بخشی از مقاله
چکیده
اخیراً میکروتیوبهای NiFe/Cu که به روش لایهنشانی الکترونهشت تولید میشوند، قابلیت خود را در راستای ساخت اسباب حسگری بر مبنای امپدانس مغناطیسی نشان دادهاند. در این مقاله، لایه مغناطیسی NiFe با ضخامتهای مختلف با روش الکترونهشت بر روی سیم مسی 100 میکرومتری لایهنشانی شد و امپدانس مغناطیسی میکروتیوبهای NiFe/Cu اندازهگیری شد. با توجه به نتایج، ضخامت 660 نانومتری لایه NiFe دارای بیشترین درصد امپدانس مغناطیسی و همچنین دارای حساسیت بیشینه میباشد.
مقدمه
امروزه حسگرهای مغناطیسی نقش مهمی در تجهیزات صنعتی و پزشکی پیدا کردهاند. انواع مختلفی از این حسگرها مانند حسگرهای القایی، اثر هال، مگنتواپتیک، مقاومت مغناطیسی1 و امپدانس مغناطیسی2 وجود دارند که در بین آنها حسگر امپدانس مغناطیسی به خاطر داشتن مزایایی از قبیل اندازهی کوچک، حساسیّت بالا، مصرف کم انرژی، دقت بالا و قیمت ارزان مورد توجه بیشتری قرار گرفتهاست .[1] امپدانس مغناطیسی - - MI شامل تغییر امپدانس الکتریکی کل یک رسانای مغناطیسی - معمولاً رسانای فرومغناطیس - تحت اعمال یک میدان یکنواخت خارجیHext است، وقتی یک جریان متناوبI=I0eL W به اندازهی I0 و فرکانس f از نمونه عبور کند. این جریان طبق قانون آمپر یک میدان مغناطیسی القایی عرضی تولید میکند .
[2] اثر MI یک پدیدهی الکترومغناطیسی کلاسیکی است که در فرکانسهای بالا به شدت تحت میدان مغناطیسی طولی اعمال شده، تغییر میکند. اثر MI به اثر پوسته3 و نفوذپذیری مغناطیسی وابسته است .[3-6] مناسبترین مواد برای کاربرد در اثر امپدانس مغناطیسی - MI - ، مواد مغناطیسی نرم همانند آلیاژهای آمورف و مواد مغناطیسی نانوبلورین هستند.ولی اخیراً از سیمهای ترکیبی الکترونهشت شده که شامل یک هسته فلزی غیرمغناطیسی رسانای قوی - مانند نقره، مس بریلیوم، مس - و یک لایه نازک از مواد مغناطیسی نرمی مانند NiFeMo, NiFeRu, NiFe - - CoPCoNiFe میباشند، برای کاربرد در اثر امپدانس مغناطیسی استفاده میشوند.
این ساختارهای چندلایه، امپدانس مغناطیسی بالایی نشان میدهند و باعث بهبود بیشتر عملکرد حساسیت حسگرهای امپدانس مغناطیسی میشوند. همچنین این ساختارها در ناحیه فرکانسی کم و متوسط عملکرد بسیار خوبی از خود نشان میدهند - درحدودچندمگاهرتز - . برای سیمهای الکترونهشتشده، لایه مغناطیسی نهشت شده، ممکن است وضعیت حوزوی شعاعی یا دایروی داشته باشند که وابستگی بسیاری به ترکیب آلایهها و کاندیداهای فرآیند نمونه داشته باشد.
به طور تجربی نشان داده شده است که نمونههایی که ساختارهای حوزوی دایروی دارند امپدانس مغناطیسی بزرگتری از خود نشان میدهند. اگر کبالت بر روی سیم مسی نهشت داده شود ساختارهای حوزوی شعاعی خواهند داشت. درحالی که اگر نیکل- آهن بر روی مس نشانده شود، ساختار حوزه-ای دایروی خواهد داشت. علاوه بر این محتملتر است که NiFe/Cu امپدانس مغناطیسی بزرگتری از خود نشان دهد و به همین دلیل در این مطالعه این نوع سیمها آماده شده و امپدانس مغناطیسی آن اندازهگیری شده است.
روش آزمایش:
به منظور تولید میکروتیوب NiFe/Cu به روش الکترونهشت از یک سلول سه الکترودی استفاده شده است. که در آن الکترود Ag/AgCl، الکترود پلاتین و سیم مسی به ترتیب به عنوان الکترود مرجع، الکترود مقابل یا همان آند و الکترود کار یا همان کاتد به کار گرفته شدهاند. سیم مسی استفاده شده دارای ضخامت 100 میکرومتر میباشد. به منظور آماده ساختن سیمها ابتدا آنها را پولیش داده، سپس به مدت نیم ساعت در داخل اسید کلریدریک 0/7 مولار قرار داده و پس از آن عملیات آبکشی با آب مقطر انجام شده است، تا هیچ گونه اثر آلودگی بر روی آنها باقی نماند.
در اینجا از تکنیک کرنوپتانسیومتری1 استفاده شده است که در آن جریان در طول زمان اعمال آن 1/5 میلیآمپر در نظر گرفته شده است. و دوره تناوب چرخه اعمال جریان 30 ثانیه میباشد. پارامتر متغیر در طول نهشت، مدت زمان نهشت در نظر گرفته شده و پارامترهای دیگر بهینهترین حالت ممکن در شرایط آزمایشی مشابه در نظر گرفته شدهاند. بدین ترتیب نمونههایی با مدت زمان نهشت 40،30،25،20،15،10 دقیقه به دست آمده است. همچنین با استفاده از قانون فارادی ضخامت لایهی نهشت شده به دست آمده است. شکل - 1 - طرحوارهای از سیم مسی که با پرمالوی لایه نشانی شده است را نشان میدهد.
شکل :1 طرحوارهای از سیم مسی که با NiFe لایه نشانی شده است. برای مشخصه یابی نمونه ها از نظر ساختار و خاصیت مغناطیسی از نمونهها به ترتیب، پراش پرتو X و طیف مغناطش سنجی نوسانی VSM گرفته شده است. برای اندازهگیری درصد امپدانس مغناطیسی، یک میدان مغناطیسی خارجی ایستا در راستای طولی نمونه اعمال میشود. این میدان خارجی در محدودهی 0 تا 108Oe
توسط یک سیملوله تولید میشود. جریان متناوب و فرکانس اعمالی به نمونه توسط دستگاه مولد جریان متناوب مدل SFG-830 تولید میشود. با انتخاب دامنهی ولتاژ0/4mv بر روی دستگاه مولد، جریان متناوب در طول آزمایش 8mA از نمونه عبور داده میشود.
بحث و نتیجهگیری:
در گام اوّل از نمونههای تهّیه شده پراش پرتو X گرفته شد، تا از تشکیل فاز NiFe اطمینان حاصلشود. شکل - 2 - نقش پراش پرتو Xنمونههای مختلف نهشت شده در زمانهای 25و30و40 دقیقه را نشان میدهد. همانطور که در شکل - 2 - مشخص است لایههای سطح به صورت چند بلوری بر روی سیم مسی نهشت پیدا کردهاند ودر تمام نمونهها پیک NiFe با شدت بیشتری مشاهده میشود. اشکال 3 - a-f - درصد امپدانس مغناطیسی محاسبه شده در فرکانس و جریان بهینه را نشان میدهد. با توجه به نمودارها بیشترین درصد امپدانس مغناطیسی مربوط به نمونه ای است که به مدت 30 دقیقه لایه نشانی شده است که دارای بیشینه ای به بزرگی %137 میباشد که افزایش حدود 40 درصدی با بقیه نمونهها دارد.
همچنین درصد امپدانس مغناطیسی تمامی نمونهها برای دید بهتر در شکل 4 نشان داده شده است. باید گفت که بیشینه پاسخ امپدانسی علاوه بر پارامترهایی همچون جریان و فرکانس اندازهگیری امپدانس، به مشخصه های ترکیب تولید شده همچون در صد مواد،خواص بلوری، کیفیت سطح تولید شده و ضخامت لایه و غیره بستگی دارد. از آنجا که مدت زمان نهشت بر روی ضخامت و فرصت بلورین شدن نمونهها تاثیر میگذارد، بدیهی است که این ضخامت، بهترین نتیجه برای امپدانس مغناطیسی بزرگ را حاصل کرده است. به عبارت دیگر نفوذپذیری در عمق پوسته بیشترین مقدار خود را داشته و قابل مقایسه با ضخامت پوسته بوده است.
