自1992年在钴基非晶丝发现巨磁阻抗 (GMI) 效应以来, GMI效应就成为人们研究的热点。与此同时, 由于某些百富策略白菜网领域对小型化、微型化、薄膜化以及集成化磁敏传感器的需求, 推动了薄膜材料如单层薄膜、夹层结构及多层薄膜材料中GMI效应的研究[1,2,3] 。研究结果表明, 夹心结构及多层膜结构可以在较低频率 (10MHz) 下获得较高的GMI效应, 其磁场灵敏度在30%~50%/Oe, 达到了非晶丝的灵敏度。另一方面, 当软磁材料受外力作用时, 将会导致其磁学性能的改变如磁导率、磁各向异性场等, 从而表现出交流阻抗的变化, 即应力阻抗 (SI) 效应。SI效应最初是在具有负磁致伸缩系数的钴基非晶丝中发现的[4], Shen等报道了钴基非晶丝在20MHz、作用14MPa的拉应力时, 其SI效应为14%, 应变因子为1200, 是硅材料的6倍。后来, 以SI效应原理, Mohri K等对以非晶丝为力敏材料的SI效应传感器进行了百富策略白菜网探索研究[5,6], 然而采用薄膜或多层膜为力敏材料的传感器研究则报道的较少[7,8,9,10]。已经报道, Fe基非晶合金材料如FeB和FeSiB对外加小的应力/应变会展示灵敏的磁弹性效应[11,12], 因此期望FeSiB薄膜由于高的磁致伸缩系数和高饱和磁感应强度也会产生大的SI效应。本实验介绍了采用溅射法制备了曲折状FeSiB/Cu/FeSiB三层膜, 并对其应力阻抗效应进行了研究。

曲折状三层膜是由带有两扩展电极引线的Cu层和外面包围的FeSiB薄膜构成, 即中间层为Cu层, 上下两层均为FeSiB薄膜, Cu膜与FeSiB的宽度均为0.5mm, 线条间距为1mm.图1给出了在玻璃基片上制备的曲折状FeSiB/Cu/FeSiB三层膜结构示意图。

采用磁控溅射方法在玻璃基片 (厚度为0.15mm) 上制备了曲折状FeSiB/Cu/FeSiB三层膜。靶的成分为Fe77.5Si7.5B15 (按原子百分比) 。开始溅射之前, 基底的真空为1.2×10-4Pa, 溅射条件选择为溅射Ar气压和溅射功率分别为5.5Pa和600W。在溅射过程中沿薄膜的短方向施加约16kA/m的磁场。在这样条件下制备的大块尺寸 (26mm×72mm) 的FeSiB薄膜在短方向具有横向单轴磁各向异性。在单层FeSiB薄膜的制备条件下, 采用金属掩膜方法制备了FeSiB/Cu/FeSiB三层膜。首先采用金属掩膜制备第一层FeSiB薄膜, 接着溅射Cu薄膜, 最后再溅射FeSiB薄膜, 至此得到了FeSiB/Cu/FeSiB三层膜结构。

应力阻抗效应的测量是在HP4194A阻抗分析仪上自动完成的, 测试频率范围为1~40MHz, 电流幅值为10mA, 测量过程中没有施加磁场。图2给出了应力阻抗效应测试系统的结构示意图, 其中带有两电极引线的一端固定, 而悬臂自由端的变形通过一个具有微米级移动精度的驱动杆实现。应力阻抗效应的大小采用如下定义:比值SI (%) =100%*[Z (d) -Z (0) ]Z (0) , 其中Z (d) 和Z (0) 分别为有无外力作用下FeSiB/Cu/FeSiB三层膜的阻抗值。

图3 (a) 给出了曲折状FeSiB/Cu/FeSiB三层膜在张应力作用下应力阻抗效应随自由端位移变化的曲线, 其中FeSiB薄膜和Cu膜的厚度分别为4μm和1.8μm。可以看出, 随自由端位移的增加, SI效应近似成线性增加, 在频率25MHz、自由端位移1mm时, SI比值达-18.3%。众所周知, 自由端的弯曲将在薄膜中产生压应力或张应力, 将引起薄膜磁各向异性场的变化, 磁各向异性场的变化会导致薄膜中磁导率的变化, 从而引起薄膜的高频阻抗的变化。在张应力的情况下, FeSiB薄膜由于具有正的磁致伸缩系数, 磁弹性能趋向位于薄膜的长方向, 这将导致薄膜的磁各向异性随自由端位移的增加而增大, 其磁导率将下降, 从而导致三层膜中SI效应的下降。

另外, 对FeSiB薄膜和Cu膜厚度对三层膜中SI效应的影响进行了研究, 图3 (b) 给出了只改变FeSiB膜厚度, 而Cu膜厚度为3.5μm时, FeSiB/Cu/FeSiB三层膜在张应力下应力阻抗效应随自由端位移变化的曲线, 其中FeSiB薄膜的厚度分别为4μm和2μm。由图3 (b) 可以看出, 应力阻抗效应随自由端位移变化的行为与图3相似, 在频率25MHz、FeSiB薄膜厚度为4μm, 自由端位移1mm时, SI比值达-15%。SI比值并没有随Cu膜厚度的增加而增加, 反而下降。相反, 而FeSiB薄膜的厚度变化对SI比值有重要影响, FeSiB薄膜的厚度减少一半, 即为2μm的情况下, 在频率25MHz、自由端位移1mm时, SI比值达-7%。厚FeSiB薄膜的FeSiB/Cu/FeSiB三层膜结构可获得较大的SI效应, 可能与厚FeSiB薄膜中趋肤效应增强以及漏磁通减少有关。然而, SI效应产生的机理比较复杂, 目前并不十分清楚, 需进一步深入的研究。

应变因子是描述材料对外力敏感性的重要指标, 该指标的大小对其在力敏传感器方面的百富策略白菜网十分重要。根据应力/应变理论[13], 磁性薄膜的应变和应变因子可以用下式表示:ε=2dh[L- (a+b) /2]/2L3及F= (ΔZ/Z) /ε, 其中ΔZ/Z为SI比值, d自由端的位移, h为玻璃衬底的厚度, L为样品的长度, a和b的定义见图2。在实验中, L=24mm, h=0.15mm, a=12mm及b=22mm。对于由厚度为4μm的FeSiB薄膜构成的三层膜结构, 在频率25MHz、自由端位移1mm时, SI比值=18.3%, 计算的应变和应变因子分别为ε=114×10-6, F=1600。而常规的金属材料和半导体材料, 其应变因子仅为2和200[14], 由此可见, 曲折状FeSiB/Cu/FeSiB三层膜结构在力敏传感器方面具有明显的优势。

在玻璃基片上, 百富策略白菜网溅射法并结合金属掩模制备了曲折状的FeSiB/Cu/FeSiB三层膜。结果表明, 对于由厚度为4μm的FeSiB薄膜构成的曲折状FeSiB/Cu/FeSiB三层膜, 在自由端位移1mm及频率25MHz时, 其应力阻抗效应达-18.3%, 应变因子为1600, 远远高于常规的金属材料和半导体材料, 在新型力敏传感器中具有广阔的百富策略白菜网前景。