[发明专利]一种用于提高软磁材料阻抗效应的退火装置及其退火方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁传感器领域，具体来说，是一种通过改变磁性丝、磁性带及膜材料的磁畴结构，从而改变材料的磁各向异性性能，达到有效地提高丝、带及膜材料的阻抗变化效应的退火装置及其退火方法。

背景技术

磁传感器一直在现代技术中承担着重要角色，并广泛应用于工程工业领域，如生物磁测量、地磁导航、以及地球勘探等。用来实现磁传感器的原理有很多，例如霍尔效应、磁阻效应、巨磁阻效应、巨磁阻抗效应、核进动、超导量子干涉仪、磁弹性效应等，然而达到超高精度的很少，巨磁阻抗(GMI)磁传感器是这为数很少之一，现在美国、日本等已研制出GMI磁传感器，其精度已达到nT量级。

巨磁阻抗(GMI)磁传感器其敏感元件大多采用Co基、Fe基的非晶丝、带和膜等软磁或铁磁材料，当然也有其它材料，如目前的钙钛矿结构锰酸盐也存在巨磁阻抗效应。针对磁传感器精度许多人纷纷想办法提高材料的巨磁阻抗比，尤其是在材料退火处理方面做了很多研究。目前，退火处理的方式大致有七种，分别为传统退火方式、电流退火方式、磁场退火、传统应力退火、应力和磁场同时退火、应力和电流同时退火以及激光退火等，下面主要介绍这几种退火方法：

(1)传统退火方式

传统退火方式是将样品放在一定的气氛下或真空中进行一定时间的加热处理，通过释放材料的内部应力，提高横向各向异性来提高磁阻抗效应，但这种传统的退火方式对Fe基材料有提高，而对Co基反而减小了其磁阻抗效应，主要是由于这种退火方式减小了横向各向异性而导致磁阻抗效应减小。

(2)电流退火方式

电流退火包含两种，分别是焦耳热退火和交流退火。焦耳热退火是通过沿样品轴向持续一定时间加一直流电流让其直接对样品加热以达到退火目的。交流退火是在传统退火方法基础上，沿样品轴向加交流电流。这两种方法均可以有效地提高材料的巨磁阻抗效应。

(3)磁场退火方式

磁场退火主要分为沿非晶丝(带)的轴向加磁场(即纵向磁场退火)和沿着径向加磁场(即横向磁场退火)两种，并且这两种都是直流磁场下退火的。该方法的优点是不仅可以增大材料的巨磁阻抗比而且可以提高材料的磁响应，有利于GMI磁传感器的制作，但该方法会使材料产生较大的磁滞现象，特别在外磁场小于各向异性场时。这一方法对Co基和Fe基材料都是有效的。

(4)传统应力退火方式

传统应力退火方式是在退火时加入外部应力来改变磁材料特性，这在Co基非晶丝(带)都有大量的实验研究，并得到很好的结果。Tejedor M等在J Magn Magn Mater“stress and magnetic field dependence of magneto-impedance in amorphous Co_66.3Fe_3.7Si₁₂B₁₈ribbons”提到Co基非晶带经过500Mpa的传统应力退火后，其磁场灵敏度在3MHz下达到83％/Oe。而铁基非晶带通过传统应力退火后巨磁阻抗效应却有明显降低，这是由于铁基非晶带与Co基非晶带的磁畴结构不一样，传统应力退火减小了其横向各向异性所以出现降低，此种方式不适合铁基材料。

(5)应力和磁场同时退火方式

应力和磁场同时退火方式是在材料退火的同时加入外部应力和直流磁场，这种方式对材料的磁各向异性有显著的影响。用此方法可以观察到材料的磁阻抗效应的不对称性，所以用该方式处理后材料有利于自偏置线性传感器的制作。

(6)应力和电流同时退火方式

这一退火方式是焦耳热退火的改进，是在热处理的同时加入外部应力来提高材料的巨磁阻抗效应。大量的文献也提到这一退火方式不仅可以提高磁阻抗效应同时也可提高应力阻抗效应，而且该方法的另一重要优点就是可以减小软磁材料磁滞现象，对于无磁滞传感器极为有用。

(7)激光退火方式

激光退火方式是Ahn首次提出并应用在Co基非晶带效果明显，在136mJ阻抗比达到最大30％，一种通过激光能量来改变材料的微结构，进而增加材料各向异性能，由于各向异性能的改变材料各项软磁性能都随之改变，从而提高材料的巨磁阻抗效应。由于其相比传统的退火方式具有非接触，执行快速(仅需几微秒)以及无需任何气氛等优点，被人们认为提高磁阻抗效应的最佳方式，但其设备昂贵，所以不能很好的推广。

发明内容