0 引言

海洋作为地球生态系统的重要组成部分，对人类的生存与发展具有不可估量的意义。长期以来，世界主要国家和组织高度重视海洋生态环境的保护与资源开发，明确海洋科技发展的战略目标和优先事项。随着对海洋生态保护和资源开发需求的不断增长，磁传感器在海洋环境监测中的应用逐渐成为研究的重点^[1]。磁传感器被广泛用于监测海洋环境参数、构建海底无线传感器网络，以及用于磁导航或磁通信的水下潜航器等领域^[2]。

现有的磁传感器，包括霍尔传感器^[3]、磁阻传感器^[4]、磁通门传感器^[5]、超导量子干涉仪 （SQUID）^[6]等，在实际应用中均存在不可避免地局限性：霍尔传感器灵敏度低；磁阻传感器工艺复杂、成本高、磁滞和温漂较大；磁通门传感器响应慢；SQUID 传感器体积庞大、造价昂贵。在此背景下，巨磁阻抗（Giant Magneto Impedance，GMI） 传感器凭借其低滞后性、良好的温度稳定性以及高灵敏度^[7-9]，成为下一代磁传感器的研究重点。研发微型化、高灵敏的 GMI 传感器，具有重要的实际应用价值和科学研究意义，特别是在水下目标探测、海底磁场观测以及水下安防系统等多种海洋应用场景中。

1 巨磁阻抗（GMI）效应

1.1 GMI 效应理论

巨磁阻抗（GMI）效应是指在软磁材料的薄膜中，当施加特定频率的交流电流时，交流阻抗会随着外加磁场 H_ex 的变化而显著改变。通常，在一定频率 f 下由外磁场引起的阻抗变化量 $\mathrm{\Delta }$Z 与原始阻抗值 Z 的比值来定义材料的 GMI 效应强度。在外加磁场的作用下，GMI 效应的阻抗变化率$\mathrm{\Delta }$Z/Z有 2 种定义^[10]：

式中：$Z\left(H_{\mathrm{e}\mathrm{x}}\right)$表示外磁场为 $H_{\mathrm{e}\mathrm{x}}$ 时阻抗值的大小；$Z\left(H_{max}\right)$表示外磁场为$H_{max}$时阻抗值的大小； $Z\left(H_0\right)$表示外磁场为 0 时阻抗值的大小。GMI 样品的交流阻抗值 Z 可表示为

式中：实部代表损耗部分；虚部代表为导体电感部分。对于磁性导体，阻抗公式可以通过麦克斯韦方程得到。以形状较简单的非晶丝材料为例，阻抗表达式为

式中： a 为非晶丝材料的半径； l 为非晶丝材料的长度； R 为非晶丝材料的直流电阻值；$J_0$和 $J_1$为第 1 类零阶贝塞尔函数和一阶贝塞尔函数； Le 为非晶丝材料的自感值（Le=2/ln（l/a））；${\delta }_{\omega }$为样品在磁场下的趋肤深度，其表达式为

式中： f 为通过非晶丝材料的交流电的频率；$\sigma$为非晶丝材料的电导率；${\mu }_t$为样品的横向磁导率。

通过阻抗表达式可以发现，非晶丝材料的导体交流阻抗与材料的趋肤深度有关，而趋肤深度受样品材料的磁导率影响，因此 GMI 效应受到样品磁导率的影响。

1.2 GMI 效应的影响因素

影响 GMI 效应的主要因素包括：驱动电流的频率^[11]、外加磁场的强度与方向，以及样品本身的磁学性能^[12]等。

1） GMI 效应与驱动电流频率。

驱动电流频率是影响 GMI 敏感单元性能的关键参数之一。研究表明，GMI 效应与驱动信号频率之间存在显著的关联性^[13]，但在不同的频率范围内，导致软磁材料产生 GMI 效应的机理有所不同。在低频范围（小于 10 kHz）内，由于材料的厚度小于趋肤深度，外加磁场引起的磁导率变化无法显著影响样品的阻抗幅值 Z 或其实部 R 值。然而，此时 Z 的虚部，即电感量 L，会有较大变化。这种在低频范围内电感显著变化的现象被称为磁感应效应。当驱动频率达到中频范围（10 kHz 至几百 MHz）时，趋肤效应变得明显。此时，GMI 材料的阻抗 Z 与趋肤深度密切相关，影响阻抗值的主要因素包括软磁材料的圆周磁导率、电导率以及驱动电流频率。在高频范围（几百 MHz 至几 GHz）时，磁化过程中的磁矩转动完全占据主导地位，动力学特性成为主要影响因素。GMI 现象主要由磁性材料的旋磁效应和铁磁弛豫现象引起。

2） GMI 效应与外加磁场。

外加磁场的大小与方向是影响 GMI 敏感单元性能的另一个关键因素^[14]。在特定的驱动频率下，外加磁场会改变材料的有效磁导率，从而影响趋肤效应，导致阻抗值的变化。当外加磁场小于材料的磁各向异性场时，随着外加磁场的增加，薄膜的有效磁导率逐渐增大。当外加磁场接近材料的横向磁各向异性场时，材料的横向磁各向异性场达到最大值，GMI 效应也达到峰值。然而，当外加磁场继续增大，超过材料的磁各向异性场时，材料进入磁化纵向饱和状态，此时仅有旋转磁化对材料的有效磁导率产生影响，导致薄膜的横向磁导率下降， GMI 效应也随之减弱。

根据 GMI 样品与外加磁场方向的关系，GMI 效应可以分为纵向 GMI 效应（Longitudinal GMI effect）、横向 GMI 效应（Transverse GMI effect）、垂直 GMI 效应（Perpendicular GMI effect）。纵向 GMI 效应指的是沿软磁材料薄膜样品的长轴方向施加驱动电流，并在同一方向施加一定强度的直流外磁场，从而导致软磁材料的有效磁导率发生变化，进而影响材料阻抗值的变化。横向 GMI 效应是指在薄膜样品的长轴方向上施加驱动电流，同时在样品的短轴方向上施加与电流方向垂直的外磁场，进而引起软磁材料的有效磁导率变化，影响材料的阻抗值^[15]。垂直 GMI 效应则是由于多层膜的复合结构能够相对增强薄膜的 GMI 效应，使得 GMI 样品的薄膜厚度相对较厚。当薄膜厚度增加时，材料内部的各向异性场会在样品的垂直方向 （即薄膜厚度方向）产生各向异性场分量，进而引发垂直 GMI 效应。为了探究影响 GMI 效应的关键因素，本研究对制备的样品进行了深入分析，重点对比驱动电流频率、外加磁场强度，以及纵向和横向 GMI 效应的表现。

2 GMI 样品制备

2.1 磁芯材料选择

在磁芯材料的选择，需要考虑多个关键因素，包括磁导率、饱和磁化强度、矫顽力以及材料的微观结构稳定性^[16]。Ni80Fe20 合金（20%Fe， 80%Ni）由于其独特的性能优势^[17-18]，被广泛应用于软磁材料领域。首先，Ni80Fe20 合金具有极高的磁导率，使其在低磁场下能够有效导磁，减少磁滞损耗。其次，该合金的饱和磁化强度较高，可以在较小的外加磁场中实现饱和磁化，从而提高传感器的灵敏度。低矫顽力意味着该材料在外加磁场去除后，能迅速恢复至零磁化状态，减少残留磁化的影响。NiFe 薄膜的微观结构和表面特性经过优化，以提高薄膜与基片的附着力和整体结构的稳定性。通过在磁性层中引入非磁性材料实现层间耦合，材料结构为“磁性层 /插入层/磁性层/中心导体/磁性层/插入层/磁性层”，可以提高 GMI 的比值^[12，18-19]。磁芯多层膜材料除了 NiFe 薄膜，还包括由 Cu 导电引线隔开的厚度相等的顶部和底部铁磁部分（薄膜或多层结构），提供了相对于均匀磁场的最高灵敏度。使用 Ta 和 Ti 层不仅提高了薄膜的结构稳定性，还有效地增强了样品的 GMI 效应，这对于高性能传感器的设计至关重要。因此，选择 Ni80Fe20、Cu、Ta 和 Ti 作为软磁材料，不仅基于其卓越的磁学性能，还考虑了其在薄膜制备过程中表现出的稳定性和可靠性。

2.2 制备工艺流程

通过磁控溅射技术与光刻微纳加工技术相结合的方法在衬底上制备图案化的 Ta5/（（NiFe100/Ti6） _n/Cu200）_m/Ta5 多层膜结构（数字单位为 nm，n 和 m 为薄膜周期性结构次数），采用 Ti 夹层技术可以有效提高薄膜材料的磁导率，起到增强 GMI 效应。 Ni80Fe20（20%Fe，80%Ni）具有矫顽力较低、磁导率较高、饱和磁化强度较高等良好的软磁特性。 NiFe 薄膜与导电金属薄膜层相互耦合形成的多层膜复合结构可以在较低频率驱动电流下得到相对较高的 GMI 效应。相比之下，NiFe 薄膜是制造较高性能 GMI 传感器的较为理想的软磁材料。

磁控溅射技术制备 Ni80Fe20 的 GMI 样品工艺如下：1）丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗基片；2）将基片放置于烘箱中，65℃进行烘干； 3）采用光刻工艺将图案化转到基片表面；4）按照预设程序溅射 Ta5/（（NiFe100/Ti6）4/Cu200）17/Ta5 的多层膜结构。

基于 NiFe 的 GMI 多层膜结构器件示意图如图1 所示。

在所制备的样品中，5 nm 的 Ta 层作为缓冲层，增强薄膜与基片表面附着的稳定性，减小薄膜脱片的可能；100 nm 的 NiFe 作为软磁材料；200 nm 的 Cu 作为导电层；6 nm 的 Ti 将 NiFe 隔开，保证磁化方向在面内排列，一定程度上提升样品的 GMI 效应。图2 为 NiFe 材料的 GMI 样品实物照，两端口器件 SMA 直连。图2（a）为 GMI 传感器两端口器件 SMA 直连实物图，图2（b）为基于 NiFe 材料体系的硅片多层膜结构图。

3 实验测试平台

在对 NiFe 材料的 GMI 样品进行阻抗特性研究的过程中，搭建了一个实验测试平台。该平台使用信号发生器和双极性电源，为三维亥姆霍兹线圈提供连续稳定的直流电信号，以实现对样品施加的外加磁场的精确控制。使用矢量网络分析仪^[20]精确测量了样品输入端与返回端之间激励信号的比值。这些测量数据被用于计算样品的阻抗值，得出 GMI 效应的具体数值。图3 展示了实验测试平台的具体配置和布局。通过这种系统化的实验设计，可以对 NiFe 样品的 GMI 效应进行深入的定量分析。

4 实验数据及分析

4.1 Ni80Fe20 样品 GMI 效应

根据巨磁阻抗（GMI）效应的理论研究发现， GMI 效应与驱动电压频率和外加磁场大小有关。在实验中，探讨 GMI 效应受磁导率的影响，外加磁场与样品的方向也是影响样品 GMI 效应的重要因素之一。

1）纵向 GMI 效应。

沿 NiFe 材料薄膜样品的长轴方向施加驱动电流，使用亥姆霍兹线圈在同方向提供均匀的外加磁场，矢量网络分析仪测量样品的阻抗变化。通过改变施加在样品上的驱动频率和外加磁场的大小，可以观察到 GMI 效应的变化情况。图4 展示了在不同频率和磁场强度下，NiFe 样品纵向 GMI 效应存在明显峰值。

在图4 中，不同磁场强度下的 GMI 比值随频率的增加存在先上升后下降的趋势，这是由于 GMI 效应与交流信号下的趋肤效应和软磁材料的磁畴结构有关。在频率较低时，样品趋肤效应较弱，磁阻抗大部分来源于磁电感效应，阻抗变化率相对较小。随着频率逐渐增高，趋肤效应明显增强，软磁材料的磁矩旋转和畴壁运动也相对剧烈，对有效磁导率产生较大贡献，阻抗变化率明显增大，达到峰值，即灵敏度相对最高。当频率继续升高，涡流效应的剧烈增强开始对畴壁运动产生抑制作用，GMI 效应开始下降。

2）横向 GMI 效应。

部分学者基于纵向 GMI 效应受横向磁导率影响的现象，提出了非晶软磁薄膜的横向 GMI 效应理论。外磁场的作用可以改变材料的退磁因子，从而影响纵向磁化率。这种变化可能导致横向磁阻抗的变化，即横向 GMI 效应。在本文中，对 NiFe 样品施加一定强度横向外磁场，利用矢量网络仪观察激励信号在测试样品的输入端和返回端的比值随驱动频率的变化情况。如图5 所示，NiFe 样品纵向（L）与横向（T）GMI 效应对比发现，在相同外加磁场和驱动频率下，横向 GMI 效应阻抗变化率远小于纵向 GMI 效应。

4.2 Ni80Fe20 样品磁灵敏度

根据制备样品测得阻抗变化率随磁场强度变化的关系曲线，如图6 所示。当施加交流频率为 180 MHz 下，此样品的线性区域可以分为 3 个区域：线性范围的磁场强度是 1.5~5 Oe 之间，在磁场范围内拟合后的线性灵敏度约为 12.5 %/Oe；线性范围的磁场强度是 7.2~9.5 Oe 之间，在磁场范围内拟合后的线性灵敏度约为 13.5 %/Oe；线性范围的磁场强度是 11.0~14.9 Oe 之间，在磁场范围内拟合后的线性灵敏度约为–8.5 %/Oe。所制备的基于 Ni80Fe20样品其线性度和线性范围需要进一步优化提升，可以通过以下方法提高线性度和线性范围：1）对 GMI 薄膜进行适当的磁退火处理，以减少内部应力和提高磁各向同性，从而改善线性响应；2）通过调整材料的微观结构，例如晶粒大小和形状，来优化其磁特性；3）优化多层膜不同材料厚度，薄膜的厚度会影响其磁特性和响应的线性。

在实际传感器应用中，软磁材料的 GMI 样品对于磁场的灵敏度是影响传感器性能的主要因素。对 NiFe 材料样品进行测试，计算得到 GMI 样品对于磁场灵敏度数据如图7 所示。NiFe 材料的 GMI 样品磁灵敏度在驱动频率为 90~120 MHz 的范围内最大，对于 8.5 Oe 左右的磁场响应最为灵敏，灵敏度约为 13.5 %/Oe。实际样品测得的 GMI 磁灵敏度相对较小，分析原因：1）NiFe 样品未经过磁退火处理，样品中存在残余应力，样品软磁性能未经优化，GMI 效应较差；2）GMI 薄膜样品制备过程中，溅射条件对 GMI 效应存在影响。

5 结束语

通过光刻工艺和磁控溅射技术，生长了 NiFe 材料的 GMI 薄膜样品，并制成了两端口 SMA 直连器件。利用实验室现有的仪器搭建测试平台，对这些薄膜样品的 GMI 效应进行了测试。实验结果显示：NiFe 样品的阻抗变化率随驱动频率和外加磁场的变化而变化，且在纵向 GMI 效应下的阻抗变化率远高于横向 GMI 效应。最终，成功制备出灵敏度为 13.5 %/Oe 的 GMI 薄膜器件，为 GMI 传感器在数字海洋监测和安防智能传感器网络中的应用提供了实际的价值。

参考文献