微型磁通门的优化分析与性能测试*

吕 辉,郅富标(1.河南理工大学电气工程与自动化学院,河南 焦作 5000;2.河南理工大学控制工程省重点学科开放实验室,河南 焦作 5000;3.西北工业大学电子信息学院,西安 710129;.河南工业和信息化职业学院电气工程系,河南 焦作 5000)



微型磁通门的优化分析与性能测试*

吕 辉1,2,3*,郅富标4
(1.河南理工大学电气工程与自动化学院,河南 焦作 454000;2.河南理工大学控制工程省重点学科开放实验室,河南 焦作 454000;3.西北工业大学电子信息学院,西安 710129;4.河南工业和信息化职业学院电气工程系,河南 焦作 454000)

对铁芯结构的改进有利于满足微型磁通门传感器降低功耗的要求,但不同的拓扑结构所取得的效果不同,为此对铁芯结构进行了优化分析,并采用MEMS工艺制备了不同铁芯结构的微型磁通门进行性能测试与对比验证。测试结果表明,优化后的多孔铁芯结构能更好的降低微型磁通门传感器的功耗与噪声,提高灵敏度,改善器件的整体性能。

多孔铁芯;微型磁通门;优化分析;性能测试

磁通门传感器作为一种综合性能良好的磁测量器件[1],在地磁研究、空间磁场探测、航空航天、微型卫星、微型无人机等领域有着广泛应用。MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)技术的不断发展,催生出一大批微型器件,其中微型磁通门具有尺寸小,易集成的优点,率先得到广泛应用。然而微型磁通门虽然尺寸明显缩减,但受工作条件所限,功耗并未得到同步有效降低,反而因面积缩小,系统热量更为集中,造成的散热问题严重影响了系统的稳定。为了更好的应用微型磁通门,急需解决的问题是降低功耗,提高性能[2-5]。

目前的低功耗技术大多来自传统磁通门,如脉冲激励技术[6],会使器件灵敏度降低,噪声增大;激励调谐的方法虽能降低功耗[7-8],但是调谐很难完成,使用不便;RTD(Residence Times Difference)方法只能用于低频场合,并且会使剩磁误差增大[9-10]。这些方法主要依靠电路等外部因素实现降低功耗,并不适用微型磁通门。相关研究表明,对微型磁通门所用铁芯进行结构优化是一种有效的解决方案[11-13]。比如缩比铁芯结构能够通过减小激励电流,降低磁通门功耗,但其效果有待进一步改进。本文采用多孔铁芯这一优化方案降低功耗,为证实这一结构的有效性与先进性,本文采用相同的MEMS工艺制备了缩比结构和多孔结构的微型磁通门进行性能测试与对比,以证明多孔铁芯结构的综合效果。

1 拓扑分析与优化

对闭合磁路微型磁通门而言,被测外磁场为Hx,若对微型磁通门施加正弦电流ie=Imsin(ωt)作为激励,铁芯内部会产生强度为Hmsin(ωt)的磁场,此时微型磁通门的输出电压二次谐波幅值为:

(1)

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

微型磁通门的最佳激励电流能在铁芯内部产生最佳激励磁场,使磁通门获得最大灵敏度。最佳激励电流Imo的幅值为:

(2)

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。

对影响最佳激励电流的因素进行分析,减小最佳激励电流的切入点是减小(l/N1)/D,对于微型磁通门而言,这一因素主要由多孔铁芯的拓扑结构决定。通过对拓扑结构进行优化,能够有效地减小此项,降低磁通门最佳激励电流。最佳激励电流越小,则器件功耗越低,除了功耗指标外,微型磁通门的灵敏度也与激励电流密切相关,因此本文使用最佳激励电流这一指标来评价与衡量不同多孔铁芯会对微型磁通门的影响。

图1为缩比结构铁芯磁通门的示意图。在铁芯各处厚度相等的情况下,激励线圈对应的铁芯(以下简称激励铁芯)横截面积较大,感应线圈对应的铁芯(以下简称感应铁芯)横截面积较小。

图1 缩比结构铁芯磁通门

对于缩比结构闭磁路磁通门来说,最佳激励电流幅值Imo与磁通门的结构参数之间存在如下关系:

(3)

式中:S1和l1分别是激励线圈内铁芯的横截面积和长度;S2和l2分别是感应线圈内铁芯的横截面积和长度;μr是铁芯没有饱和时的磁导率;D是退磁系数;Hs是铁芯的饱和磁场强度;N1是激励线圈的匝数。

式(3)中没有考虑漏磁的影响,当激励线圈内铁芯与感应线圈内铁芯面积相差较大时必须考虑漏磁影响,将(3)改为:

(4)

式中:ΦL是漏磁通。缩比结构磁通门的最佳激励电流与激励线圈匝数N1、感应铁芯和激励铁芯的横截面积比(S2/S1)和长度比(l2/l1)、磁导率、漏磁通、矫顽力、饱和磁场强度等多个因素有关。本文从优化结构着手降低功耗,以上因素中与结构相关的主要有横截面积比(S2/S1)和长度比(l2/l1)两个参数,无论是传统磁通门测量中的经验还是微型磁通门的仿真结果都表明,横截面积比对功耗的影响明显大于长度比。因此,面积比(S2/S1)是缩比结构降低功耗的主要影响因素。根据最佳激励电流幅值Imo与磁通门的结构参数之间的关系,随着缩比比例的增加,面积比(S2/S1)减小,最佳激励电流会随之降低,磁通门能在更小的电流下进入非线性区域,有利于降低功耗;但与此同时,漏磁也会随之逐渐增大,漏磁过大会导致磁通门最佳激励电流增加,从而使磁通门的功耗增加。要想有效降低功耗,应当从降低漏磁和增加激励铁芯的有效横截面积S1着手,对缩比结构进行改进。

以上公式推导中假设激励铁芯中的磁场强度是均匀分布的,然而由于退磁效应的影响,激励铁芯中的磁场强度分布并不均匀。以70 mA激励电流下的铁芯仿真结果为例,横截面(600 μm×10 μm)上的磁场强度沿宽度方向呈现中心处最大,向两侧变小的趋势,如图2(a)所示。这使得激励铁芯的有效横截面积S1变小,最佳激励电流增大。要增加有效横截面积S1,必须使激励铁芯中的磁场强度分布更加均匀。为此可将缩比结构中S2处的单根铁芯,等分为几根铁芯,横截面积之和等于单根横截面积。随着铁芯划分数量的增加,磁场分布更加均匀,如图2(c)所示,有效横截面积S1增大,最佳激励电流降低。

由于漏磁的影响,缩比结构中远离激励线圈的部分铁芯难以饱和。缩短感应铁芯长度l2是减小漏磁的有效方法,最佳激励电流也能够相应降低。但是如果仅仅缩短感应铁芯长度会导致感应线圈的匝数减少,磁通门的灵敏度会随之明显降低,为了解决这一问题,可将铁芯进行分段,使激励铁芯长度与感应铁芯长度同时缩短并且交替出现,对应的激励线圈和感应线圈也由原来的单独绕线方式变为交替绕线方式,使磁通门的初次级紧密耦合,有效降低漏磁,不但能减小最佳激励电流,还能在一定程度上提高灵敏度,这一演变过程如图3所示。

图2 激励铁芯横截面上的磁场分布

图3 缩比结构到多孔结构的演变示意图

优化分析表明,铁芯由单根变为多根将使铁芯中的磁场强度分布更加均匀,能够增加铁芯的有效横截面积,达到降低激励电流的目的;铁芯由整段变为多段且激励铁芯与感应铁芯交替出现,可以使得感应线圈与激励线圈实现交替绕线,耦合会更紧密,能有效降低漏磁,同样有利于降低激励电流。经过对缩比结构的优化,铁芯呈现多孔结构形态。优化后的多孔微型磁通门采用闭合磁路矩形铁芯结构,如图4所示。优化的效果主要通过对比缩比结构和多孔结构的性能指标来加以验证。

图4 多孔铁芯微型磁通门

2 微型磁通门的制备

经过分析,多孔铁芯结构能够同时实现降低漏磁和增加激励线圈对应铁芯的有效横截面积这两个目的,为证实优化分析的结果,验证多孔结构铁芯的有效性,采用标准的MEMS工艺流程,制备了分布具有多孔铁芯结构和缩比铁芯结构的微型磁通门,进行试验测试,以对比两者的性能指标。两种微型磁通门的制备结果照片如图5、图6所示。

图5 缩比铁芯微型磁通门

图6 多孔铁芯微型磁通门

多孔铁芯微型磁通门的铁芯采用阵列式分布的六角形孔和5∶1的缩小比例。为保证对比的有效性,两种微型磁通门的激励线圈对应铁芯部分的宽度均为1 200 μm,感应线圈对应铁芯部分的宽度均为240 μm,两者的缩小比例相同,均为5∶1。铁芯的材质为相同条件下的电镀NiFe合金,厚度均为2 μm。两种微型磁通门的激励线圈匝数和感应线圈匝数均为48匝。

图7 简易封装后用于测试的器件

为了测试器件的性能,需要将制作的微型磁通门器件进行引线和简易封装后,才能接入测试系统。图7是将微型磁通门简易封装在PCB板上用于测试的器件照片,磁通门的焊盘通过铝线引至PCB板上。

3 测试与分析

测试系统如图8所示,信号发生器和功率放大器用于产生激励信号,被测磁场通过直流电源激励螺线管产生,与电源串联的电流表用于读取激励电流,示波器接微型磁通门的感应线圈两端测量输出电压。整个测试系统应远离铁磁物质等干扰源。

图8 试系统原理图

为了比较多孔结构铁芯和缩比结构铁芯对微型磁通门性能的影响,在500 kHz固定频率的正弦激励,外磁场为40 μT的条件下,分别测试了所制备的两种不同铁芯结构的微型磁通门,两者的输出电压二次谐波幅值随激励电流的变化曲线如图9所示。对于多孔结构铁芯,当激励电流达到60 mA时,铁芯上有孔区域所对应的小截面积部分开始逐渐进入非线性区;达到80 mA时,这部分铁芯已经完全饱和。在激励电流为80 mA到140 mA的区间内,曲线出现一个明显的平台,此时增大激励电流,磁通门的灵敏度没有明显提高。对于缩比结构铁芯,当激励电流达到80 mA时,铁芯上的截面积缩小部分开始逐渐进入非线性区;达到100 mA时,这部分铁芯已经完全饱和。在激励电流为100 mA到140 mA的区间内,曲线同样进入平台期,增大激励电流,磁通门的灵敏度没有明显提高。

图9 输出电压二次谐波幅值随激励电流的变化

图9中多孔结构的曲线始终位于缩比结构的上方,说明多孔铁芯微型磁通门的灵敏度始终高于缩比结构。两种微型磁通门在频率为500 kHz,有效值为100 mA的相同激励下,输出电压二次谐波幅值随外磁场的变化曲线见图10,多孔结构的测量范围(±700 μT)大于缩比结构(±600 μT)。在测量范围、灵敏度等几个方面,多孔结构都优于缩比结构。

表1和表2中对比了两种结构磁通门的灵敏度和1 Hz噪声。结果显示,多孔铁芯微型磁通门的灵敏度高于缩比结构铁芯微型磁通门,而且多孔铁芯磁通门的噪声相对于缩比结构也有明显降低。另外,多孔结构微型磁通门的饱和激励电流要小于缩比结构,这有利于降低功耗。对多孔结构磁通门的激励电流,选择80 mA就可以满足工作需要,而缩比结构磁通门则需要100 mA的激励电流。两种结构磁通门的激励线圈电阻和功耗见表3。

表1 缩比结构和多孔结构的灵敏度对比

表2 缩比结构与多孔结构的噪声对比

表3 缩比结构与多孔结构的功耗对比

经过对比分析,在相同的激励条件下(激励频率500 kHz,激励电流100 mA),多孔结构微型磁通门相对于缩比结构微型磁通门,灵敏度提高了13%,1 Hz噪声降低为原来的57%,功耗降低为原来的59.6%。多孔结构磁通门的功耗和噪声小于缩比结构,灵敏度大于缩比结构,整体性能更为优越。

图10 两种不同磁通门的输入-输出曲线

4 结论

通过对微型磁通门铁芯结构的拓扑分析与优化,并采用MEMS工艺制备了相应器件对多孔优化方案进行验证。试验测试结果表明,采用多孔铁芯能够更好的降低器件功耗,提升传感器的灵敏度,降低噪声,有利于提升综合性能指标。

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吕 辉(1977-),男,山东菏泽人,副教授,博士。研究方向为微电子与固体电子学,现在主要从事微型传感器研究,lvhui700@sohu.com;

郅富标(1976-),男,河南巩义人,讲师,硕士,研究方向为传感器技术及其应用,现主要从事微型传感器研究,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

项目来源:高等学校博士学科点专项科研基金项目(20126102110031);河南省自然科学基金项目(162300410123);河南省高等学校控制工程重点学科开放实验室项目(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