微型磁通门铁芯结构的拓扑分析与优化*

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 454000；2.西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129；3.河南工业和信息化职业学院 电气工程系，河南 焦作 454000)

微型磁通门铁芯结构的拓扑分析与优化*

吕 辉1,2， 郅富标3

(1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454000；2.西北工业大学电子信息学院，陕西西安710129；3.河南工业和信息化职业学院电气工程系，河南焦作454000)

多孔铁芯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，对多孔铁芯结构进行了拓扑分析与针对性优化，并采用微机电系统(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。实验结果证明：优化后的铁芯结构能更好地降低微型磁通门传感器功耗，提高器件整体性能。

多孔铁芯； 微型磁通门； 拓扑分析； 参数优化

0 引 言

微型磁通门具有尺寸小，易集成的优点，应用广泛，但受工作条件所限，其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。为了更好地应用微型磁通门，亟须解决功耗问题，提高性能[1～5]。

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]，激励调谐的方法[7,8]，停留时间差(residence time difference，RTD)方法[9,10]等，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性能优化是一种有效的解决方案[11]。采用多孔结构铁芯有利于满足微型磁通门传感器降低功耗的要求[12]，但不同的拓扑结构所取得的效果不同。

本文对多孔铁芯进行了拓扑结构分析与优化，并采用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)工艺制备了具有不同铁芯的微型磁通门进行性能测试与对比，寻求适合的铁芯结构，以提高器件综合性能。

1 拓扑分析与优化方案

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=Imsinωt作为激励，铁芯内部将产生强度为Hmsinωt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Imo的因素进行分析，减小Imo即减小(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Imo。鉴于Imo越小，器件功耗越低，本文使用最佳激励电流这一指标评价与衡量不同多孔铁芯对微型磁通门的影响。

由于微型磁通门的MEMS加工工艺复杂，耗时较长，因此需要对多孔铁芯进行必要的前期仿真拓扑分析。分析过程借助三维电磁有限元仿真软件Magnet实现，针对不同的多孔铁芯结构进行了电磁场的仿真分析与计算，建立的模型如图1所示。

图1 多孔铁芯微型磁通门仿真模型

多孔铁芯采用闭合磁路矩形结构，拓扑分析的目标主要针对孔的形状和分布两个要素进行。孔的形状分为3种：六角形、椭圆形、方形。孔的分布方式分为2种：阵列式、交错式。仿真结果说明：孔的形状对微型磁通门的激励电流没有明显的影响，3种磁通门的输出电压，二次谐波幅值均随激励电流的增大而增大，并在激励电流达到38mA左右时，灵敏度达到最大，其中方孔磁通门的灵敏度低于其他2种。阵列式分布的最佳激励电流略小于交错式分布，更有利于降低功耗；同时，阵列式分布的灵敏度更优。

经过以上拓扑优化分析，采用阵列式分布的六角形孔作为最终优化方案。

2 微型磁通门制备

为了验证以上拓扑优化的仿真分析结果，需要制备具有不同形状多孔铁芯的微型磁通门，进行实验测试加以验证。微型磁通门的制备流程如下：

1)以4in(1in=2.54cm)硅片(厚500μm)为基底，硅Si片表面有二氧化硅(SiO2)层绝缘层(厚300nm)；

2)采用剥离工艺溅射制备Ti过渡层(厚50nm)；

3)磁控溅射沉积电镀Cu种子层(厚150nm)；

4)光刻后，电镀Cu得到厚度4μm的底层线圈；

5)光刻后，电镀Cu得到厚度4μm的连接铜柱(低于铁芯)；

6)除去电镀Cu种子层；

7)旋涂聚酰亚胺并固化；

8)溅射Cu种子层(厚100nm)；

9)光刻后，电镀NiFe铁芯(厚1μm)；

10)旋涂聚酰亚胺并固化后， RIE刻蚀除去连接铜柱上的固化层;

11)溅射Cu种子层(厚150nm)；

12)光刻后，电镀Cu，得到连接铜柱(高出铁芯)；

13)光刻后，电镀Cu，得到4μm厚上层线圈；

14)光刻后，电镀Cu，得到4μm厚焊盘；

15)旋涂聚酰亚胺并刻蚀除去焊盘和划片槽上的聚酰亚胺，升温固化；

16)测试、划片、封装。

制备完成的微型磁通门，其局部结构显微照片如图2所示。为了分析不同孔形状对多孔铁芯磁性能的影响，共制作了方孔、椭圆孔、六角孔3种类型多孔铁芯，显微照片如图3所示。这三种铁芯除孔的形状不同外，孔宽和分布保持一致。

图2 微型磁通门局部结构

图3 不同孔形状的多孔铁芯

为了分析不同孔分布对多孔铁芯磁性能的影响，制作了交错式分布和阵列式分布2种多孔铁芯，如图4所示。这2种多孔铁芯采用六角形孔，只有分布方式不同，其他拓扑结构参数保持一致。

图4 不同孔分布的多孔铁芯

3 测试与分析

测试系统如图5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5 测试系统原理

采用500kHz固定频率的正弦激励，在外磁场为50μT时，分别测试了采用椭圆孔、六角孔、方孔3种不同孔形的多孔铁芯微型磁通门，其输出电压二次谐波幅值随激励电流的变化曲线如图6。可知：不同孔形状的多孔铁芯对应的曲线比较相似，铁芯进入饱和时的激励电流非常接近，说明孔的形状对微型磁通门的饱和激励电流没有明显影响。在曲线的初始阶段，磁通门的输出电压二次谐波幅值随激励电流的增大而增大，并在激励电流达到80mA后，曲线逐渐变得非常平缓，多孔铁芯的孔间小截面区域进入饱和状态。

图6 孔形对多孔铁芯微型磁通门的影响

图6中椭圆孔和六角形孔铁芯所对应的曲线要高于方孔，因此灵敏度更大，这一情况在曲线的起始阶段尤为明显。究其原因，主要是由于椭圆形孔和六角形孔对应的铁芯从小横截面到大横截面之间存在一个渐变过渡区域，而方孔在这一过程中其横截面是突然变化的，没有渐变过渡区。铁芯渐变过渡区的存在使磁场分布更加均匀并减小漏磁，有利于灵敏度的提高。另外，在采用MEMS工艺进行激励线圈制作时，往往存在一定的对准误差，如图7(a)中所示，虚线为激励线圈所在位置，多孔铁芯两孔间为饱和区域。如图7(b)所示，由于激励线圈向上发生偏移，在两孔间的饱和区域上方，存在横截面积变大的未饱和区域。六角孔和椭圆孔铁芯因存在渐变过渡区，故未饱和区域的面积较小，而方孔由于没有渐变过渡区，所以未饱和区域的面积较大，使方孔铁芯磁通门的灵敏度要低于另外两种。对比几种不同孔形对灵敏度的影响，应当选择六角孔作为多孔铁芯的优化孔形。

图7 对准误差对不同孔形的影响

同样的测试条件下，采用交错分布和阵列分布的多孔铁芯微型磁通门，其输出电压二次谐波幅值随激励电流的变化曲线如图8。可知：具有不同孔分布的多孔铁芯所对应的曲线在初始阶段，磁通门的输出电压二次谐波幅值均随激励电流的增大而增大，并在激励电流达到饱和后，曲线变得平缓，铁芯进入饱和状态。孔的分布对多孔铁芯微型磁通门的饱和激励电流有一定的影响，阵列分布结构在激励电流达到80mA以后基本饱和，而交错分布结构则在激励电流达到90mA后进入饱和状态。另外，阵列式多孔铁芯结构的灵敏度明显高于交错式。分析原因，应该是交错式分布对应铁芯的有效磁路较阵列式略长造成的影响。综合考虑，阵列式分布的效果要优于交错式分布。因此，选择阵列分布作为多孔铁芯的拓扑结构有利于更好地降低功耗，提高微型磁通门的灵敏度。

图8 孔的分布对多孔铁芯微型磁通门的影响

4 结 论

通过对多孔铁芯微型磁通门进行拓扑分析与优化，并采用MEMS工艺制备了相应器件对优化方案进行验证。根据实验测试结果，多孔铁芯采用阵列式分布的拓扑结构能够更好地降低器件功耗，提升传感器的灵敏度；由测试结果可知：多孔铁芯的孔形采用六角形和椭圆形等渐变式结构与方形孔等突变结构相比，虽然对降低器件功耗没有明显作用，但是能有效提高传感器的灵敏度，有利于提升综合性能指标。

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Topologyanalysisandoptimizationofironcorestructurebasedonmicrofluxgate*

LÜ Hui1,2, ZHI Fu-biao3

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China；2.SchoolofElectronicsandInformation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710129,China；3.DepartmentofElectricalEngineering,CollegeofIndustryInformationTechnology,HenanProvince,Jiaozuo454000,China)

Porous core is conducive to meet the requirement of micro fluxgate sensor to reduce power consumption.But different topological structures have different effect.Topology analysis and targeted optimization of porous core are completed.The micro fluxgate based on different porous core structure are fabricated by MEMS technology.Performance testing and comparing experiment are carried out.Result shows that optimized structure of core can better reduce the power consumption of micro fluxgate sensor and improve its overall performance.

porous iron core； micro fluxgate； topology analysis； parameter optimization

高成耀(1981-)，男，博士，主要研究方向为电化学重金属传感器。夏善红(1958-)，女，通讯作者，博士，研究员级高工，从事生化及电场传感器研究工作,E—mail:shxia@mail.ie.ac.cn。

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0014—03

2016—10—18

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20126102110031)； 河南省自然科学基金资助项目(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)

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0014—03

作者简介:吕 辉(1977-) ， 男，博士，副教授，主要从事微型传感器研究工作。