微型磁通门传感器的低功耗结构设计*

吕 辉，刘诗斌

(1.西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安710129;2.河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作454000)

0 引 言

磁通门传感器是一种具有高灵敏度、高稳定性等优良综合性能的低频矢量磁场测量器件，被广泛应用于国防和工业领域［1］。近年来，得益于微机电系统(micro-electromechanical systems，MEMS)技术的发展，在硅基底上制作的微型磁通门因其体积小、重量轻、与外围电路集成性好等特点，在纳型/皮型卫星、小型无人机、平行机器人等领域展示出极大的发展潜力［2～5］。

由于磁通门工作时需要铁芯达到饱和，所以，虽然硅基微型磁通门的器件尺寸已经大大缩减，但功耗并没有随着体积的减小而显著降低，这使得大量的热量集中于薄膜铁芯的较小面积上，给整个器件的噪声、寿命带来极大的影响，因此，降低功耗是微型磁通门一个亟待解决的问题［6～8］。Wu Peiming 等人利用有限元软件对微型磁通门进行了仿真，对其铁芯结构进行了一定程度的优化，设计了一种缩比结构铁芯的微型磁通门［9］，虽然能够在一定程度上降低传感器功耗，但是由于存在较大的漏磁通，仍然有待于进一步的改进。

本文设计了一种具有多孔结构薄膜铁芯的微型磁通门，并采用交替分布的方式设置激励线圈和感应线圈，以减小漏磁通。通过有限元仿真计算发现，多孔结构的薄膜铁芯可以更有效地降低激励电流，减小微型磁通门的工作功耗［10］，从而可有效提高其整体性能，确保磁通门传感器能稳定和可靠工作。

1 微型磁通门的功耗与影响因素

图1 为闭合磁路微型磁通门的结构示意图，当施加正弦激励电流ie=Imsin ωt 时，铁芯内部产生磁场强度为Hmsin ωt的磁场，若此时的外部被测磁场为HX，则感应线圈上下两部分中的产生的磁场强度分别为

图1 微型磁通门结构示意图Fig 1 Structure diagram of micro fluxgate

如图2(a)所示，用简化的三折线代表铁芯的磁滞回线，当磁场强度小于饱和磁场强度Hs时，铁芯磁导率恒为μ，当磁场强度大于Hs时，铁芯磁导率为0。He1(实线)和He2(虚线)以及它们所对应的磁感应强度B1(实线)和B2(虚线)如图2(b)，(c)所示。B1和B2的变化在感应线圈的上下两部分中分别感应出电压u1(实线)和u2(虚线)，如图2(d)所示，输出电压u 如图2(e)所示［11，12］

图2 磁通门的输出信号Fig 2 Output signal of micro fluxgate

将式(3)展开成傅里叶级数得到

由式(4)可得微型磁通门输出的二次谐波幅值为

式中 N2为感应线圈匝数;μ 为铁芯的磁导率;S 为铁芯的横截面积;Hs为铁芯材料的饱和磁场强度。

使微型磁通门获得最大灵敏度的激励磁场的幅值称为最佳激励磁场，微型磁通门输出二次谐波的灵敏度G2为Hx=0 时，U2m对Hx的导数

由微型磁通门的工作原理可知，Hm≥Hs。当Hm取最小值Hs或者趋于无穷时，G2为0，可得最佳激励磁场

使微型磁通门铁芯内部产生最佳激励磁场的激励电流称为最佳激励电流。要降低微型磁通门的功耗，提高铁芯的性能，就要在保证铁芯的高磁导率和低矫顽力的同时，尽量减小铁芯的最佳激励电流。假设铁芯的横截面积为常数，并考虑铁芯的退磁效应，受到退磁场影响的铁芯内部磁场强度的幅值为

式中 μr为相对磁导率;D 为退磁系数;l 为线圈长度;N1为激励线圈的匝数。将式(8)变换为式(9)

由上式分析最佳激励电流的相关影响因素发现:减小μr会使灵敏度降低，不宜采用;(l/N1)和D 由器件的尺寸、形状及制造工艺决定，不易降低;而降低铁芯的Hs能够减小最佳激励电流，且不会影响器件的其他性能，是一种降低器件功耗的有效方法。本文采用多孔结构铁芯来实现这一目的。

2 仿真实验与分析

本文利用Magnet 有限元仿真软件设计微型磁通门，分别计算激励磁场和外磁场与感应线圈磁通的关系，再利用得到的结果计算出磁通门的输出信号［6］。为对比起见，分别完成传统薄膜铁芯微型磁通门和多孔薄膜铁芯微型磁通门2 个仿真模型，模型结构如图3 所示。仿真建立模型所选用的铁芯材质为镍铁，线圈材质为铜。

图3(a)为传统的闭合跑道型结构，铁芯各部分的横截面积相等，绕线采用激励线圈和感应线圈分区域绕线，后文中简称为传统结构;图3(b)为本文设计的多孔结构，采用激励线圈和感应线圈交替绕线，将激励线圈设置在无孔位置，感应线圈设置在有孔位置，后文中简称为多孔结构。这两种结构上下每一侧的激励线圈匝数和感应线圈匝数均为30 匝，铁芯厚度为10 μm。多孔结构激励线圈对应的铁芯部分宽度为500 μm，传统结构激励线圈对应的铁芯部分宽度为50 μm。为保证对比的有效性，两种结构的感应线圈对应铁芯部分的实际宽度保持一致，均为50 μm。

图3 两种微型磁通门的结构示意图Fig 3 Structure diagram of two kinds of micro fluxgates

导电线圈的磁链随时间的变化曲线能充分说明线圈内部的磁通量变化情况。仿真实验得到以上两种微型磁通门的感应线圈磁链曲线，如图4 和图5 所示。多孔结构铁芯在0.35 ms 处进入彻底饱和状态，而传统结构铁芯则在0.55 ms处进入彻底饱和状态，多孔结构铁芯的Hs明显小于传统结构铁芯，因此，多孔铁芯能够更快地进入饱和状态。根据前文的分析，较小的Hs能够有效地降低微型磁通门的最佳激励电流。

图4 多孔结构铁芯的磁链曲线Fig 4 Flux linkage curves of porous structure

图5 传统结构铁芯的磁链曲线Fig 5 Flux linkage curves of traditional structure iron core

图6 给出了两种结构微型磁通门的感应线圈中磁通随激励电流的变化情况。图中两种结构的感应线圈具有相同匝数，且各自感应线圈中对应铁芯横截面积相同。随着激励电流的逐渐增大，感应线圈磁通量先随之线性增加，在到达某个拐点后，迅速趋于平缓，达到饱和。磁通增长的拐点对应的激励电流称为饱和激励电流，饱和激励电流越小，说明微型磁通门的工作电流越小，相应的功耗就越低。

图6 感应线圈磁通随激励电流的变化Fig 6 Magnetic flux variation in inductive coil vs excitation current

从图6 中可以看出:1)多孔铁芯的感应线圈的饱和磁通约为3.8×10-9Wb，远大于传统铁芯的2.2×10-9Wb，这意味着多孔铁芯中有更多的区域进入饱和状态;2)多孔铁芯的感应线圈磁通能在更小的激励电流下达到饱和，多孔铁芯的饱和激励电流是40 mA，较之传统结构的75 mA 饱和激励电流，能够使微型磁通门的工作功耗大大降低;3)多孔铁芯的曲线其线性上升段斜率更大，表明其感应线圈磁通增长速度更快，等效磁导率较大，这有利于微型磁通门灵敏度的提高。

3 结束语

本文针对微型磁通门要求降低工作功耗的问题，进行了多孔结构铁芯结合交替绕线方式的优化方案的设计。通过应用有限元仿真软件进行对比分析，建立了传统结构和多孔结构2 个模型，并保证两者激励线圈和感应线圈匝数分别对应相等，感应线圈中的铁芯实际横截面积相同，各部分材料、尺寸一致。仿真结果证明:多孔铁芯能使微型磁通门在更小的饱和激励电流下工作。

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