитных материалов, в которых может наблюдаться ГМИ-эффект:
1. Аморфные сплавы с малым значением константы анизотропии. Среди них система Co-Fe-Si-B имеет небольшую отрицательную константу магнитострикции;
2. Нанокристаллические материалы типа Fe-Cu-Nb-Si-B, в которых размер зерен порядка 10нм;
3. Кристаллические сплавы с чрезвычайно низкой кристаллической анизотропией и низкой магнитострикцией. Среди них – пермаллой (сплав никеля и железа) с высокой концентрацией никеля и с добавками Mo, Re, Ti;
4. Нанокомпозиты, состоящие из смеси однофазных частиц. Такими являются системы на основе Fe-B-N и Co-Cr-O. [16]
Для определения относительной величины эффекта ГМИ исследователи использовали следующее соотношение:
,(1)
где Z(H) – импеданс образца в магнитном поле Н, Z(H=Hнас ) – импеданс образца в магнитном поле насыщения, за которое принимается величина максимального внешнего поля, приложенного к образцу. В этом случае величина ?Z/Z, которую принято называть ГМИ-отношением, всегда положительна, и может достигать значений, больших, чем 100 %.
В работах других авторов ГМИ-отношение рассчитывалось иначе:
,(2)
где Z(H=0) – величина импеданса образца в отсутствии внешнего магнитного поля. При таком подходе величина ГМИ-отношения может быть не только положительной, но и отрицательной.
      Рассматривают продольные и поперечные эффекты гигантского магнитоимпеданса [17]. Продольным эффектом принято называть эффект, возникающий при приложении внешнего магнитного поля параллельно направлению протекающего электрического тока. В свою очередь, поперечным эффектом принято называть эффект магнитоимпеданса, возникающий в случае, когда внешнее магнитное поле приложено перпендикулярно направлению протекания электрического тока.
     Магнитоимпеданс обусловлен влиянием внешнего магнитного поля на распределение плотности переменного тока по сечению проводника, что связано с проявлением так называемого скин-эффекта. Толщина скин-слоя ?, или, иначе говоря, глубина проникновения переменного тока в объем проводника, определяется по формуле:
,(3)
где с – скорость света в вакууме, ? – проводимость, ? – циклическая частота переменного тока, ?t – эффективная магнитная проницаемость.
Как известно, величина эффективной магнитной проницаемости во многом определяется доменной структурой и процессами ее перемагничивания. Внешнее постоянное магнитное поле Н, приложенное к проводнику, вызывает в нем процессы перестройки доменной структуры, и, следовательно, изменяет величину магнитной проницаемости ?? . Изменение величины ?? приводит к изменению глубины скин-слоя, по которому протекает высокочастотный электрический ток, что в свою очередь приводит к изменению импеданса ферромагнитного образца Z. Связь между импедансом образца Z и его эффективной магнитной проницаемостью может быть, в общем случае, представлена в виде:
Z ~(?? f)-1/2. (4)
Подобные рассуждения оправданы только для средних частот переменного тока и частот порядка десятков МГц, когда толщина скин-слоя ? намного меньше некоторого характерного размера проводника (радиус проволоки, толщина фольги).
На низких частотах, когда скин-эффект мал и плотность тока практически одинакова по всему сечению проводника, изменение импеданса в магнитном поле связывают с так называемым магнитоиндуктивным эффектом. Данный эффект обусловлен внутренней индуктивностью проводника Li (?t ), которая, как и толщина скин-слоя, зависит от эффективной магнитной проницаемости ?t . Импеданс проводника, определяемый магнитоиндуктивным эффектом, может быть записан в виде:
, (5)
     В общем случае импеданс проводника определяется магнитоиндуктивной составляющей толщиной скин-слоя, но при высокой частоте компонента магнитоиндуктивности не велика и для упрощения расчетов ей обычно пренебрегают.
Таким образом, для наблюдения ГМИ-эффекта необходимо, чтобы поперечная магнитная проницаемость имела большую величину и значительно изменялась во внешнем магнитном поле, то есть для существования ГМИ-эффекта принципиальным является магнитная мягкость материала.

2) Исследование магнитной петли Гистерезиса
      Различные ферромагнитные материалы обладают неодинаковой способностью проводить магнитный поток. Основной характеристикой ферромагнитного материала является петля магнитного гистерезиса В(Н). Эта зависимость определяет значение магнитной индукции, которая будет возбуждена в магнитопроводе из данного материала при воздействии некоторой напряженности поля.
      Важно рассмотреть процесс перемагничивания ферромагнетика. Пусть первоначально он был полностью размагничен. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения. Пример петли показан на рисунке 6.

Рисунок 6–  Петля Гистерезиса

1.3.2. Влияние внешних механических воздействий на эффект гигантского магнитного импеданса 
      Открытие эффекта GMI практически сразу определило нишу возможных практических приложений аморфных микропроводов в качестве датчиков магнитного поля [19]. Поскольку магнитные свойства провода во многом определяются приложенными к нему механическими напряжениями, то микропровода исследовались также, как возможные сенсорные элементы для датчиков стресса. Во втором случае, наряду с магнитоимпедансым эффектом, говорят о магнитомеханическом эффекте. Экспериментальному исследованию влияния на эффект GMI аксиальных [20] и скручивающих [21] напряжений посвящена довольно обширная литература.
      Наиболее типичные экспериментальные зависимости эффекта GMI от приложенных аксиальных напряжений приведены на рисунке 7. Представленные на рисунке 7  результаты получены в [22] на частоте 2 ГГц для образца, в котором, в отсутствие внешних напряжений ? ? 0 МПа, реализуется геликоидальная анизотропия. После приложения нагрузки ? ? 900 МПа происходят следующие изменения: увеличивается ширина пика и изменяется величина импеданса вблизи нулевого поля.

1.3.3 Влияние постоянного тока на эффект гигантского магнитного импеданса при перемагничивании провода
На эффект GMI существенное влияние может оказывать постоянный ток. На рисунке 7 представлены две характерные экспериментальные особенности, полученные в [23] для закрученного провода при одновременном пропускании через него электрического тока. Вблизи нулевого магнитного поля при перемагничивании провода имеют место магнитный гистерезис и резкие скачки на зависимости GMI (кривая, соответствующая току 0 мА). При пропускании тока магнитный гистерезис исчезает, а кривые GMI приобретают ассиметричную форму.












Рисунок 7 – Асимметрия и гистерезис GMI в закрученном проводе под действием постоянного тока.
      В рамках модели Стоунера-Вольфарта предполагается, что применение скручивающих напряжений приводит к наклону оси легкой намагниченности. При этом в упрощенном виде считается, что анизотропия остается одноосной по всему объему проволоки. Это значительное упрощение, но оно позволяет, тем не менее, в первом приближении описывать в соответствии со следующими экспериментально наблюдаемыми эффектами: фрустрации по GMI, асимметричный GMI, устранение этих пробоев при определенном значении тока (кривые 15 мА на рисунке 7). Однако, основываясь на теоретический анализ не правильно предсказывает поля, на которых зависимость GMI потерпит неудачу, и дает неправильную оценку того, какие текущие (при каких условиях) зависимости GMI станут не гистерезисными.

1.3.4 Влияние температуры на эффект гигантского магнитного импеданса
      Изучая ферромагнетики, следует сделать вывод о том, то их многие свойства зависят от температурного диапазона,  следовательно значение эффекта ГМИ тоже имеет зависимость от температуры.
      В аморфных лентах состава Fe4Co67Mo1,5Si16,5B11 (Vitrovac 6025) были исследованы температурные зависимости магнитных свойств и фазовые переходы. [24]. Исследовались образцы в аморфном состоянии и отожженные до нанокристаллического состояния. Измерения проводились в диапазоне температур от 30К до температур порядка 1000К. Большой интерес представляют представленные в данной работе температурные зависимости магнитной проницаемости (рисунок 8) и намагниченности (рисунок 9). На основе данных зависимостей можно сделать вывод о поведении магнитоимпеданса при различных температурах. Из анализа зависимостей магнитной проницаемости и намагниченности следует, что температура Кюри данного сплава для аморфного состояния составляет 502К, для нанокристаллического – 515К. Можно предположить, что при приближении к температуре Кюри будет наблюдаться падение импеданса до некоторого минимального значения. При температурах, выше температуры Кюри зависимость импеданса от внешнего магнитного поля и от механических напряжений, вероятно, наблюдаться не будет. Появление намагниченности в интервале температур от 820К до 1000К связано с выделением кристаллической ферромагнитной фазы.










Рисунок  8 – Температурная зависимость магнитной проницаемости для лент Vitrovac 6025Z в нанокристаллическом (nanostructured) и аморфном (as received) состояниях.


Рисунок  9 – Температурная зависимость намагниченности лент Vitrovac 6025 в аморфном (as received) и нанокристаллическом (nanostructured) состояниях.
     Проанализированный характер в работе[25] преобразования начального импеданса Z0 и Zm при максимальном значении при измененной температуре без внешних упругих растягивающих напряжений для различных частот переменного тока. (рис. 8.) Во всем частотном диапазоне при увеличении температуры от 20С до 190С величина начального импеданса Z0 возрастает. С дальнейшим ростом температуры магнитный импеданс образцов уменьшается. Температурный характеристики проявляются при максимальных значениях импеданса Zm зависит от частоты переменного тока, протекающего по образцу. Для частот 6-10 МГц с увеличением температуры наблюдается сначала небольшой рост, а затем падение Zm. Для частот меньших 6 МГц после начального роста Zm происходит его уменьшение до температуры 160С, а затем вновь наблюдается небольшой рост Zm до температур порядка 190С, который сменяется падением.











Рисунок 10–  Зависимость начального Z0 и максимального импеданса Zm фольг Vitrovac 6025Z от температуры в диапазоне частот переменного тока от 0,5МГц до 10МГц.
      Зависимости ГМИ-эффекта от температуры для различных частот переменного тока имеют отличия (рис. 11). Для частот 6-10 МГц наблюдается уменьшение ГМИ-эффекта с ростом температуры, для меньших частот наблюдается сначала небольшое увеличение ГМИ-эффекта, а потом его резкое падение.

Рисунок  11–  Зависимость величины ГМИ-эффекта в фольгах Vitrovac 6025Z от температуры в диапазоне частот переменного тока от 0,5МГц до 10 МГц

  Обзор сенсоров магнитных полей, их характеристики
     В конце 2011 года на рынке микроэлектроники появляются первые МИ-сенсоры основанные на ГМИ. Корпорация AICHI STEEL (Япония) анонсирует первый миниатюрный трехосный электронный компас-акселерометр основанный на 6-и МИ-элементах.  Компас в своем составе содержит МИ-элементы, 12-и битный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), усилители, и микроконтроллер,  блок схема устройства приведена на рисунке 12 [26].
      
     Рисунок 12 – Устройство сенсора
     Данное устройство поставляется в миниатюрном корпусе 6х5,2х1,57 мм. Основные  технические данные приведены в таблице 1.

     Таблица 1 - Основные  технические данные
     Параметр
значение
Ед. измер
     Предел измерения поля
? 0,3
мТ
     Чувствительность
10
Бит/мкТ
     Напряжение питания
2,8…3,6
В
     Нелинейность 
4
%
     Измерение переменных полей
До 1
кГц
     Рабочий интервал температур
-20…+85
С
     
     В 2013 году еще один производитель датчиков и интегральных микросхем Honeywell презентовал новый трехосевой магнитный датчик для поверхностного монтажа - HMC5883L. Этот многофункциональный микро-миниатюрный модуль измеряет слабые магнитные поля в диапазоне 0,1-10Э и может быть применен в мобильных телефонах, электронных компасах, системах навигации, измерителях магнитной индукции. HMC5883L изготовлен из мигниторезистивных элементов HMC118X, включает мультиплексор, 12- битный АЦП, стабилизационный уси.......................