王宗篪，曾艺秀，黄思俞，肖波齐

（三明学院机电工程学院，福建三明365004）

含钴基非晶带线圈LC振荡电路的巨磁阻抗效应

王宗篪，曾艺秀，黄思俞，肖波齐

（三明学院机电工程学院，福建三明365004）

把含Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15非晶带的电感线圈与电容Cs串联再与Cp并联，组成仿石英晶体LC振荡电路。实验得到该电路有3个固有谐振频率，一个串联谐振频率fs，另一个并联谐振频率fp，还有第3个谐振频率ft。实验测量了在固有谐振频率以及其邻近频率下电路的阻抗比、阻抗角随外磁场变化的关系，还测量了电路的阻抗绝对比随频率的变化关系，得到了在串联谐振和并联谐振频率下巨磁阻抗效应增强的结果，且并联谐振态下巨磁阻抗效应最显著，第3个谐振频率下电路没有巨磁阻抗效应。

钴基非晶带；石英晶体振荡器；LC共振；巨磁阻抗效应

巨磁阻抗效应（giantmagneto impedance effect,简称GMI）是指在外磁场的作用下,软磁材料的交流阻抗发生比较明显变化的现象[1]。巨磁阻抗效应可分为横向驱动和纵向驱动两种。横向驱动，交变电流从样品中流过，产生的驱动磁化场对丝状样品来说是环向的，对薄膜或者条带样品来说是横向的。纵向驱动，是把样品放在长螺线管线圈中，交变电流从线圈通过，从而对条带样品产生纵向的驱动磁化场[2]。由于巨磁阻抗效应在室温下对小直流磁场具有巨大和灵敏的响应，许多研究者利用该效应开发出了磁场、位移等传感器，显示巨磁阻抗效应的广阔应用前景[3-5]。

近年来，人们在测量电路中并入了电容或在软磁材料中加入绝缘层构造电容，组成了LC共振回路，在共振的频率附近出现了显著的GMI共振增强[6-13]。研究其LC共振型GMI效应现象和规律，有助于开发新的LC电路共振器件，这将在调制、解调、滤波、振荡等自动控制电路得到广泛应用。

石英晶体振荡器可以等效成LC谐振电路，如图1所示。它有两个固有谐振频率，串联谐振频率fs和并联谐振频率fp，如图2所示[14]。含钴基非晶带电感线圈与电容Cs串联再与Cp并联，组成仿石英晶体LC振荡电路，如图3所示。实验已发现，含钴基非晶带线圈LC振荡电路有3个固有谐振频率，如图4所示[15]。本工作测量了仿石英晶体LC振荡电路在3个固有频率以及其邻近频率下电路的阻抗比、阻抗角随外磁场变化的关系，还测量了电路的阻抗绝对比随频率的变化关系，得到了在串联谐振和并联谐振频率下巨磁阻抗效应显著增强，且并联谐振态下巨磁阻抗效应更加显著，第3个谐振频率下仿石英晶体LC振荡电路没有巨磁阻抗效应。

图1石英晶体的等效电路

图2石英晶体LC谐振电路的电抗随频率的变化关系

图3仿石英晶体等效电路图

图4仿石英晶体振荡电路的电抗X随频率的变化关系

1　实验

钴基非晶带Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15是由单辊快淬法制备而成，样品长为4 cm，宽1.8 mm，厚25μm，把样品放入匝数200的螺线管内，组成一个电感L的线圈。当螺线管通有交变电流时，对钴基非晶带样品产生一个交流纵向驱动磁化场。把放有钴基非晶带的线圈与电容Cs=2×10-3μF串联再与电容Cp=4×10-4μF并联，组成仿石英晶体LC振荡电路，如图3所示。把含钴基非晶带线圈置于Helmholtz线圈中心，Helmholtz线圈通以直流电流，产生直流外磁场范围为0～1712 A/m，磁场的方向与螺线管轴向平行，且与地磁场垂直，测量在室温下进行，通过螺线管的驱动电流保持i=5 mA。

实验采用日置公司生产的3535LCRHITESTER测量仪，该仪器的频率测试范围是0.1～120 MHz，可以测量的物理量包括电路中阻抗Z、电抗X、电阻R和阻抗角θ等。

定义仿石英晶体LC振荡电路的阻抗比为：

定义仿石英晶体LC振荡电路的阻抗绝对比为：

2　结果与讨论

由图4，仿石英晶体LC振荡电路有3个谐振频率。串联谐振频率fs=852.4 kHz，并联谐振频率fp=1.762 MHz,与石英晶体LC振荡电路有2个固有谐振频率不同，含钴基非晶带线圈LC振荡电路还存在第3个固有谐振频率ft=4.546 MHz。

2．1仿石英晶体LC振荡电路在谐振频率下的巨磁阻抗效应

图5为在不同谐振频率的交变电流下，仿石英晶体LC振荡电路的阻抗比随外磁场的变化关系。

从图5可见，在串联谐振频率fs=852.4 kHz的交变电流下，随着外磁场增大，仿石英晶体LC振荡电路的阻抗比先增大后减小，在外磁场Hex=238.854 A/m时，阻抗比达到最大值39.2%。在并联谐振频率fp=1.762 MHz的交变电流下，仿石英晶体LC振荡电路的阻抗比随着外磁场的增大先增大后持续下降，在外磁场为Hex=71.656 A/m时，阻抗比达到最大值423.8%。在第3个谐振频率ft=4.546 MHz的交变电流下，仿石英晶体LC振荡电路的阻抗比基本都不随外磁场发生变化。因为当频率f大到一定值时变得很小，电路中的总阻抗主要是并联电容那条支路即Z2起主要作用，串联电容支路的阻抗Z1可以忽略，因此在第3个谐振频率下，仿石英晶体LC振荡电路的阻抗基本不发生改变，则没有GMI现象。

图5在不同谐振频率下阻抗比△Z/Z随外磁场的变化关系

由图5还可以看出，在并联谐振频率下，仿石英晶体LC振荡电路的阻抗比随外磁场变化最大，即在并联谐振频率下，仿石英晶体LC振荡电路的巨磁阻抗效应最显著。

2．2仿石英晶体LC振荡电路在谐振频率和其邻近频率下巨磁阻抗效应

在串联谐振频率fs=852.4 kHz及其邻近频率f1=500 kHz、f2=900 kHz、f3=1 MHz的交变电流作用下，并联谐振频率fp=1.762 MHz及其邻近频率f4=1.7 MHz、f5=1.8 MHz、f6=2 MHz的交变电流作用下，分别测得仿石英晶体LC振荡电路的ΔZ/Z、阻抗角随外磁场的变化关系，见图6～9。

由图6和图8可见，在串联谐振频率、并联谐振频率以及偏离谐振频率时，仿石英晶体LC振荡电路的阻抗比均随着外磁场的增大先增大后减少。当f3=900 kHz时，在外磁场Hex=143.31 A/m时，ΔZ/ Z最大，又由图7可见，在f3=900 kHz的阻抗角θ与外磁场的变化关系曲线上，在Hex=143.31 A/m时，所对应的阻抗角θ=0。即当Hex=143.31 A/m时，f3=900 kHz为电路的谐振频率。在图8中，当f4=1.8 MHz时，在外磁场Hex=87.58 A/m时，ΔZ/Z最大，又由图9可见，在f4=1.8 MHz的阻抗角θ与外磁场的变化关系曲线上，在Hex=87.58 A/m时，所对应的阻抗角θ=0。即当Hex=87.58 A/m时，为电路的谐振频率f4=1.8 MHz。当f4=2 MHz时，在外磁场Hex=191.08 A/m时，ΔZ/Z最大。又由图9可见，在f4=2 MHz的阻抗角θ与外磁场的变化关系曲线上，在Hex=191.08 A/m时，所对应的阻抗角θ=0。即当Hex= 191.08 A/m时，f4=2 MHz为电路的谐振频率。实验结果说明了LC电路谐振的选频可以通过外磁场来控制。由图6、图8可以看出，在串联谐振和并联谐振附近，阻抗比均随着外磁场的增大先增大后减少，在并联谐振频率fp=1.762 MHz时，阻抗比的最大值为423.8%，在串联谐振fs=852.4 kHz时，阻抗比的最大值为39.2%，偏离谐振频率的ΔZ/Z均比谐振频率下的ΔZ/Z要小。实验结果说明了在串联谐振和并联谐振频率下仿石英晶体LC振荡电路的巨磁阻抗效应具有增强的结果，且并联谐振态下巨磁阻抗效应最显著。

图6串联谐振频率和偏离谐振点的阻抗比随外磁场的变化关系

图7串联谐振频率和偏离谐振点的阻抗角随外磁场的变化关系

图8并联谐振频率和偏离谐振点的阻抗比随外磁场的变化关系

图9并联谐振频率和偏离谐振点的阻抗角随外磁场的变化关系

2．3仿石英晶体LC振荡电路的阻抗绝对比ΔZ/Zm随驱动电流频率的变化关系

通过实验，根据（2）式得到仿石英晶体LC振荡电路的阻抗绝对比ΔZ/Zm随驱动电流频率的变化关系，如图10所示。由图10可见，仿石英晶体LC振荡电路在串联谐振频率下阻抗绝对比有个极大值，即在f=852.4 kHz时，仿石英晶体LC振荡电路的阻抗绝对比ΔZ/Zm达到一个极大值26%。当驱动电流频率在并联谐振频率附近，仿石英晶体LC振荡电路的阻抗绝对比ΔZ/Zm达到最大，最大值为420%。仿石英晶体LC振荡电路在第3个谐振频率下阻抗绝对比ΔZ/Zm≈0，没有巨磁阻抗效应。实验结果说明了仿石英晶体LC振荡电路的巨磁阻抗效应有很好的频率选择性。

3　结论

石英晶体振荡器可以等效成LC谐振电路，它有两个固有谐振频率，串联谐振频率fs和并联谐振频率fp。含钴基非晶带电感线圈与电容Cs串联再与Cp并联，组成仿石英晶体LC振荡电路，实验已发现，它有3个固有谐振频率，除了串联谐振频率fs和并联谐振频率fp外，还有第3个谐振频率ft。在并联谐振频率下阻抗比的最大值为423.8%，在串联谐振下阻抗比的最大值为39.2%，在第3个谐振频率下阻抗基本不随着外磁场发生改变，偏离串联和并联谐振频率下阻抗比都比对应谐振频率下阻抗比小。实验结果表明，仿石英晶体LC振荡电路在串联谐振和并联谐振频率下巨磁阻抗效应增强，且并联谐振态下巨磁阻抗效应最显著，第3个谐振频率下没有巨磁阻抗效应。实验结果还说明了仿石英晶体LC振荡电路的巨磁阻抗效应具有很好的频率选择性。

图10阻抗绝对比ΔZ/Zm随f的变化关系

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(责任编辑：朱联九）

The Giant Magneto-impedance Effect of LC Oscillation Circuit Composed of Capacitors and a Coil which Containing Co-based Amorphous RAibbons

WANG Zong-chi，ZENG Yi-xiu，HUANG Si-yu，XIAO Bo-qi
(School of Electromechanical Engineerig,Sanming University,Sanming 365004,China)

In this study,the bionic quartz crystal oscillation circuitwas composed of a inductance coilwhich containing Co-based amorphous ribbons in seriesw ith a capacitor Csand then in parallelw ith a capacitor Cp.Three inherent resonant frequencieswere found in bionic quartz crystal oscillation circuit through experiments,one series-resonant frequency fs, another parallel-resonant frequency fp,the third resonant frequency ft.The field dependence of impedance ratio and impedance angle weremeasured in the bionic quartz crystal oscillation circuit at inherent resonant frequencies and near inherent resonant frequencies,respectively,the frequency dependence of the impedance absolute ratio wasmeasured in the bionic quartz crystaloscillation circuit,the enhanced giantmagneto-impedance effect（GMI）in the series-resonantstate and parallel-resonant state of the bionic quartz crystal oscillation circuitwere obtained,and themaximum GM Iwas in the parallel-resonant state of the bionic quartz crystaloscillation circuit,and none of GM Iwas in the third resonant state of the bionic quartz crystaloscillation circuit.

Co-based amorphous ribbons;quartz crystaloscillator;LC circuit resonant;giantmagneto-impedanceeffect

TM 15

A

1673-4343（2015）06-0041-05

10．14098／j．cn35－1288／z．2015．06．009

2015-09-08

福建省省属高校科研专项（JK2010060）

王宗篪，男，福建永安人，教授。主要研究方向：磁性材料。