多功能应力阻抗效应自动测试仪的研制

介绍了一种多功能应力阻抗效应自动测试仪,该测试仪集成了巨应力阻抗(GSI)效应和巨扭力阻抗(TGI)效应的自动测试,可实现恒张力条件下测TGI效应,并可实现GSI效应和应力一应变的同时测试,从而直接计算GSI材料的应变因子(SGF)。

FeSiB薄膜的巨磁阻抗和应力阻抗效应研究

软磁材料中存在巨磁阻抗 (giantmagneto impedance ,GMI)效应以及与之相同来源的应力阻抗 (stress impedance ,SI)效应 ,利用这两种效应可以制成具有高灵敏度的微型化的磁场和应力 应变传感器。本文基于传感器的实际应用 ,对图形化的、较大磁致伸缩的FeSiB单层和多层薄膜的巨磁阻抗和应力阻抗效应中频率和退火的影响进行了研究。结果表明 ,对于两种效应 ,经过退火处理的单层和多层膜均可在较低的频率下得到较高的灵敏度 。

热处理温度对FeCoSiB薄膜及FeCoSiB/Cu/FeCoSiB三明治膜应力阻抗效应的影响

采用DC磁控溅射法在玻璃基片上制备了FeCoSiB薄膜和FeCoSiB/Cu/FeCoSiB 三明治膜,并进行磁场退火热处理以消除残余应力和形成磁织构,提高薄膜的应力阻抗效应。薄膜的磁性能采用振动样品磁强计(VSM)进行测试,采用HP4275A 型阻抗分析仪在200kHz^10MHz频率范围内测试薄膜的应力阻抗效应。结果表明,磁场退火热处理可形成感生磁各向异性,改善薄膜的软磁性能、提高薄膜的应力阻抗效应。在温度低于300℃时,随着退火温度的增加,薄膜的应力阻抗效应增大;当退火温度超过300℃时,薄膜的应力阻抗效应随退火温度增加而降低。与Fe CoSiB单层膜相比, FeCoSiB/Cu/FeCoSiB 三明治膜应力阻抗效应较大。10MHz测试频率下,在基片末端位移为450μm时,经300℃热处理的三明治膜达到了8.3%,而单层膜仅有1.86%。当测试频率较高为10和4MHz时,薄膜的应力阻抗效应变化不大,当测试频率下降到低于1MHz时,薄膜的应力阻抗效应显著降低。

FeCoSiB单层和FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层磁弹性膜应力阻抗性能研究

用磁控溅射法在玻璃基片上制备了FeCoSiB单层膜和FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜,并进行磁场退火热处理以消除残余应力和形成磁场织构。薄膜的磁性能采用振动样品磁强计(VSM)进行测试,采用HP4275A 型阻抗分析仪在200kHz^10MHz频率范围内测试了薄膜的应力阻抗(SI)效应。结果表明,磁场退火热处理可形成感生磁各向异性以及提高薄膜的SI效应,在10MHz测试频率下,FeCoSiB薄膜的ΔZ/Z可达1.5%,而FeCoSiB/Cu/FeCoSiB的可达8%。随着测试频率下降到1MHz时,薄膜的SI效应显著下降。

退火条件对FeCuNbSiB非晶带材应力阻抗效应的影响

研究了退火条件对非晶FeCuNbSiB带材应力阻抗性能的影响。结果表明,当退火温度为300℃时,FeCuNbSiB非晶带材开始慢慢晶化,当温度上升到500℃时,带材内部结构已由非晶态完全转变成晶态。当退火温度低于300℃时,退火能够消除部分应力,使阻抗变化的灵敏度提高;但当退火温度高于300℃时,随着退火温度的升高,应力阻抗效应减弱。退火时间超过1h,延长退火时间,对带材的应力阻抗性能影响不大。非晶FeCuNbSiB带材经100℃×2h的退火处理后,应力为2.7MPa时,应力阻抗变化可达26%。

退火工艺对Fe基薄带纵向驱动应力阻抗效应的影响

采用单辊快淬方法制备了Fe73.5Cu1Nb3S i13.5B9(Fe基合金)非晶薄带,利用HP4294A型阻抗分析仪测量了经不同温度退火的Fe基合金薄带在纵向驱动模式下的应力阻抗效应.实验结果表明:经550℃退火的Fe基纳米晶薄带在2.375 MHz电流驱动下的应力阻抗比高达650%,其应力响应灵敏度达120%/MPa.这种纵向驱动模式下的应力阻抗效应,相比其他获得应力阻抗效应的方法,具有灵敏度高、稳定性好的优点.

弯曲形FeSiB/Cu/FeSiB多层膜的应力阻抗效应

用磁控溅射法制备弯曲形FeSiB／Cu／FeSiB多层膜，在1～40MHz范围内研究FeSiB膜和Cu膜厚度对多层膜结构应力阻抗效应的影响。结果表明：多层膜的应力阻抗效应随着其形变位移的增加近似线性增加，在自由端变形1mm、电流频率5MHz时，应力阻抗效应达-17.3％，在新型力敏传感器方面具有广阔的应用前景。

退火工艺对铁基非晶薄带压应力阻抗效应的影响

采用单辊法制备了宽4.5 mm厚25μm的Fe73.5Cu1Nb3Si3.5B9非晶薄带,且对薄带进行了退火处理和金相分析,并研究了退火工艺对非晶薄带SI效应的影响.结果表明,非晶薄带经300℃退火后开始出现晶化现象;与淬态非晶薄带相比,退火可以增强非晶薄带的SI效应,经300℃×2 h退火后薄带的SI效应最大,当测试频率为50 MHz,测试压应力为3.6 MPa时,淬态非晶薄带的SI效应为5.63%,而经300℃×2 h退火后薄带的SI效应可达7.83%.

非晶粉/硅橡胶复合薄膜应力阻抗性能

选用硅橡胶为基材,Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶纳米晶软磁合金粉体为磁性功能填料,采用机械共混的方法制备非晶粉/硅橡胶力敏复合材料。采用自制测试夹具测试非晶粉/硅橡胶复合材料的阻抗值,采用扫描电镜分析非晶粉颗粒形貌及其在硅橡胶基材中分散情况,在此基础上研究了复合材料界面绝缘性、单层与多层叠加复合薄膜、加入导电层及其层数对复合应力阻抗性能的影响。研究结果表明:铜箔作为界面强化导电层的加入是提高复合薄膜力敏特性的有效途径之一,设计实验中的复合薄膜/铜箔/复合薄膜结构相当于聚合物/金属/聚合物三明治多层膜结构,对敏感性具有增强效应。

焦耳处理和等温退火对Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9非晶丝巨应力阻抗效应的影响

研究了焦耳退火和等温退火对Fe73.5Cu1 Nb3Si1 3.5B9非晶丝巨应力阻抗效应的影响。实验结果表明 ,非晶合金丝经电流密度为2 6A·mm- 2 的焦耳处理后 ,其阻抗最大变化率达到 2 5 % ,灵敏度为 1 71%·MPa- 1 ;淬态样品在 5 80℃等温退火 0 5h后 ,其阻抗最大变化率达到 67% ,灵敏度为 0 85 %·MPa- 1 。这两种退火方法都可以明显改善Fe73.5Cu1 Nb3Si1 3.5B9非晶合金丝的巨应力阻抗效应 ,阻抗的最大变化率与退火过程中晶化导致的平均各向异性的改变有关 。

非晶态合金材料应力阻抗效应研究进展

应力阻抗效应(SI)是近年来在非晶态合金材料中发现的又一新的具有研究和应用价值的特殊物理效应,利用这种效应可以研制出高灵敏度的应力/应变传感器。简单介绍了应力阻抗效应的理论依据,分析了近几年来国内外在这方面的研究进展,主要有非晶丝、非晶带和薄膜应力阻抗效应的研究以及不同处理工艺对其应力阻抗效应的影响,适当的处理工艺引入的各向异性对应力阻抗效应的提高有很大的贡献。

钴基非晶合金薄带应力阻抗效应的研究

通以高频交变电流的钴基非晶带在弯曲时,由于受到应力作用而具有显著的应力阻抗效应,实验中所用的材料是经过适当脉冲电流退火的钴基非晶合金薄带Co66.3Fe3.7Si12B18。研究了阻抗变化率随非晶带弯曲程度的变化关系以及交流电流幅值和频率对非晶带应力阻抗效应的影响。实验结果表明,在弹性体末端位移为正方向时,非晶带具有负的阻抗变化率,而位移方向为负时,具有正的阻抗变化率,且都随位移的增加而增大。在位移一定的情况下,阻抗变化率随着频率的增加先增大后减小,随电流大小的变化关系也具有这种趋势。

非晶FeCoSiB磁弹性薄膜的应力阻抗效应

磁弹性薄膜中的应力阻抗效应有望在高灵敏应力/应变传感器中得到应用,这引起了人们的广泛研究兴趣。我们利用磁控溅射的方法在玻璃基片上制备了FeCoSiB薄膜和FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜,并在真空中退火以获得较好的磁弹性,接着在200kHz～10MHz范围内测试了薄膜的应力阻抗效应。结果表明,退火可增强磁弹性薄膜的应力阻抗效应,并且FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层薄膜比FeCoSiB薄膜具有更高的应力阻抗效应。

退火条件对FeSiCoB薄膜应力阻抗效应的影响

为了提高FeCoSiB薄膜和FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜的磁弹性能,利用磁控溅射方法在玻璃基片上沉积制备薄膜样品,并在真空中退火。测试了不同温度退火后,薄膜样品的应力阻抗效应。结果表明,退火处理条件对薄膜的应力阻抗效应有较大的影响。在6.4kA·m–1磁场下,薄膜经300℃、40min退火处理后,单层FeCoSiB和多层FeCoSiB/Cu/FeCoSiB的应力阻抗效应分别为1.86%和8.30%。

FeCoSiB薄膜应力阻抗性能的的影响因素及提高方法

利用磁控溅射方法在玻璃基片上制备了F eCoS iB薄膜,溅射过程中施加一横向静磁场,并在真空中退火。实验结果表明,F eCoS iB的应力阻抗效应与制备工艺(工作气压、溅射磁场)和退火条件(退火温度、退火时间)有着非常密切的联系。当偏置磁场从60 O e增加到120 O e时,薄膜的应力阻抗从0.5%提高到了1.65%。在80 O e磁场下,薄膜经300℃、40 m in退火处理后,应力阻抗效应达1.86%。

应力退火下CoFeVSiB非晶薄带巨应力阻抗效应研究

采用快淬法制备CoFeVSiB非晶薄带,研究应力等温退火处理工艺对材料巨应力阻抗效应的影响。结果表明,经过应力退火工艺能有效增大应力阻抗变化率,零应力场下材料的阻抗值大幅降低,同时阻抗值随应力增加而急剧增大,存在一个峰值,80 MPa拉应力、300℃退火处理时材料的最高阻抗变化率ΔZ/Zσ=0%达到258%,灵敏度SGF达到13.0%/MPa。

弯曲应变下Co_(66)Fe_4Cr_2Si_(12)B_(16)非晶态合金带应力阻抗效应

对具有负磁致伸缩系数的Co66Fe4Cr2Si12B16非晶合金带在制备态下及经脉冲电流退火下的应力阻抗效应进行了研究。结果表明:长为50mm的非晶带,在仅5mm挠度的弯曲应变作用下材料可显示显著的应力阻抗效应,输出电压幅值变化率大于40%。非晶材料经电流密度为35A/mm2,频率为2Hz,持续时间为30s的脉冲电流退火处理后,可改善应力阻抗效应灵敏度。该非晶材料受张应力作用时阻抗减小,受压应力作用时阻抗增大,弯曲应变下的应力阻抗效应可用于制作具有高应变因子的力传感器及新型智能材料。

FeCuNbSiB非晶粉体/IIR复合薄膜的拉伸及压缩应力阻抗效应

以FeCuNbSiB非晶粉体／IIR复合薄膜材料为研究对象，分别研究了该材料在固定测试频率为1KHz下的拉伸和压缩应力阻抗效应。其中压缩速度为0．01mm／s，压缩最大应力为1MPa；拉伸速度为0．05mm／s，拉伸最大应力为2．4MPa。同时，将2种测试过程在每隔50s时间，计算一个等效的拟合点，并将这些等效拟合点进行曲线拟合，获得相应的拟合曲线。接着我们又对拉伸应力阻抗及压缩应力阻抗等效拟合曲线经行求导处理，得出相应的能够表征应力阻抗的敏感性的函数Z’（σ）。试验结果表明：拉伸过程阻抗随着应力增大而降低，压缩过程阻抗随着应力增大而增大。由于该复合薄膜的基体是丁基橡胶，适合于微小应力敏感的测试。而压缩应力阻抗方面，其耐压强度相对耐拉强度大很多，论文中只讨论了压应力范围为0～1MPa的压应力阻抗效应。在微应力条件下，压应力阻抗敏感性能不及拉伸应力阻抗。而在大应力下其应力敏感特性较好。

软磁纳米晶丝的巨应力阻抗和巨扭矩阻抗效应

在频率f=1MHz和纵向直流磁场H=0～±11.2kA/m下,分别测量了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9纳米晶丝(由非晶退火而得)在外加应力(σ=0～157MPa)及扭矩(ξ=0～62.8rad/m)作用下的磁阻抗效应分别为-35%和-66%。基于感生磁弹性各向异性的概念,对应力阻抗效应和扭矩阻抗效应进行了理论分析。与实验结果的对比表明,阻抗随应力和扭矩的改变可由感生各向异性模型来解释。

Cu层宽度对弯曲型三明治结构FeCuNbCrSiB/Cu/FeCuNbCrSiB多层膜应力阻抗效应的影响

基于MEMS微细加工工艺,利用磁控溅射方法在Si基片上制备了不同Cu层宽度弯曲型三明治结构的FeCuNbCrSiB/Cu/FeCuNbCrSiB多层膜,在频率1～40MHz下研究了Cu层宽度对多层膜的应力阻抗效应的影响。结果表明,弯曲型三明治结构多层膜的应力阻抗(SJ)效应随Cu层宽度的变化有明显的变化,在频率5MHz、基片自由端在y轴方向偏移的距离h为1500μm时,当Cu层宽度为0.4mm时,应力阻抗效应达-25%左右。