微型磁通門的優(yōu)化分析與性能測(cè)試*

呂 輝,郅富標(biāo)(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 焦作 5000;2.河南理工大學(xué)控制工程省重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)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)

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微型磁通門的優(yōu)化分析與性能測(cè)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(dòng)化學(xué)院,河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué)控制工程省重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)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(duì)鐵芯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)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(duì)鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行性能測(cè)試與對(duì)比驗(yàn)證。測(cè)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(cè)試

磁通門傳感器作為一種綜合性能良好的磁測(cè)量器件[1],在地磁研究、空間磁場(chǎng)探測(cè)、航空航天、微型衛(wèi)星、微型無(wú)人機(jī)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(diǎn),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(wèn)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(wèn)題是降低功耗,提高性能[2-5]。

目前的低功耗技術(shù)大多來(lái)自傳統(tǒng)磁通門,如脈沖激勵(lì)技術(shù)[6],會(huì)使器件靈敏度降低,噪聲增大;激勵(lì)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(chǎng)合,并且會(huì)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(shí)現(xiàn)降低功耗,并不適用微型磁通門。相關(guān)研究表明,對(duì)微型磁通門所用鐵芯進(jìn)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(guò)減小激勵(lì)電流,降低磁通門功耗,但其效果有待進(jìn)一步改進(jìn)。本文采用多孔鐵芯這一優(yōu)化方案降低功耗,為證實(shí)這一結(jié)構(gòu)的有效性與先進(jìn)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(jìn)行性能測(cè)試與對(duì)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(duì)閉合磁路微型磁通門而言,被測(cè)外磁場(chǎng)為Hx,若對(duì)微型磁通門施加正弦電流ie=Imsin(ωt)作為激勵(lì),鐵芯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度為Hmsin(ωt)的磁場(chǎng),此時(shí)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(chǎng)強(qiáng)度。

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

(2)

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

對(duì)影響最佳激勵(lì)電流的因素進(jìn)行分析,減小最佳激勵(lì)電流的切入點(diǎn)是減小(l/N1)/D,對(duì)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(guò)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,能夠有效地減小此項(xiàng),降低磁通門最佳激勵(lì)電流。最佳激勵(lì)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(lì)電流密切相關(guān),因此本文使用最佳激勵(lì)電流這一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)與衡量不同多孔鐵芯會(huì)對(duì)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(lì)線圈對(duì)應(yīng)的鐵芯(以下簡(jiǎn)稱激勵(lì)鐵芯)橫截面積較大,感應(yīng)線圈對(duì)應(yīng)的鐵芯(以下簡(jiǎn)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(duì)于縮比結(jié)構(gòu)閉磁路磁通門來(lái)說(shuō),最佳激勵(lì)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(lì)線圈內(nèi)鐵芯的橫截面積和長(zhǎng)度;S2和l2分別是感應(yīng)線圈內(nèi)鐵芯的橫截面積和長(zhǎng)度;μr是鐵芯沒(méi)有飽和時(shí)的磁導(dǎo)率;D是退磁系數(shù);Hs是鐵芯的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度;N1是激勵(lì)線圈的匝數(shù)。

式(3)中沒(méi)有考慮漏磁的影響,當(dāng)激勵(lì)線圈內(nèi)鐵芯與感應(yīng)線圈內(nèi)鐵芯面積相差較大時(shí)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(lì)電流與激勵(lì)線圈匝數(shù)N1、感應(yīng)鐵芯和激勵(lì)鐵芯的橫截面積比(S2/S1)和長(zhǎng)度比(l2/l1)、磁導(dǎo)率、漏磁通、矯頑力、飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度等多個(gè)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(zhǎng)度比(l2/l1)兩個(gè)參數(shù),無(wú)論是傳統(tǒng)磁通門測(cè)量中的經(jīng)驗(yàn)還是微型磁通門的仿真結(jié)果都表明,橫截面積比對(duì)功耗的影響明顯大于長(zhǎng)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(lì)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(lì)電流會(huì)隨之降低,磁通門能在更小的電流下進(jìn)入非線性區(qū)域,有利于降低功耗;但與此同時(shí),漏磁也會(huì)隨之逐漸增大,漏磁過(guò)大會(huì)導(dǎo)致磁通門最佳激勵(lì)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(lì)鐵芯的有效橫截面積S1著手,對(duì)縮比結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

以上公式推導(dǎo)中假設(shè)激勵(lì)鐵芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻分布的,然而由于退磁效應(yīng)的影響,激勵(lì)鐵芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布并不均勻。以70 mA激勵(lì)電流下的鐵芯仿真結(jié)果為例,橫截面(600 μm×10 μm)上的磁場(chǎng)強(qiáng)度沿寬度方向呈現(xiàn)中心處最大,向兩側(cè)變小的趨勢(shì),如圖2(a)所示。這使得激勵(lì)鐵芯的有效橫截面積S1變小,最佳激勵(lì)電流增大。要增加有效橫截面積S1,必須使激勵(lì)鐵芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)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(lì)電流降低。

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

圖2 激勵(lì)鐵芯橫截面上的磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度分布更加均勻,能夠增加鐵芯的有效橫截面積,達(dá)到降低激勵(lì)電流的目的;鐵芯由整段變?yōu)槎喽吻壹?lì)鐵芯與感應(yīng)鐵芯交替出現(xiàn),可以使得感應(yīng)線圈與激勵(lì)線圈實(shí)現(xiàn)交替繞線,耦合會(huì)更緊密,能有效降低漏磁,同樣有利于降低激勵(lì)電流。經(jīng)過(guò)對(duì)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(guò)對(duì)比縮比結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)來(lái)加以驗(yàn)證。

圖4 多孔鐵芯微型磁通門

2 微型磁通門的制備

經(jīng)過(guò)分析,多孔鐵芯結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低漏磁和增加激勵(lì)線圈對(duì)應(yīng)鐵芯的有效橫截面積這兩個(gè)目的,為證實(shí)優(yōu)化分析的結(jié)果,驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,以對(duì)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(duì)比的有效性,兩種微型磁通門的激勵(lì)線圈對(duì)應(yīng)鐵芯部分的寬度均為1 200 μm,感應(yīng)線圈對(duì)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(lì)線圈匝數(shù)和感應(yīng)線圈匝數(shù)均為48匝。

圖7 簡(jiǎn)易封裝后用于測(cè)試的器件

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

3 測(cè)試與分析

測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示,信號(hào)發(fā)生器和功率放大器用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào),被測(cè)磁場(chǎng)通過(guò)直流電源激勵(lì)螺線管產(chǎn)生,與電源串聯(lián)的電流表用于讀取激勵(lì)電流,示波器接微型磁通門的感應(yīng)線圈兩端測(cè)量輸出電壓。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)遠(yuǎn)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(duì)微型磁通門性能的影響,在500 kHz固定頻率的正弦激勵(lì),外磁場(chǎng)為40 μT的條件下,分別測(cè)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(lì)電流的變化曲線如圖9所示。對(duì)于多孔結(jié)構(gòu)鐵芯,當(dāng)激勵(lì)電流達(dá)到60 mA時(shí),鐵芯上有孔區(qū)域所對(duì)應(yīng)的小截面積部分開(kāi)始逐漸進(jìn)入非線性區(qū);達(dá)到80 mA時(shí),這部分鐵芯已經(jīng)完全飽和。在激勵(lì)電流為80 mA到140 mA的區(qū)間內(nèi),曲線出現(xiàn)一個(gè)明顯的平臺(tái),此時(shí)增大激勵(lì)電流,磁通門的靈敏度沒(méi)有明顯提高。對(duì)于縮比結(jié)構(gòu)鐵芯,當(dāng)激勵(lì)電流達(dá)到80 mA時(shí),鐵芯上的截面積縮小部分開(kāi)始逐漸進(jìn)入非線性區(qū);達(dá)到100 mA時(shí),這部分鐵芯已經(jīng)完全飽和。在激勵(lì)電流為100 mA到140 mA的區(qū)間內(nèi),曲線同樣進(jìn)入平臺(tái)期,增大激勵(lì)電流,磁通門的靈敏度沒(méi)有明顯提高。

圖9 輸出電壓二次諧波幅值隨激勵(lì)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(shuō)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(lì)下,輸出電壓二次諧波幅值隨外磁場(chǎng)的變化曲線見(jiàn)圖10,多孔結(jié)構(gòu)的測(cè)量范圍(±700 μT)大于縮比結(jié)構(gòu)(±600 μT)。在測(cè)量范圍、靈敏度等幾個(gè)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(duì)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(duì)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(lì)電流要小于縮比結(jié)構(gòu),這有利于降低功耗。對(duì)多孔結(jié)構(gòu)磁通門的激勵(lì)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(lì)電流。兩種結(jié)構(gòu)磁通門的激勵(lì)線圈電阻和功耗見(jiàn)表3。

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

表2 縮比結(jié)構(gòu)與多孔結(jié)構(gòu)的噪聲對(duì)比

表3 縮比結(jié)構(gòu)與多孔結(jié)構(gòu)的功耗對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,在相同的激勵(lì)條件下(激勵(lì)頻率500 kHz,激勵(lì)電流100 mA),多孔結(jié)構(gòu)微型磁通門相對(duì)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(lái)的57%,功耗降低為原來(lái)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(guò)對(duì)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(duì)多孔優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)測(cè)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)。

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呂 輝(1977-),男,山東菏澤人,副教授,博士。研究方向?yàn)槲㈦娮优c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?yàn)閭鞲衅骷夹g(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(xiàng)目來(lái)源:高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20126102110031);河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(162300410123);河南省高等學(xué)校控制工程重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)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