微型磁通門性能指標的綜合測試與分析*

呂 輝,許 波

(1.河南理工大學電氣工程與自動化學院,河南 焦作 454000;2.河南理工大學控制工程省重點學科開放實驗室,河南 焦作 454000;3.河南工業和信息化職業學院電氣工程系,河南 焦作 454000)

磁通門傳感器是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、微型衛星、微型無人機等領域有著廣泛應用。MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)技術發展所催生出的微型器件中,微型磁通門因其尺寸小,易集成等等優點,率先得到了使用。然而微型磁通門的尺寸雖然得到有效縮減,但性能指標也出現了明顯降低。為了更好的推廣微型磁通門,需要分析其性能指標的影響因素,尋求提高其綜合性能[2-5]。

目前提升性能的技術多來自傳統磁通門,如脈沖激勵[6],激勵調諧[7-8],RTD(Residence Times Difference)方法[9-10]。這些技術大多通過改進電路等外部因素來實現,并不適用于微型磁通門。研究表明,優化微型磁通門鐵芯是一種改進自身結構以提高性能的有效方法[11-13]。

本文采用了優化后的多孔鐵芯來提升傳感器性能,對制備的微型磁通門進行了主要工作參數及性能指標的綜合測定,分析工作參數對微型磁通門性能指標的影響,為傳感器選擇合適的工作參數提供數據支持。

1 被測器件與測試平臺

前期研究表明,要提升傳感器的綜合性能,應當從降低漏磁和增加激勵鐵芯的有效橫截面積著手,對鐵芯進行結構優化[11-13]。鐵芯由傳統的單根結構變為多根結構可以使鐵芯中磁場分布更均勻,從而增加有效橫截面積,降低激勵電流;鐵芯由整段變為多段,可以實現感應線圈與激勵線圈的交替式繞線,使磁場耦合更加緊密,有效降低漏磁通。

經過以上優化,鐵芯演變為多孔結構。這一鐵芯結構對功耗、靈敏度、噪聲等重要性能指標有明顯的提升效果。對孔的分布、尺寸等拓撲因素進行對比分析后,最終方案采用了陣列分布的六角形孔和5∶1的縮小比,平衡主要性能參數的同時,兼顧了MEMS工藝的要求。

經過微加工工藝所制作出的微型磁通門及多孔鐵芯部分如圖1(a)和圖1(b)所示,鐵芯采用陣列式分布的六角形孔,鐵芯縮小比為5∶1(縮小比=W1/ΣW2i,即多孔鐵芯的總寬度W1與同一行的各孔孔壁之和ΣW2i的比值,如圖1(c)和圖1(d)所示)。其中微型磁通門的激勵線圈對應鐵芯的寬度為1 200 μm,感應線圈對應鐵芯寬度為240 μm,因此縮小比為5∶1。鐵芯采用電鍍NiFe合金,厚度 2 μm,激勵線圈匝數和感應線圈匝數均為48匝[14]。

圖1 多孔鐵芯微型磁通門

圖2 簡易封裝后用于測試的器件

為方便測試器件的工作性能,需將微型磁通門器件簡易封裝在PCB板上,封裝結果如圖2所示,磁通門的焊盤通過鋁線引至PCB板上。

微型磁通門性能測試平臺的原理框圖如圖3(a)所示。所需的激勵信號由任意信號發生器(Agilent 33220A)和功率放大器(NF HSA4011)級聯產生。電流表(Agilent 34401A)串聯在激勵回路中,測量激勵電流的大小。直流電源(Agilent E3610A)激勵螺線管產生被測外部磁場,螺線管電流大小由電流表指示。微型磁通門的感應線圈兩端與示波器(Agilent 54830D)相連,分析輸出的電壓信號。實物圖如圖3(b)所示。

圖3 測試平臺

在測試微型磁通門傳感器各項指標時,為提高結果的準確性,在測試過程中需要排除外界磁場的影響,尤其是地磁場。地磁場強度大約在50 μT～60 μT,會給磁通門的測試帶來較大的干擾,因此實際測試中多采用磁屏蔽裝置對地磁場進行屏蔽來模擬零磁空間(磁場強度保持為0 nT的空間)。

本文測試所使用的磁場屏蔽裝置是磁屏蔽筒,三層結構的磁屏蔽筒如圖4所示。磁屏蔽筒采用坡莫合金材料制成,能夠實現對地磁場的衰減。外界磁場的磁力線在經過兩種不同磁導率的介質時,會在介質交界面上產生磁力線偏折現象,即磁力線會偏向磁導率高的材質。因此,采用多層結構可以逐步降低屏蔽裝置內部的磁力線密度,使地磁場在其內部不斷衰減,從而得到盡可能接近“零磁場”的內部空間,在其中進行的測試可以忽略地磁變化對傳感器的影響。

圖4 磁場屏蔽筒

屏蔽筒的中心區域為均勻區,該區域的磁場分布均勻且磁場強度最小,均勻區內對直流磁場的抑制比一般可以達到萬分之一。由于屏蔽筒的屏蔽效果在軸向方向上較差,因此測試時必須將屏蔽筒按照東西方向放置,以保證軸向方向的本底磁場最小,獲得更好的測試環境。

測試時將產生被測磁場的螺線管置于屏蔽筒內,周圍不要放置任何鐵磁物質,同時在每次測試前使用磁強計對磁場進行零位校正。由于日常的環境中存在大量的電磁干擾,如果條件允許,可以對測試地點加以選擇,盡量遠離電磁干擾源。

2 微型磁通門的性能指標與測試方法

微型磁通門的綜合測試需要對功耗、靈敏度、噪聲、線性范圍等一系列主要性能指標進行測定,其主要指標與測試方法如下:

2.1 功耗

功耗是微型磁通門的重要性能指標之一,低功耗有利于解決微型磁通門的散熱問題,增加器件的熱穩定性,拓展微型磁通門的應用范圍。微型磁通門的功耗由輸入阻抗與激勵電流有效值共同決定,可以通過測量磁通門的輸入電阻以及激勵電流,并經過式(1)計算得到對應的功耗值。

P=I2R

(1)

式中:I為激勵電流的有效值,R為磁通門的輸入阻抗。

2.2 靈敏度與線性范圍

微型磁通門的靈敏度和線性范圍是設計傳感器要考慮的關鍵指標,也是判斷其性能優劣的重要標志。根據磁通門工作原理,感應線圈輸出電壓的二次諧波幅值(輸出量)隨外磁場的變化(輸入量)而變化,兩者在一定范圍內呈線性關系。因此,本文選擇磁通門輸出電壓的二次諧波作為對象,通過測試不同外磁場下輸出電壓的二次諧波幅值來研究磁通門的靈敏度和線性范圍。

二次諧波幅值的測量可以使用Agilent Oscilloscope Infiniium 54830D 型示波器來完成。通過示波器采集輸出信號后進行FFT變換,提取二次諧波信號幅值,測試中示波器的采集模式設為高分辨率模式。在提取信號進行FFT變換的過程中,采樣率設為20 Msample/s,采樣數設為1 Msample。進行FFT變換后,獲得信號(頻率為激勵頻率的2倍)的分貝毫瓦值(單位為dBm)。經進一步計算將示波器上得到的分貝毫瓦值轉換為輸出二次諧波幅值。

磁通門的性能主要受線圈匝數、鐵芯橫截面積、激勵頻率、鐵芯性能、激勵電流等多個因素影響。本文所測試的傳感器,由于線圈匝數等結構因素已經確定,因此通過研究不同的激勵電流和頻率條件下,輸出電壓的二次諧波幅值隨外磁場的變化曲線,可以得到不同的靈敏度和線性范圍。本文將輸出電壓二次諧波幅值隨外磁場的變化曲線進行擬合時,將R-square值大于99%的最大范圍作為傳感器的線性范圍,擬合直線的斜率作為傳感器的靈敏度。

2.3 噪聲

RMS噪聲反映的是采樣帶寬內的總噪聲,這一結果對于工程應用更具價值。但是對不同磁通門的噪聲進行比較時,往往其采樣帶寬各不相同,無法使用RMS噪聲進行橫向比較,此時使用1 Hz噪聲做評價指標更為合適,因為它反映的是信號1 Hz處的頻譜密度,對平穩信號而言,1 Hz噪聲的大小與采樣帶寬和采樣時間無關[15]。

本文選用Tektronix RSA 5103A型頻譜分析儀進行了噪聲測試。該儀器的頻率測試范圍從1 Hz到3 GHz,分辨率帶寬(RBW)最低可達0.1 Hz,滿足本文的噪聲測試需求。

2.4 剩磁誤差

剩磁誤差是磁通門傳感器受到強磁場干擾后產生的附加誤差,這一誤差會影響傳感器的測量精度。磁通門的鐵芯中由于缺陷、雜質等因素的影響會存在一些難磁化的部分,當施加強磁場時,這些部分會繼續發生磁化,當撤去強磁場后,由于剩下的激勵磁場較小,不足以使這些部分恢復原有狀態。造成的后果是,在強磁場消失后,原有的外磁場方向仍存在一個“外磁場”,使得磁通門輸出電壓無法恢復正常。

本文在不同的激勵條件下測量了磁通門的剩磁誤差,具體方案為:在磁通門的被測磁場方向施加一個強磁場,維持一段時間后,撤去這個磁場并測量輸出電壓;然后在相反方向施加同樣大小的強磁場,一段時間后撤去磁場并測量輸出電壓。兩次輸出電壓的差值稱為剩磁誤差電壓,將剩磁誤差電壓除以靈敏度即為剩磁誤差。

圖5 不同激勵電流下二次諧波幅值隨外磁場的變化曲線

3 測試結果與分析

微型磁通門的激勵電流的大小和頻率是主要的工作參數,為了分析它們對傳感器性能指標的影響,以便選擇恰當的工作條件,本文進行了如下的測試:

3.1 激勵電流對靈敏度和線性范圍的影響

為了測試不同的激勵電流對微型磁通門的靈敏度和線性范圍的影響,采用了500 kHz固定頻率的正弦激勵,激勵電流有效值分別為60 mA、70 mA、80 mA、100 mA、120 mA。改變外磁場的大小,分別測試了在以上幾種激勵電流下,微型磁通門的輸出電壓二次諧波幅值隨外磁場的變化曲線,如圖5所示。

由圖5可知,當激勵電流大于60 mA以后,磁通門已經可以正常工作,輸出電壓的二次諧波幅值在一定范圍內與被測的外磁場成線性關系。自60 mA開始,隨著激勵電流的增加,磁通門的靈敏度和線性范圍都相應增大,在電流達到80 mA之后,已經能夠使得微磁磁通門傳感器有效工作,此時激勵電流進一步提高,雖然線性范圍仍有一定程度的增大,但靈敏度變化已經非常微小。表1中列出了不同大小的激勵電流下磁通門的靈敏度和線性范圍。

表1 500 kHz頻率下不同大小的激勵電流對應的靈敏度和線性范圍

3.2 激勵頻率對靈敏度和線性范圍的影響

為了測試激勵電流頻率對微型磁通門的靈敏度和線性范圍的影響,固定采用80 mA的正弦激勵電流,激勵頻率分別為400 kHz、600 kHz、800 kHz、

1 000 kHz、1 200 kHz。改變外磁場的大小,分別測試了在以上幾種激勵頻率下,微型磁通門的輸出電壓二次諧波幅值隨外磁場的變化曲線,如圖6所示。

圖6 不同激勵頻率下二次諧波幅值隨外磁場的變化曲線

由圖6可知,磁通門的輸出電壓的二次諧波幅值在一定范圍內與被測的外磁場成線性關系。隨著激勵電流頻率的提高,磁通門的靈敏度會明顯增大,而線性范圍則略有減小。在電流頻率達到1 000 kHz之后,如果進一步提高激勵電流頻率,磁通門靈敏度雖仍有一定程度的增大,但是增大幅度已經遠不如之前明顯,而線性范圍卻有一定程度的縮小。表2列出了不同激勵頻率下磁通門的靈敏度和線性范圍。

表2 80 mA電流下不同激勵頻率所對應的靈敏度和線性范圍

在測試過程中,隨著激勵頻率的提高,鐵芯的渦流效應和趨膚效應在逐漸加深,這會帶來較大的能量損耗,影響磁通門的性能指標和工作效果。另外,隨著激勵頻率的提高,輸出回路的幅頻特性也會發生明顯改變。因此,提高頻率對提高磁通門性能的效果會逐漸減弱。

3.3 噪聲測試結果

本文對微型磁通門在不同激勵條件下的1 Hz噪聲和RMS噪聲指標進行了測定。測試參數如下:中心頻率為激勵頻率的2倍,分辨率帶寬為0.1 Hz,頻展為100 Hz,實驗時施加的外磁場為50 μT。

圖7和圖8為微型磁通門在不同激勵電流和激勵頻率下0.125 Hz 到50 Hz范圍內的電壓噪聲譜密度。從圖7和圖8中可以看出,在不同的激勵電流和激勵頻率下,磁通門的電壓噪聲曲線比較接近,某些部分重疊在一起,彼此之間相差不大。

圖7 不同激勵電流下的電壓噪聲譜密度

圖8 不同激勵頻率下的電壓噪聲譜密度

圖10 不同激勵頻率下的磁噪聲譜密度

對電壓噪聲做進一步處理,得到不同激勵條件下磁通門的磁噪聲譜密度曲線,如圖9和圖10所示,不同的曲線已經有了比較明顯的層次區分。

圖9 不同激勵電流下的磁噪聲譜密度

經過進一步計算后,得到不同激勵條件下磁通門的1 Hz噪聲和0.25 Hz～10 Hz頻率范圍內的RMS噪聲,表3和表4是磁通門在不同激勵電流(固定激勵頻率500 kHz)和不同激勵頻率(固定激勵電流80 mA)下的噪聲值。

表3 不同激勵電流下的磁通門噪聲

表4 不同激勵頻率下磁通門的噪聲

如表3中所示,隨著激勵電流的增大,噪聲逐漸下降,這主要得益于激勵電流增大所帶來的靈敏度提高,另外增大激勵電流也會使鐵芯的飽和程度加深,從而有利于降低等效噪聲。如表4所示,隨著激勵電流頻率的提高,噪聲同樣逐漸下降,這是由于高頻激勵有利于提高靈敏度,從而降低等效噪聲。

3.4 剩磁誤差與功耗

測定剩磁誤差選擇用螺線管產生強磁場干擾,磁場強度為10 mT。施加強磁場干擾持續時間為10 s,撤去強磁場后,測量此時的輸出電壓二次諧波,然后施加反向強磁場干擾10 s,撤去強磁場后,再次測量輸出電壓二次諧波,將兩次測得的輸出電壓二次諧波的差值,除以靈敏度即可得到相應的剩磁誤差。

圖11(a)為激勵電流固定100 mA,采用不同激勵頻率時的剩磁誤差變化曲線。從圖11(a)可以看出,隨著激勵頻率的提高,剩磁誤差并沒有發生太大的變化。這是由于頻率提高雖然會帶來靈敏度的改變,有利于剩磁誤差的降低,但是在這一過程中,趨膚效應同樣會增強,不利于剩磁誤差的降低。兩者共同作用的結果,最終導致剩磁誤差并沒有隨頻率的提高發生明顯改變。

圖11(b)為激勵頻率固定300 kHz,激勵電流采用不同有效值時的剩磁誤差變化曲線。由圖11(b)中可以看出,隨著激勵電流的增大,磁通門的剩磁誤差逐漸下降,這是由于激勵電流的增大使得磁通門的飽和程度加深,從而能有效降低剩磁誤差。

根據之前的分析,多孔鐵芯微型磁通門在采用有效值為80 mA的激勵電流時,可以保證微型磁通門正常工作,且各項性能指標滿足要求。由于激勵線圈的電阻為6.8 Ω,根據式(1)計算可得,這一微型磁通門在80 mA正弦電流激勵下的功耗為43.52 mW。

圖11 剩磁誤差的測定

4 結論

通過對微型磁通門鐵芯結構的優化,采用MEMS工藝制備了相應器件,對所得器件進行了綜合性能指標測試。測試結果一方面驗證了這一優化方案的有效性,同時經過對不同測試結果的對比,對影響因素的分析,也得到了工作參數與性能指標的關系。

激勵電流的大小和頻率作為工作參數,對主要性能參數的影響很明顯。增大激勵電流,靈敏度和線性范圍都相應增大,在80 mA之后繼續提高電流,線性范圍仍有一定的增大,但靈敏度增加已不明顯;在電流增大過程中,噪聲和剩磁誤差都有明顯下降。提高激勵電流頻率,靈敏度明顯增大,線性范圍略有減小,在1 000 kHz之后繼續提高,靈敏度仍有小幅增大,而線性范圍有一定縮小;在頻率提高過程中,噪聲明顯下降,剩磁誤差則無顯著變化。

以上分析結論為微型磁通門選擇恰當的工作參數提供了支持,有利于后期進行合理的外部電路設計,提升綜合性能。

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