曲折型微机电正交磁通门传感器有限元仿真分析*

闫丽丽,支绍韬,郭 磊,冯 竹,雷 冲,周 勇

(1.上海交通大学,上海 200240;2.电子信息与电气工程学院微纳电子学系,上海 200240;3.薄膜与微细技术教育部重点实验室,上海 200240)

本文设计了一种多匝曲折型磁芯结构的微型螺线管正交磁通门传感器,传感器结构可利用MEMS制备工艺制造实现。利用三维电磁场有限元仿真软件对器件结构进行了仿真分析,并探讨了曲折结构磁芯匝数对于微型正交磁通门传感器性能的影响。

1 磁通门及正交型磁通门的原理

1.1 磁通门工作原理

磁通门原理是利用饱和磁芯磁性的非线性特性,使用激励磁场调制外磁场从而检测外磁场。它的一般结构是在一根软磁磁芯上缠绕激励线圈和感应线圈。对一个磁通门传感器传感器探头,激励线圈和接收线圈的有效匝数分别为N1和N2,含有的单根磁芯由软磁材料制作,其横截面积为A,磁导率为μ,激励线圈在磁芯上建立的激励磁场强度为H～。

由于磁芯磁化曲线的非线性,激励磁场瞬时值变化会引起磁导率随之变化。所以,根据法拉第电磁感应定律,接收线圈上所产生的感应电压为:

(1)

当对磁芯同时施加交流激励磁场H～和直流环境磁场H0时,可以证明只要磁芯磁导率随激励磁场强度而变,对磁芯磁导率进行傅立叶展开,感应电压Vi中就会出现仅随环境磁场强度H0而变的偶次谐波增量Vi(H0)。

Vi(H0)=-2πf1N2AH0[2μ2msin(4πf1t)+
4μ4msin(8πf1t)+6μ2msin(12πf1t)+…]

(2)

当磁芯处于周期性过饱和工作状态时,Vi(H0)将显著增大。显然,可以利用这种物理现象测量环境磁场。因为二次谐波幅值在偶次谐波中最大,所以通常采用二次谐波检测方法从Vi(H0)中提取二次谐波项作为与被测磁场相关的磁通门输出信号,这样可以获得简单直观的线性关系。

1.2 正交磁通门工作原理

正交磁通门是除平行磁通门外另一种常见结构,如图1,主要由铁磁材料制成的磁芯以及缠绕在外的感应线圈组成[10]。它的特点是激励磁场和被测外磁场相互垂直,交流高频电流通过磁芯后形成交流磁场,铁磁材料的磁导率受外磁场调制,随交流频率的变化而变化,引起感应部分磁通量的变化,最终在检测线圈中产生感应电压[15]。

图1 正交磁通门工作原理图

图2 磁芯结构参数

2 仿真模型结构设计及参数

2.1 三种磁芯结构

本文使用MAGNET有限元仿真软件进行仿真,设计的复合多磁芯微型正交激励磁通门结构示意图如图2。这种微型正交激励磁通门激励部分为多个磁芯,呈S型排列在同一平面上,首尾相连。每个磁芯厚度为25 μm,宽度为300 μm,长度为8 000 μm。平行排列的两根磁芯之间相距150 μm。为了使感应线圈与磁芯耦合更紧密,感应线圈采用三维螺线管结构,将磁芯结构包裹在中间,如图3。综合实验经验,感应线圈匝数设置为72匝。

图3 激励-感应结构图

2.2 有限元模型网格划分及参数设定

仿真实验中模型网格划分的大小对仿真结果有较大影响,单位网格越细小则模型越平滑,运算结果越准确,另一方面仿真运算速度更低。综合考虑,将磁芯最大单元尺寸设置为30 μm,感应结构最大单元尺寸由系统自动划分。网格划分后的激励-感应结构如图4。

图4 磁通门仿真模型网格划分

图5 磁芯材料磁化曲线

3 仿真结果与讨论

3.1 磁芯的激励磁场分析

本文选取的磁芯材料材料为Alloy 49007,感应线圈材料为Copper:5.77e7 Siemens/meter。Alloy 49007的磁化曲线如图5,BS=1.398。文献[16]认为,磁通门的最佳激励磁场为:

(3)

式中:Hm0为激励磁场强度,Hs为实际磁芯的饱和磁场强度值,它受磁芯的退磁效应影响。

对磁芯通入交流电电压激励,交流电频率f为105Hz。三种不同结构磁通门分别取电压幅值为0.1 V、1.3 V和2.5 V时,从磁场强度分布结果来看磁芯基本接近最佳激励状态,磁芯磁化状态如图6。

图6 三种磁芯最佳激励状态

3.2 三种匝数的输出信号对比

图7显示了电压响应随环境磁场(0～1 500 μT)变化的曲线。由图中可以看出,随着磁芯匝数的增加,二次电压明显增大,磁通门灵敏度也显著增大。如图 8所示,单匝磁芯灵敏度为 0.011 1 mV/μT,三匝磁芯灵敏度为0.053 0 mV/μT,五匝磁芯灵敏度为0.071 4 mV/μT。结果显示,灵敏度的增长率随着匝数的增加减少。这和仿真软件中,磁场的分布并不十分均匀有很大关系。MAGNET软件中,环境磁场由导电线圈中通入电流产生,通常越偏离环境磁场中心位置,磁场强度越弱。因此磁芯匝数较多时,整体磁芯磁场响应的不均匀性更加明显,灵敏度的增长率相应降低。

图7 二次电压随环境磁场变化曲线

图8 灵敏度随磁芯匝数变化曲线

图7同时显示了三种结构的磁通门的线性范围:单匝磁芯的线性范围是0～500 μT,三匝磁芯的线性范围是0～800 μT,五匝磁芯的线性范围是0～1 000 μT。显然,随着磁芯匝数的增加,电压响应曲线的线性范围逐渐增大。这是因为随着磁芯匝数增加,磁芯总体横截面积增大,磁通门整体达到饱和的磁通率也随之增大。

最佳激励电流可用来衡量磁通门的功耗[17]。本文采用交流电电压激励,当交流电电压幅值分别为0.1 V、1.3 V和2.5 V时,三种磁通门的磁芯基本接近最佳激励。显然,随着磁芯匝数的增加,磁通门的功耗显著增大。

4 结论

本文基于MAGNET有限元分析软件,对多匝曲折型磁芯结构的正交磁通门进行仿真分析。仿真结果发现,随着磁芯匝数的增加,灵敏度显著增大,二次电压响应曲线线性范围也有明显增大。因此,该种多匝曲折型磁芯结构有效改善了传统正交磁通门灵敏度较低的问题。但是,这种结构也不可避免的增大了器件的体积和功耗,不利于器件的微型化和散热。在接下来的工作中,我们将努力探讨如何将该种磁芯结构应用到更小尺寸磁通门器件中,并进一步降低器件功耗。