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TbDyFe-FeNi多层膜及其与光纤复合结构的制备和磁敏性能研究

作　者: 吕凤军
导　师: 斯永敏
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 磁控溅射 磁致伸缩 马赫-曾德尔干涉仪 磁传感器 有限元方法
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要


本文研究了TbDyFe-FeNi多层膜的磁性能,着重分析了多层膜的磁致伸缩性能,并使多层膜与光纤结合,对TbDyFe-FeNi多层膜/光纤的磁探测性能进行了理论分析及实验测试。 采用直流磁控溅射工艺,在单晶硅片上镀制Fe1-xNix薄膜、TbDyFe薄膜和TbDyFe-Fe1-xNix多层膜。利用X射线衍射（XRD）、扫描电境（SEM）及能谱对薄膜的结构、成分和微观形貌进行分析。分析表明:薄膜内部成分相当均匀;制备的TbDyFe薄膜具有非晶组织结构,Fe1-xNix薄膜为晶态结构,TbDyFe-Fe1-xNix多层膜结构为TbDyFe薄膜和FeNi薄膜的叠加。对薄膜磁性能研究发现,随着x值的增大,Fe1-xNix薄膜的软磁性能增强,TbDyFe薄膜易磁化方向垂直于膜面,而TbDyFe-Fe1-xNix多层膜和Fe1-xNix薄膜的易磁化方向平行于膜面,Fe1-xNix薄膜的引入,使得多层膜的饱和磁场强度降低,软磁性能增强。对薄膜的磁致伸缩形变测试发现,TbDyFe-FeNi多层膜的磁致伸缩性能远远大于TbDyFe薄膜的磁致伸缩性能,多层膜的磁致伸缩性能与FeNi膜层和TbDyFe膜层的厚度有关,其大小随着FeNi膜层和TbDyFe膜层厚度的减小而增加;另外,外加磁场下镀膜和进行一定温度真空热处理能有效地提高多层膜的磁致伸缩系数。 利用TbDyFe-FeNi多层膜/光纤复合结构模型,研究多层膜/光纤复合结构的磁-机-光耦合关系以及影响因素;建立多层膜/光纤磁敏传感唯象模型,对复合结构进一步探讨。并得出:多层膜厚度和磁致相位之间的关系,研究发现两个模型结果在较低磁场下是相吻合的。利用ANSYS分析软件对TbDyFe-FeNi多层膜/光纤结构进行模拟计算,得出了光纤磁致相位和薄膜厚度的数值关系,其变化趋势和前两个模型结果一致,同时计算了外界磁场对光纤磁致相位影响大小。 制备TbDyFe-FeNi多层膜/光纤复合结构。采用马赫-曾德尔干涉仪,对TbDyFe-FeNi多层膜/光纤传感系统的磁探测性能进行了实验测试。结果表明:在调制频率为4700Hz附近,传感系统对磁场具有最大的信号响应:在磁场强度较小的情况下,系统响应信号大小随调制磁场强度和直流磁场线性增加;传感系统可探测的最小磁场为2.34×10-4A/m,其数值大小和ANSYS模拟结果相吻合。并实验论证了增加薄膜厚度能够有效提高系统的灵敏度。

全文目录


目录  4-6
图目录  6-8
表目录  8-9
摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章 前言  12-25
  1．1 超磁致伸缩薄膜的研究及其应用  12-18
    1．1．1 超磁致伸缩薄膜低场磁敏性理论研究  13-14
    1．1．2 超磁致伸缩薄膜低场磁敏性实验研究  14-18
    1．1．3 超磁致伸缩薄膜的性能特点与应用前景  18
  1．2 基于马赫-曾德尔光纤磁场传感器的磁敏传感臂研究及进展  18-24
    1．2．1 光纤磁敏原理  19-21
    1．2．2 光纤磁场传感器的研究及进展  21-23
    1．2．3 光纤磁场传感器的发展趋势  23-24
  1．3 选题依据及研究内容  24-25
第二章 实验与研究方法  25-30
  2．1 薄膜样品的制备  25-27
    2．1．1 溅射靶材的制备  25
    2．1．2 基片清洗  25
    2．1．3 溅射镀膜  25-26
    2．1．4 薄膜的热处理  26-27
    2．1．5 TbDyFe-FeNi多层膜/光纤复合结构的制备及性能研究  27
  2．2 薄膜样品的性能测试与表征  27-30
    2．2．1 薄膜结构及成分分析  27
    2．2．2 薄膜表面形貌、截面形貌和厚度观测  27
    2．2．3 薄膜磁性能测试  27-28
    2．2．4 薄膜磁致伸缩性能测量  28-30
第三章 结果讨论与分析  30-66
  3．1 薄膜结构和成分分析  30-35
    3．1．1 薄膜的截面形貌分析  30-31
    3．1．2 薄膜组织结构分析  31-33
    3．1．3 薄膜成分分析  33-35
  3．2 薄膜磁性能  35-40
    3．2．1 单一Fe_(1-x)Ni_x薄膜的磁性能  35-37
    3．2．2 单一TbDyFe薄膜的磁性能  37-38
    3．2．3 TbDyFe-Fe_(1-x)Ni_x多层膜的磁性能  38-40
  3．3 TbDyFe-Fe_(1-x)Ni_x多层膜磁致伸缩性能研究  40-46
    3．3．1 多层膜的△E效应对磁致伸缩计算结果的影响  40-41
    3．3．2 TbDyFe-Fe_(1-x)Ni_x多层膜磁致伸缩性能  41-44
    3．3．3 热处理对多层膜磁致伸缩性能的影响  44
    3．3．3 外加磁场条件下制备薄膜对磁致伸缩性能的影响  44-46
    3．3．4 外加应力条件下制备薄膜对磁致伸缩性能的影响  46
  3．4 超磁致伸缩薄膜/光纤复合结构模型理论  46-53
    3．4．1 超磁致伸缩薄膜/光纤复合结构简单模型计算  46-50
    3．4．2 超磁致伸缩薄膜/光纤复合结构修正模型计算  50-51
    3．4．3 超磁致伸缩薄膜/光纤复合结构形变唯象研究  51-53
  3．5 TbDyFe-FeNi 多层膜/光纤复合结构 ANSYS模拟计算  53-57
    3．5．1 有限元分析模型  54
    3．5．2 有限元分析方法  54-57
  3．6 TbDyFe-FeNi 多层膜/光纤磁敏传感臂磁性能实验研究  57-66
    3．6．1 TbDyFe-FeNi多层膜/光纤磁敏传感臂的制备及磁检测系统组成  57-58
    3．6．2 TbDyFe-FeNi多层膜/光纤磁敏传感臂磁敏性能测试  58-66
第四章 结论  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-72
论文发表情况  72

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工业通用技术与设备 > 薄膜技术
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