微型磁通門的優(yōu)化分析與性能測試*

呂 輝,郅富標(biāo)(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,河南 焦作 5000;2.河南理工大學(xué)控制工程省重點學(xué)科開放實驗室,河南 焦作 5000;3.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710129;.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院電氣工程系,河南 焦作 5000)

?

微型磁通門的優(yōu)化分析與性能測試*

呂 輝1,2,3*,郅富標(biāo)4
(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué)控制工程省重點學(xué)科開放實驗室,河南 焦作 454000;3.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710129;4.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院電氣工程系,河南 焦作 454000)

對鐵芯結(jié)構(gòu)的改進有利于滿足微型磁通門傳感器降低功耗的要求,但不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所取得的效果不同,為此對鐵芯結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化分析,并采用MEMS工藝制備了不同鐵芯結(jié)構(gòu)的微型磁通門進行性能測試與對比驗證。測試結(jié)果表明,優(yōu)化后的多孔鐵芯結(jié)構(gòu)能更好的降低微型磁通門傳感器的功耗與噪聲,提高靈敏度,改善器件的整體性能。

多孔鐵芯;微型磁通門;優(yōu)化分析;性能測試

磁通門傳感器作為一種綜合性能良好的磁測量器件[1],在地磁研究、空間磁場探測、航空航天、微型衛(wèi)星、微型無人機等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)技術(shù)的不斷發(fā)展,催生出一大批微型器件,其中微型磁通門具有尺寸小,易集成的優(yōu)點,率先得到廣泛應(yīng)用。然而微型磁通門雖然尺寸明顯縮減,但受工作條件所限,功耗并未得到同步有效降低,反而因面積縮小,系統(tǒng)熱量更為集中,造成的散熱問題嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定。為了更好的應(yīng)用微型磁通門,急需解決的問題是降低功耗,提高性能[2-5]。

目前的低功耗技術(shù)大多來自傳統(tǒng)磁通門,如脈沖激勵技術(shù)[6],會使器件靈敏度降低,噪聲增大;激勵調(diào)諧的方法雖能降低功耗[7-8],但是調(diào)諧很難完成,使用不便;RTD(Residence Times Difference)方法只能用于低頻場合,并且會使剩磁誤差增大[9-10]。這些方法主要依靠電路等外部因素實現(xiàn)降低功耗,并不適用微型磁通門。相關(guān)研究表明,對微型磁通門所用鐵芯進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一種有效的解決方案[11-13]。比如縮比鐵芯結(jié)構(gòu)能夠通過減小激勵電流,降低磁通門功耗,但其效果有待進一步改進。本文采用多孔鐵芯這一優(yōu)化方案降低功耗,為證實這一結(jié)構(gòu)的有效性與先進性,本文采用相同的MEMS工藝制備了縮比結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)的微型磁通門進行性能測試與對比,以證明多孔鐵芯結(jié)構(gòu)的綜合效果。

1 拓?fù)浞治雠c優(yōu)化

對閉合磁路微型磁通門而言,被測外磁場為Hx,若對微型磁通門施加正弦電流ie=Imsin(ωt)作為激勵,鐵芯內(nèi)部會產(chǎn)生強度為Hmsin(ωt)的磁場,此時微型磁通門的輸出電壓二次諧波幅值為:

(1)

式中:N2為感應(yīng)線圈匝數(shù);μ為鐵芯磁導(dǎo)率;S為鐵芯的橫截面積;HS為鐵芯材料的飽和磁場強度。

微型磁通門的最佳激勵電流能在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生最佳激勵磁場,使磁通門獲得最大靈敏度。最佳激勵電流Imo的幅值為:

(2)

式中:μr為相對磁導(dǎo)率;D為退磁系數(shù);l為線圈長度;N1為激勵線圈的匝數(shù)。

對影響最佳激勵電流的因素進行分析,減小最佳激勵電流的切入點是減小(l/N1)/D,對于微型磁通門而言,這一因素主要由多孔鐵芯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定。通過對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,能夠有效地減小此項,降低磁通門最佳激勵電流。最佳激勵電流越小,則器件功耗越低,除了功耗指標(biāo)外,微型磁通門的靈敏度也與激勵電流密切相關(guān),因此本文使用最佳激勵電流這一指標(biāo)來評價與衡量不同多孔鐵芯會對微型磁通門的影響。

圖1為縮比結(jié)構(gòu)鐵芯磁通門的示意圖。在鐵芯各處厚度相等的情況下,激勵線圈對應(yīng)的鐵芯(以下簡稱激勵鐵芯)橫截面積較大,感應(yīng)線圈對應(yīng)的鐵芯(以下簡稱感應(yīng)鐵芯)橫截面積較小。

圖1 縮比結(jié)構(gòu)鐵芯磁通門

對于縮比結(jié)構(gòu)閉磁路磁通門來說,最佳激勵電流幅值Imo與磁通門的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在如下關(guān)系:

(3)

式中:S1和l1分別是激勵線圈內(nèi)鐵芯的橫截面積和長度;S2和l2分別是感應(yīng)線圈內(nèi)鐵芯的橫截面積和長度;μr是鐵芯沒有飽和時的磁導(dǎo)率;D是退磁系數(shù);Hs是鐵芯的飽和磁場強度;N1是激勵線圈的匝數(shù)。

式(3)中沒有考慮漏磁的影響,當(dāng)激勵線圈內(nèi)鐵芯與感應(yīng)線圈內(nèi)鐵芯面積相差較大時必須考慮漏磁影響,將(3)改為:

(4)

式中:ΦL是漏磁通。縮比結(jié)構(gòu)磁通門的最佳激勵電流與激勵線圈匝數(shù)N1、感應(yīng)鐵芯和激勵鐵芯的橫截面積比(S2/S1)和長度比(l2/l1)、磁導(dǎo)率、漏磁通、矯頑力、飽和磁場強度等多個因素有關(guān)。本文從優(yōu)化結(jié)構(gòu)著手降低功耗,以上因素中與結(jié)構(gòu)相關(guān)的主要有橫截面積比(S2/S1)和長度比(l2/l1)兩個參數(shù),無論是傳統(tǒng)磁通門測量中的經(jīng)驗還是微型磁通門的仿真結(jié)果都表明,橫截面積比對功耗的影響明顯大于長度比。因此,面積比(S2/S1)是縮比結(jié)構(gòu)降低功耗的主要影響因素。根據(jù)最佳激勵電流幅值Imo與磁通門的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系,隨著縮比比例的增加,面積比(S2/S1)減小,最佳激勵電流會隨之降低,磁通門能在更小的電流下進入非線性區(qū)域,有利于降低功耗;但與此同時,漏磁也會隨之逐漸增大,漏磁過大會導(dǎo)致磁通門最佳激勵電流增加,從而使磁通門的功耗增加。要想有效降低功耗,應(yīng)當(dāng)從降低漏磁和增加激勵鐵芯的有效橫截面積S1著手,對縮比結(jié)構(gòu)進行改進。

以上公式推導(dǎo)中假設(shè)激勵鐵芯中的磁場強度是均勻分布的,然而由于退磁效應(yīng)的影響,激勵鐵芯中的磁場強度分布并不均勻。以70 mA激勵電流下的鐵芯仿真結(jié)果為例,橫截面(600 μm×10 μm)上的磁場強度沿寬度方向呈現(xiàn)中心處最大,向兩側(cè)變小的趨勢,如圖2(a)所示。這使得激勵鐵芯的有效橫截面積S1變小,最佳激勵電流增大。要增加有效橫截面積S1,必須使激勵鐵芯中的磁場強度分布更加均勻。為此可將縮比結(jié)構(gòu)中S2處的單根鐵芯,等分為幾根鐵芯,橫截面積之和等于單根橫截面積。隨著鐵芯劃分?jǐn)?shù)量的增加,磁場分布更加均勻,如圖2(c)所示,有效橫截面積S1增大,最佳激勵電流降低。

由于漏磁的影響,縮比結(jié)構(gòu)中遠離激勵線圈的部分鐵芯難以飽和。縮短感應(yīng)鐵芯長度l2是減小漏磁的有效方法,最佳激勵電流也能夠相應(yīng)降低。但是如果僅僅縮短感應(yīng)鐵芯長度會導(dǎo)致感應(yīng)線圈的匝數(shù)減少,磁通門的靈敏度會隨之明顯降低,為了解決這一問題,可將鐵芯進行分段,使激勵鐵芯長度與感應(yīng)鐵芯長度同時縮短并且交替出現(xiàn),對應(yīng)的激勵線圈和感應(yīng)線圈也由原來的單獨繞線方式變?yōu)榻惶胬@線方式,使磁通門的初次級緊密耦合,有效降低漏磁,不但能減小最佳激勵電流,還能在一定程度上提高靈敏度,這一演變過程如圖3所示。

圖2 激勵鐵芯橫截面上的磁場分布

圖3 縮比結(jié)構(gòu)到多孔結(jié)構(gòu)的演變示意圖

優(yōu)化分析表明,鐵芯由單根變?yōu)槎喔鶎⑹硅F芯中的磁場強度分布更加均勻,能夠增加鐵芯的有效橫截面積,達到降低激勵電流的目的;鐵芯由整段變?yōu)槎喽吻壹铊F芯與感應(yīng)鐵芯交替出現(xiàn),可以使得感應(yīng)線圈與激勵線圈實現(xiàn)交替繞線,耦合會更緊密,能有效降低漏磁,同樣有利于降低激勵電流。經(jīng)過對縮比結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,鐵芯呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)形態(tài)。優(yōu)化后的多孔微型磁通門采用閉合磁路矩形鐵芯結(jié)構(gòu),如圖4所示。優(yōu)化的效果主要通過對比縮比結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)來加以驗證。

圖4 多孔鐵芯微型磁通門

2 微型磁通門的制備

經(jīng)過分析,多孔鐵芯結(jié)構(gòu)能夠同時實現(xiàn)降低漏磁和增加激勵線圈對應(yīng)鐵芯的有效橫截面積這兩個目的,為證實優(yōu)化分析的結(jié)果,驗證多孔結(jié)構(gòu)鐵芯的有效性,采用標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝流程,制備了分布具有多孔鐵芯結(jié)構(gòu)和縮比鐵芯結(jié)構(gòu)的微型磁通門,進行試驗測試,以對比兩者的性能指標(biāo)。兩種微型磁通門的制備結(jié)果照片如圖5、圖6所示。

圖5 縮比鐵芯微型磁通門

圖6 多孔鐵芯微型磁通門

多孔鐵芯微型磁通門的鐵芯采用陣列式分布的六角形孔和5∶1的縮小比例。為保證對比的有效性,兩種微型磁通門的激勵線圈對應(yīng)鐵芯部分的寬度均為1 200 μm,感應(yīng)線圈對應(yīng)鐵芯部分的寬度均為240 μm,兩者的縮小比例相同,均為5∶1。鐵芯的材質(zhì)為相同條件下的電鍍NiFe合金,厚度均為2 μm。兩種微型磁通門的激勵線圈匝數(shù)和感應(yīng)線圈匝數(shù)均為48匝。

圖7 簡易封裝后用于測試的器件

為了測試器件的性能,需要將制作的微型磁通門器件進行引線和簡易封裝后,才能接入測試系統(tǒng)。圖7是將微型磁通門簡易封裝在PCB板上用于測試的器件照片,磁通門的焊盤通過鋁線引至PCB板上。

3 測試與分析

測試系統(tǒng)如圖8所示,信號發(fā)生器和功率放大器用于產(chǎn)生激勵信號,被測磁場通過直流電源激勵螺線管產(chǎn)生,與電源串聯(lián)的電流表用于讀取激勵電流,示波器接微型磁通門的感應(yīng)線圈兩端測量輸出電壓。整個測試系統(tǒng)應(yīng)遠離鐵磁物質(zhì)等干擾源。

圖8 試系統(tǒng)原理圖

為了比較多孔結(jié)構(gòu)鐵芯和縮比結(jié)構(gòu)鐵芯對微型磁通門性能的影響,在500 kHz固定頻率的正弦激勵,外磁場為40 μT的條件下,分別測試了所制備的兩種不同鐵芯結(jié)構(gòu)的微型磁通門,兩者的輸出電壓二次諧波幅值隨激勵電流的變化曲線如圖9所示。對于多孔結(jié)構(gòu)鐵芯,當(dāng)激勵電流達到60 mA時,鐵芯上有孔區(qū)域所對應(yīng)的小截面積部分開始逐漸進入非線性區(qū);達到80 mA時,這部分鐵芯已經(jīng)完全飽和。在激勵電流為80 mA到140 mA的區(qū)間內(nèi),曲線出現(xiàn)一個明顯的平臺,此時增大激勵電流,磁通門的靈敏度沒有明顯提高。對于縮比結(jié)構(gòu)鐵芯,當(dāng)激勵電流達到80 mA時,鐵芯上的截面積縮小部分開始逐漸進入非線性區(qū);達到100 mA時,這部分鐵芯已經(jīng)完全飽和。在激勵電流為100 mA到140 mA的區(qū)間內(nèi),曲線同樣進入平臺期,增大激勵電流,磁通門的靈敏度沒有明顯提高。

圖9 輸出電壓二次諧波幅值隨激勵電流的變化

圖9中多孔結(jié)構(gòu)的曲線始終位于縮比結(jié)構(gòu)的上方,說明多孔鐵芯微型磁通門的靈敏度始終高于縮比結(jié)構(gòu)。兩種微型磁通門在頻率為500 kHz,有效值為100 mA的相同激勵下,輸出電壓二次諧波幅值隨外磁場的變化曲線見圖10,多孔結(jié)構(gòu)的測量范圍(±700 μT)大于縮比結(jié)構(gòu)(±600 μT)。在測量范圍、靈敏度等幾個方面,多孔結(jié)構(gòu)都優(yōu)于縮比結(jié)構(gòu)。

表1和表2中對比了兩種結(jié)構(gòu)磁通門的靈敏度和1 Hz噪聲。結(jié)果顯示,多孔鐵芯微型磁通門的靈敏度高于縮比結(jié)構(gòu)鐵芯微型磁通門,而且多孔鐵芯磁通門的噪聲相對于縮比結(jié)構(gòu)也有明顯降低。另外,多孔結(jié)構(gòu)微型磁通門的飽和激勵電流要小于縮比結(jié)構(gòu),這有利于降低功耗。對多孔結(jié)構(gòu)磁通門的激勵電流,選擇80 mA就可以滿足工作需要,而縮比結(jié)構(gòu)磁通門則需要100 mA的激勵電流。兩種結(jié)構(gòu)磁通門的激勵線圈電阻和功耗見表3。

表1 縮比結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)的靈敏度對比

表2 縮比結(jié)構(gòu)與多孔結(jié)構(gòu)的噪聲對比

表3 縮比結(jié)構(gòu)與多孔結(jié)構(gòu)的功耗對比

經(jīng)過對比分析,在相同的激勵條件下(激勵頻率500 kHz,激勵電流100 mA),多孔結(jié)構(gòu)微型磁通門相對于縮比結(jié)構(gòu)微型磁通門,靈敏度提高了13%,1 Hz噪聲降低為原來的57%,功耗降低為原來的59.6%。多孔結(jié)構(gòu)磁通門的功耗和噪聲小于縮比結(jié)構(gòu),靈敏度大于縮比結(jié)構(gòu),整體性能更為優(yōu)越。

圖10 兩種不同磁通門的輸入-輸出曲線

4 結(jié)論

通過對微型磁通門鐵芯結(jié)構(gòu)的拓?fù)浞治雠c優(yōu)化,并采用MEMS工藝制備了相應(yīng)器件對多孔優(yōu)化方案進行驗證。試驗測試結(jié)果表明,采用多孔鐵芯能夠更好的降低器件功耗,提升傳感器的靈敏度,降低噪聲,有利于提升綜合性能指標(biāo)。

[1] Park H S,Hwang J S,Choi W Y,et al. Development of Micro-Fluxgate Sensors with Electroplated Magnetic Cores for Electronic Compass[J]. Sensors and Actuators A—Physical,2004,114(2-3):224-229.

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

[3] Lei C,Chen L,Lei J,et al. Low Power Integrated Fluxgate Sensor with a Spiral Magnetic Core[J]. Microsyst Technol,2011,17(12):1697-1702.

[4] Lü 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.

[5] 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.

[6] Kubik J,Janosek M,Ripka P. Low-Power Fluxgate Sensor Signal Processing Using Gated Differential Integrator[J]. Sensor Letters,2007,5(1):149-152.

[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(shù)學(xué)報,2009,22(12):1709-1712.

[8] Butta M,Sasada I,Janosek M. Temperature Dependence of Offset and Sensitivity in Orthogonal Fluxgate Operated in Fundamental Mode[J]. IEEE Trans Magn,2012,48(11):4103-4106.

[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] 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.

[11] 崔智軍,劉詩斌,李菊萍. 磁通門鐵芯渦流效應(yīng)磁場計算與HSPICE仿真[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2016,29(1):26-28.

[12] 呂輝,劉詩斌. 基于多孔鐵芯的微型磁通門低功耗技術(shù)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2014,27(11):1512-1516.

[13] 呂輝,李隨源. 低功耗微型磁通門的制備與分析[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2016,29(1):21-25.

呂 輝(1977-),男,山東菏澤人,副教授,博士。研究方向為微電子與固體電子學(xué),現(xiàn)在主要從事微型傳感器研究,lvhui700@sohu.com;

郅富標(biāo)(1976-),男,河南鞏義人,講師,碩士,研究方向為傳感器技術(shù)及其應(yīng)用,現(xiàn)主要從事微型傳感器研究,1210106507@qq.com。

Optimization Analysis and Performance Test of Micro Fluxgate*

Lü Hui1,2,3*,ZHI Fubiao4
(1.Electrical Engineering and Automation institute,Henan Polytechnic University,Jiaozuo He’nan 454000,China;2.Key Laboratory of Control Engineering of Henan Province,Henan Polytechnic University,Jiaozuo He’nan 454000,China;3.School of Electronics and information,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129,China;4.Electrical Engineering institute,Henan College of industry information technology,Jiaozuo He’nan 454000,China)

Structural improvement of core is conducive to meet the requirement of micro fluxgate sensor to reduce power consumption. But different topological structures have different effect. In this papar,topology analysis and targeted optimization of core was completed. The micro fluxgate based different porous core was fabricated by MEMS technology. By testing and comparing performance of these sensors,the test result show that optimized structure of core can better reduce power consumption and noise of micro fluxgate sensor and improve its sensitivity to enhance overall performance of micro fluxgate.

porous core;micro fluxgate;optimization analysis;performance testing

項目來源:高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20126102110031);河南省自然科學(xué)基金項目(162300410123);河南省高等學(xué)校控制工程重點學(xué)科開放實驗室項目(KG2016-11)

2016-10-12 修改日期:2016-12-15

TP212

A

1004-1699(2017)04-0523-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.007