基于多孔鐵芯的微型磁通門低功耗技術研究*

呂 輝,劉詩斌

(1.西北工業大學電子信息學院,西安 710129;2.河南理工大學電氣工程與自動化學院,河南 焦作 454000)

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基于多孔鐵芯的微型磁通門低功耗技術研究*

呂 輝1,2,劉詩斌1*

(1.西北工業大學電子信息學院,西安 710129;2.河南理工大學電氣工程與自動化學院,河南 焦作 454000)

微型磁通門的功耗主要由最佳激勵電流決定,多孔結構鐵芯能夠減小微型磁通門傳感器的最佳激勵電流,從而有效降低功耗。采用Magnet有限元仿真軟件,建模分析多孔結構鐵芯對微型磁通門最佳激勵電流的影響,并總結了相關規律,結合MEMS的工藝,對孔的尺寸做出了設計。將實測結果和仿真結果進行對比,驗證了這一規律的有效性,從而能夠較好的估算孔的尺寸對最佳激勵電流的影響,為模型的進一步完善和微型磁通門的結構設計提供理論和實驗依據。

MEMS;磁通門;低功耗;有限元法

磁通門傳感器是一種具有高精度、高穩定性的弱磁場測量器件[1],在航空航天、地球物理、安檢、醫療設備等領域有著廣泛的應用。傳統磁通門普遍存在尺寸大、功耗高的缺點,近年來,隨著MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)技術的不斷發展,硅基微型磁通門已經大大縮減了器件尺寸,但受限于飽和激勵的工作方式,功耗并沒有隨著尺寸的減小而顯著降低,相反由于釋放出的熱量集中在很小的范圍內,從而使微型磁通門的散熱問題面臨嚴峻挑戰,直接威脅到整個系統的熱穩定性。因此降低硅基微型磁通門的功耗,是目前亟待解決的問題[2]。

傳統磁通門降低功耗的方法在應用于微型磁通門時存在著諸多問題。比如Kubik J[3],Ripka P[4],Drljaca P M[5]等人研究了磁通門的脈沖激勵技術,這一方法會造成靈敏度降低和噪聲增大的問題,同時容易對微型磁通門所在片上系統的電磁兼容性構成威脅。采用激勵調諧方法可在不增大剩磁誤差的同時有效地降低傳統結構磁通門的功耗,但是由于微型磁通門較大的線圈電阻和平面結構使調諧過程非常困難[6-7]。RTD(Residence Times Difference)磁通門可以在降低功耗的同時提高靈敏度,但是會造成剩磁誤差增大,同時由于靈敏度和激勵頻率成反比關系,使得這種磁通門的應用被局限在低頻范圍[8-9]。

由于傳統磁通門的低功耗技術無法有效移植到微型磁通門當中來,必須在微型磁通門結構設計上發掘降低功耗的方法。本文建模分析了多孔結構閉磁路鐵芯對器件功耗的影響,討論了多孔結構的可能影響因素,結合制備工藝,提出了孔的尺寸設計方案,通過將實測結果與仿真結果進行比較,驗證了計算公式的有效性,為微磁通門傳感器的模型完善及加工工藝提供了理論及實驗依據。

1 理論分析

低功耗磁通門對鐵芯性能的要求是在保證高磁導率和低矯頑力的同時,盡量降低飽和磁場強度Hs,這樣可以使鐵芯在較小的激勵電流下進入飽和狀態,從而在保證傳感器靈敏度的同時,有效降低功耗[10]。

閉磁路磁通門在正弦電流激勵下,鐵芯內部產生磁場強度為Hmsinωt的磁場,若此時的外磁場為Hx,輸出電壓的二次諧波的幅值為:

(1)

其中N2為檢測線圈匝數,μ為鐵芯的磁導率,S為鐵芯的橫截面積,Hs為鐵芯材料的飽和磁場強度。

使磁通門獲得最大靈敏度的激勵磁場的幅值稱為最佳激勵磁場,定義磁通門二次諧波的靈敏度G2為Hx=0時,U2m對Hx的導數,可得:

(2)

根據磁通門工作原理,Hm>Hs,當Hm為Hs或趨近于無窮時,G2為0,可得:

最佳激勵磁場:

(3)

最大靈敏度:

(4)

磁通門的最佳激勵電流被定義為使鐵芯內部產生最佳激勵磁場的激勵電流。設鐵芯的截面積為常數,長度為l,激勵線圈的匝數為N1,,激勵電流為ie=Imsinωt,考慮鐵芯的退磁效應,受退磁場影響后鐵芯內部實際磁場強度幅值為:

(5)

其中:μr為相對磁導率,D為退磁系數,由式(5)可得:

(6)

(7)

由上式可知,最佳激勵電流包括兩個部分,第一部分產生所需的激勵磁場,第二部分用來克服退磁效應。要達到減小最佳激勵電流的目的,應當從降低第二部分電流值著手[11]。通過對這部分的影響因素進行分析,發現減小μr會造成靈敏度的降低,不宜采用;Hs主要由材料性質決定,不易降低[12];而減小(l/N1)/D則相對容易完成,針對這一點,本文通過采用如圖1所示的多孔結構鐵芯來減小最佳激勵電流,從而降低器件功耗。

圖1 多孔鐵芯結構示意圖

圖1所示的多孔結構鐵芯,鐵芯厚度為h;激勵線圈內的鐵芯橫截面積為S1=W1×h,平均長度為l1=∑l1i;測量線圈內鐵芯橫截面積為S2=W2×h,其中W2=∑W2i,平均長度為l2=∑l2i。

多孔鐵芯閉磁路磁通門的最佳激勵電流幅值Imo與各個結構參數的關系:

(8)

其中:S1,l1分別是激勵線圈內鐵芯的截面積和長度;S2和l2分別是測量線圈內鐵芯的截面積和長度;Hs是鐵芯的飽和磁場強度。

式(8)中沒有考慮漏磁的影響,當激勵線圈內鐵芯與測量線圈內鐵芯面積相差較大時必須考慮漏磁影響。可將(8)改為:

(9)

其中ΦL是漏磁通。

式(8)中退磁系數D是形狀參數S1,l1,S2和l2的函數,很難用解析式表達;漏磁通ΦL有同樣的性質。把式(9)中后兩項合起來稱作最佳激勵電流的附加電流If0(簡稱附加電流),它是形狀參數S1,l1,S2和l2的函數,即:

(10)

如果保持S1和l1不變,激勵線圈內鐵芯與測量線圈內鐵芯面積的比值由S2和l2確定(S1≥S2,l1≥l2):

Imo(S2,l2)=Ims(S2,l2)+Ifo(S2,l2)

(11)

其中Ims(S2,l2)是式(9)中的第一項。

2 建模仿真

為了降低微型磁通門的功耗,本文利用Magnet有限元仿真軟件設計了一種具有多孔結構矩形鐵芯的微型磁通門,其實體模型如圖2所示,鐵芯上的感應線圈與激勵線圈采用交替繞線方式,各主要部分的尺寸如表1所示。多孔鐵芯的實體模型如圖3所示,磁通門各部分材料在室溫(20 ℃)時的屬性見表2。

圖2 微型磁通門1/2實體模型

圖3 多孔鐵芯1/2實體模型

表1 微型磁通門模型參數

表2 微型磁通門材料參數(20 ℃)

針對這一多孔結構鐵芯,在S2和l2取不同數值的情況下,仿真計算了磁通門靈敏度最大時需要的激勵電流Imo和Ifo。通過對計算數據分析擬合,尋求Imo和Ifo與參數S2和l2的關系。

多孔鐵芯在磁化過程中各時刻不同區域的磁化情況見圖4。多孔鐵芯的磁化時間為0.55 s,磁場被分為若干個間隔相等的對應值,各場值用不同顏色表示。場值經過平均處理,去除了有限元計算中的不連續點,得到連續的平滑場。平滑場可以在穿越同種材料中的有限元網格邊界時保持連續,但是在跨越異種材料的網格邊界時則無法保持連續,這一點與以上兩種邊界在物理意義上的連續情況是相同的[13-14]。

圖4 多孔鐵芯的磁化情況

磁化過程從0時刻開始,至0.55 s結束。多孔鐵芯初始時刻的磁感應強度為0,隨著磁化過程的進行,磁感應強度不斷提高,鐵芯逐漸飽和,但各個區域的磁化情況不盡相同。如圖4所示,在0.05 s時刻,激勵線圈對應的區域1(橫截面積S1處)的大部分磁感應強度低于0.084,而測量線圈對應的區域2(橫截面積S2處)的磁感應強度已經提高至0.168以上。在0.2 s時刻,區域2的磁感應強度已經提高至0.33左右;區域1的磁感應強度沒有明顯提高,但低于0.084的部分所占比例略有降低。在0.55 s時刻,區域2已經全部飽和;區域1的大部分遠未飽和。以上仿真分析表明,測量線圈所對應的區域2能夠在施加激勵后很快進入飽和狀態,這一點對降低激勵電流是非常有利的。

3 結果與討論

圖5是仿真數據插值后的Imo和Ifo與參數S2和l2的關系圖,為了擬合If0與鐵芯寬度W2和l2的數學關系,設計了寬度開平方長度平方擬合公式:

(12)

擬合結果及其誤差見圖6。寬度開平方長度平方擬合的結果與仿真結果總體趨勢一致。

鐵芯的參數取Hs=151 A/m,最終確定的最佳激勵電流表達式為:

(13)

圖7是按上式計算結果與仿真結果的對比,兩者具有較好的一致性。

圖6 附加電流的寬度開平方長度平方擬合結果及其誤差

圖7 擬合值與仿真值的對比

通過改變微型磁通門激勵線圈內鐵芯面積與測量線圈內鐵芯面積,可改變獲得最大靈敏度時的激勵電流[15-16]。當激勵線圈內鐵芯寬度和長度保持不變時,隨著測量線圈內鐵芯寬度和長度的減小,激勵電流會相應減小,其中寬度減小引起激勵電流減小的幅度較大。結合以上仿真結果和具體的MEMS工藝,對具有多孔鐵芯的微型磁通門進行了制備,多孔鐵芯的結構尺寸與照片如圖8所示。

依照如上尺寸制備的多孔結構鐵芯,能夠有效降低激勵電流,減小功耗。圖9給出了被測外磁場為5 A/m情況下輸出信號二次諧波幅值隨激勵電流的變化,曲線峰值處對應的激勵電流值為最佳激勵電流。從圖中可以看出,最佳激勵電流為85 mA,實測結果與仿真結果基本吻合。由于實測過程中往往存在一些弱磁干擾,因此會出現實際實驗值略高于理論計算值的情況,但是兩者的整體趨勢線是一致,不影響對最佳激勵電流的判定。因此對于多孔結構鐵芯的設計可以參考以上給出的最佳激勵電流公式進行計算。與傳統鐵芯相比,多孔結構鐵芯能使激勵電流降低約20%,在激勵線圈相同的情況下,功耗可降低約36%。

圖8 多孔鐵芯的結構尺寸及照片

圖9 輸出信號的二次諧波幅值

4 結論

本文建立了MEMS微型磁通門傳感器的模型,通過MAGNET有限元仿真軟件的電磁分析,提出多孔結構薄膜鐵芯有利于降低微型磁通門功耗,并總結了孔的尺寸對激勵電流的影響規律,歸納得出最佳激勵電流的計算公式,通過對比仿真結果和計算結果,兩者具有較好的一致性。根據這一公式,結合具體的MEMS工藝,對孔的尺度做出了設計,將實測結果和仿真結果進行對比,驗證了這一公式能夠較好估算孔的尺寸對最佳激勵電流的影響,這為下一步的模型完善和微型磁通門結構設計提供了一定的理論和實驗依據。

[1] Ripka P. Advances in Fluxgate Sensors[J]. Sensors And Actuators a-Physical,2003,106(1-3):8-14.

[2]Tipek A,O’donnell T,Ripka P,et al. Excitation and Temperature Stability,of PCB Fluxgate Sensor[J]. Ieee Sensors Journal,2005,5(6):1264-1269.

[3]Kubik J,Pavel L,Ripka P,et al. Low-Power Printed Circuit Board Fluxgate Sensor[J]. Ieee Sensors Journal,2007,7(1-2):179-183.

[4]Ripka P,Choi S O,Tipek A,et al. Pulse Excitation of Micro-Fluxgate Sensors[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2001,37(4):1998-2000.

[5]Drljaca P M,Kejik P,Vincent F,et al. Low-Power 2-D Fully Integrated CMOS Fluxgate Magnetometer[J]. IEEE Sensors Journal,2005,5(5):909-915.

[6]Ripka P,Hurley W G. Excitation Efficiency of Fluxgate Sensors[J]. Sensors and Actuators a-Physical,2006,129(1-2):75-79.[7]劉詩斌,崔智軍,劉昭元. 低剩磁誤差磁通門的激勵電路研究[J]. 傳感技術學報,2009,22(12):1709-1712.

[8]Ando B,Bagli S,Bulsara A R,et al. “Residence Times Difference” Fluxgate[J]. Measurement,2005,38(2):89-112.

[9]Ando B,Baglio S,Bulsara A R,et al. RTD Fluxgate:A Low-Power Nonlinear Device to Sense Weak Magnetic Fields[J]. IEEE Instrumentation and Measurement Magazine,2005,8(4):64-68.

[10]Wu P M,Ahn C H. A Fully Integrated Ring-Type Fluxgate Sensor Based on a Localized Core Saturation Method[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(3):1040-1043.

[11]Liu S B. Study on the Low Power Consumption of Racetrack Fluxgate[J]. Sensors And Actuators a-Physical,2006,130(1):124-128.

[12]Lv H,Liu S B. Fabrication of Porous Thin Film Core for Micro-Fluxgate by Using Anodic Aluminum Oxide Templates[J]. Asian J Chem,2013,25(11):5945-5947.

[13]楊尚林,劉詩斌,郭博,等. 鐵芯參數對磁通門輸入輸出特性影響分析[J]. 傳感技術學報,2014,27(1):40-47.

[14]郭博,劉詩斌,楊尚林. 微型正交激勵磁通門結構設計[J]. 傳感技術學報,2014,27(7):910-915.

[15]Luo Z Y,Tang J,Ma B,et al. Influence of Film Roughness on the Soft Magnetic Properties of Fe/Ni Multilayers[J]. Chin Phys Lett,2012,29(12):456-459

[16]Wang Y Z,Wu S J,Zhou Z J,et al. Research on the Dynamic Hysteresis Loop Model of the Residence Times Difference(RTD)-Fluxgate[J]. Sensors,2013,13(9):11539-11542.

呂輝(1977-),男,山東菏澤人,西北工業大學電子信息學院博士研究生。專業方向為微電子與固體電子學,現在主要從事微型磁通門傳感器研究,lvhui700@sohu.com;

劉詩斌(1960-),男,河南鞏義市人,西北工業大學電子信息學院教授,博士生導師。長期從事無人機傳感器系統研究工作,研究領域為磁場和壓力測量,智能傳感器系統,微電子和計算機應用,liushibin@nwpu.edu.cn。

StudyofLowPowerTechnologyofMicroFluxgateSensorBasedonPorousCore*

LüHui1,2,LIUShibin1*

(1.School of Electronics and Information,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129,China;2.Electrical Engineering and Automation institute,Henan Polytechnic University,Jiaozuo Henan 454000,China)

The power consumption of fluxgate is mainly determined by its optimum excitation current(OEC). The porous structure core can decrease OEC and lower power consumption of fluxgate. We analyzed and designed a micro fluxgate with porous core,and then derived an equation to describe the relationship between OEC and the porous structure. Based on Magnet software and FEM analysis,the effects of porous core have been simulated and analyzed,and compared with the experimental results. The results confirm the validity of the equation. The improvement suggestions for the process are put forward,which can provide reference for the perfection of the low power technology and redesign of the micro fluxgate sensor.

MEMS;fluxgate;low power;FEM

項目來源:高等學校博士學科點專項科研基金(20126102110031)

2014-07-09修改日期:2014-09-16

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.013

TP212.1

:A

:1004-1699(2014)11-1512-05