微型磁通門傳感器的低功耗結構設計*

呂 輝，劉詩斌

(1.西北工業大學 電子信息學院，陜西 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)

0 引 言

磁通門傳感器是一種具有高靈敏度、高穩定性等優良綜合性能的低頻矢量磁場測量器件，被廣泛應用于國防和工業領域［1］。近年來，得益于微機電系統(micro-electromechanical systems，MEMS)技術的發展，在硅基底上制作的微型磁通門因其體積小、重量輕、與外圍電路集成性好等特點，在納型/皮型衛星、小型無人機、平行機器人等領域展示出極大的發展潛力［2～5］。

由于磁通門工作時需要鐵芯達到飽和，所以，雖然硅基微型磁通門的器件尺寸已經大大縮減，但功耗并沒有隨著體積的減小而顯著降低，這使得大量的熱量集中于薄膜鐵芯的較小面積上，給整個器件的噪聲、壽命帶來極大的影響，因此，降低功耗是微型磁通門一個亟待解決的問題［6～8］。Wu Peiming 等人利用有限元軟件對微型磁通門進行了仿真，對其鐵芯結構進行了一定程度的優化，設計了一種縮比結構鐵芯的微型磁通門［9］，雖然能夠在一定程度上降低傳感器功耗，但是由于存在較大的漏磁通，仍然有待于進一步的改進。

本文設計了一種具有多孔結構薄膜鐵芯的微型磁通門，并采用交替分布的方式設置激勵線圈和感應線圈，以減小漏磁通。通過有限元仿真計算發現，多孔結構的薄膜鐵芯可以更有效地降低激勵電流，減小微型磁通門的工作功耗［10］，從而可有效提高其整體性能，確保磁通門傳感器能穩定和可靠工作。

1 微型磁通門的功耗與影響因素

圖1 為閉合磁路微型磁通門的結構示意圖，當施加正弦激勵電流ie=Imsin ωt 時，鐵芯內部產生磁場強度為Hmsin ωt的磁場，若此時的外部被測磁場為HX，則感應線圈上下兩部分中的產生的磁場強度分別為

圖1 微型磁通門結構示意圖Fig 1 Structure diagram of micro fluxgate

如圖2(a)所示，用簡化的三折線代表鐵芯的磁滯回線，當磁場強度小于飽和磁場強度Hs時，鐵芯磁導率恒為μ，當磁場強度大于Hs時，鐵芯磁導率為0。He1(實線)和He2(虛線)以及它們所對應的磁感應強度B1(實線)和B2(虛線)如圖2(b)，(c)所示。B1和B2的變化在感應線圈的上下兩部分中分別感應出電壓u1(實線)和u2(虛線)，如圖2(d)所示，輸出電壓u 如圖2(e)所示［11，12］

圖2 磁通門的輸出信號Fig 2 Output signal of micro fluxgate

將式(3)展開成傅里葉級數得到

由式(4)可得微型磁通門輸出的二次諧波幅值為

式中 N2為感應線圈匝數;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。

使微型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，微型磁通門輸出二次諧波的靈敏度G2為Hx=0 時，U2m對Hx的導數

由微型磁通門的工作原理可知，Hm≥Hs。當Hm取最小值Hs或者趨于無窮時，G2為0，可得最佳激勵磁場

使微型磁通門鐵芯內部產生最佳激勵磁場的激勵電流稱為最佳激勵電流。要降低微型磁通門的功耗，提高鐵芯的性能，就要在保證鐵芯的高磁導率和低矯頑力的同時，盡量減小鐵芯的最佳激勵電流。假設鐵芯的橫截面積為常數，并考慮鐵芯的退磁效應，受到退磁場影響的鐵芯內部磁場強度的幅值為

式中 μr為相對磁導率;D 為退磁系數;l 為線圈長度;N1為激勵線圈的匝數。將式(8)變換為式(9)

由上式分析最佳激勵電流的相關影響因素發現:減小μr會使靈敏度降低，不宜采用;(l/N1)和D 由器件的尺寸、形狀及制造工藝決定，不易降低;而降低鐵芯的Hs能夠減小最佳激勵電流，且不會影響器件的其他性能，是一種降低器件功耗的有效方法。本文采用多孔結構鐵芯來實現這一目的。

2 仿真實驗與分析

本文利用Magnet 有限元仿真軟件設計微型磁通門，分別計算激勵磁場和外磁場與感應線圈磁通的關系，再利用得到的結果計算出磁通門的輸出信號［6］。為對比起見，分別完成傳統薄膜鐵芯微型磁通門和多孔薄膜鐵芯微型磁通門2 個仿真模型，模型結構如圖3 所示。仿真建立模型所選用的鐵芯材質為鎳鐵，線圈材質為銅。

圖3(a)為傳統的閉合跑道型結構，鐵芯各部分的橫截面積相等，繞線采用激勵線圈和感應線圈分區域繞線，后文中簡稱為傳統結構;圖3(b)為本文設計的多孔結構，采用激勵線圈和感應線圈交替繞線，將激勵線圈設置在無孔位置，感應線圈設置在有孔位置，后文中簡稱為多孔結構。這兩種結構上下每一側的激勵線圈匝數和感應線圈匝數均為30 匝，鐵芯厚度為10 μm。多孔結構激勵線圈對應的鐵芯部分寬度為500 μm，傳統結構激勵線圈對應的鐵芯部分寬度為50 μm。為保證對比的有效性，兩種結構的感應線圈對應鐵芯部分的實際寬度保持一致，均為50 μm。

圖3 兩種微型磁通門的結構示意圖Fig 3 Structure diagram of two kinds of micro fluxgates

導電線圈的磁鏈隨時間的變化曲線能充分說明線圈內部的磁通量變化情況。仿真實驗得到以上兩種微型磁通門的感應線圈磁鏈曲線，如圖4 和圖5 所示。多孔結構鐵芯在0.35 ms 處進入徹底飽和狀態，而傳統結構鐵芯則在0.55 ms處進入徹底飽和狀態，多孔結構鐵芯的Hs明顯小于傳統結構鐵芯，因此，多孔鐵芯能夠更快地進入飽和狀態。根據前文的分析，較小的Hs能夠有效地降低微型磁通門的最佳激勵電流。

圖4 多孔結構鐵芯的磁鏈曲線Fig 4 Flux linkage curves of porous structure

圖5 傳統結構鐵芯的磁鏈曲線Fig 5 Flux linkage curves of traditional structure iron core

圖6 給出了兩種結構微型磁通門的感應線圈中磁通隨激勵電流的變化情況。圖中兩種結構的感應線圈具有相同匝數，且各自感應線圈中對應鐵芯橫截面積相同。隨著激勵電流的逐漸增大，感應線圈磁通量先隨之線性增加，在到達某個拐點后，迅速趨于平緩，達到飽和。磁通增長的拐點對應的激勵電流稱為飽和激勵電流，飽和激勵電流越小，說明微型磁通門的工作電流越小，相應的功耗就越低。

圖6 感應線圈磁通隨激勵電流的變化Fig 6 Magnetic flux variation in inductive coil vs excitation current

從圖6 中可以看出:1)多孔鐵芯的感應線圈的飽和磁通約為3.8×10-9Wb，遠大于傳統鐵芯的2.2×10-9Wb，這意味著多孔鐵芯中有更多的區域進入飽和狀態;2)多孔鐵芯的感應線圈磁通能在更小的激勵電流下達到飽和，多孔鐵芯的飽和激勵電流是40 mA，較之傳統結構的75 mA 飽和激勵電流，能夠使微型磁通門的工作功耗大大降低;3)多孔鐵芯的曲線其線性上升段斜率更大，表明其感應線圈磁通增長速度更快，等效磁導率較大，這有利于微型磁通門靈敏度的提高。

3 結束語

本文針對微型磁通門要求降低工作功耗的問題，進行了多孔結構鐵芯結合交替繞線方式的優化方案的設計。通過應用有限元仿真軟件進行對比分析，建立了傳統結構和多孔結構2 個模型，并保證兩者激勵線圈和感應線圈匝數分別對應相等，感應線圈中的鐵芯實際橫截面積相同，各部分材料、尺寸一致。仿真結果證明:多孔鐵芯能使微型磁通門在更小的飽和激勵電流下工作。

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