长条形阵列铁芯磁通门性能研究*

崔智军，刘 琛

(1.安康学院电子与信息工程学院，陕西 安康 725000；2.西北工业大学电子信息学院，陕西西安 710129)

磁场测量，特别是弱磁场测量，一直是物理学和工程应用领域备受关注的研究方向。磁通门传感器(简称磁通门)是在弱磁场测量方面有着良好综合性能[1]的传感器，在航空、航天、地球物理等要求有非常高的灵敏度和稳定性的领域有着广泛应用。Seitz[2]采用MEMS(Micro Electro-Mechanical System)工艺制备出第一个微型磁通门后，为磁通门研究开辟了一个很有希望的方向。目前，制备几个平方毫米大小的微型磁通门已经成为可能，体积大的问题基本得到解决。然而，相比传统磁通门，微型磁通门的性能指标出现了明显降低。为了在航天微型器、微型无人机、便携式电子设备等对微型弱磁场传感器的需求越来越多的领域更好地推广微型磁通门，在对影响微型磁通门性能指标的因素进行分析的基础上，研究提高其性能的方法[3-5]。

目前提升磁通门性能的方法主要有窄脉冲激励[6-10]、激励调谐方法[11-12]、RTD(Residence Times Difference)方法[13-15]。上述方法都是利用激励、信号处理等外部因素提升磁通门性能，并不适用于微型磁通门。

近年来，西北工业大学电子信息学院刘诗斌[16]采用缩比结构铁芯(称为缩比结构)、河南理工大学吕辉等[17-20]采用多孔铁芯降低微型磁通功耗。所以，对微型磁通门所用铁芯从结构上进行优化是提升其性能的有效方法。

本文提出了一种长条形阵列结构铁芯来提升磁通门性能，对采用MEMS 工艺制备的35 组不同结构的长条形阵列铁芯进行了性能指标的综合测试，分析了长条形阵列铁芯排列密度以及单条铁芯宽度对微型磁通门性能指标的影响，为从改变铁芯结构方面提升微型磁通门性能提供了数据参考。

1 长条形阵列铁芯制备与测试系统

已有研究表明，减小铁芯的退磁系数D可以有效减小微型磁通门的功耗[16-17]和噪声[21]。而退磁系数D只与磁性材料的形状有关[22]。由于铁芯的退磁系数D与铁芯的细长比成反比，所以单条铁芯的横截面积越小或者长度越长，其退磁系数D越小[23]。基于此，本文采用图1 所示的长条形阵列结构铁芯。与传统的磁通门薄膜铁芯相比，在铁芯总长度不变的前提下，长条形阵列结构铁芯中单根铁芯的横截面积更小，以此减小整个长条形阵列结构铁芯的退磁系数D，最终提升微型磁通门功耗、灵敏度、噪声等重要性能指标。

图1 长条形阵列结构铁芯示意图

本文基于MEMS 工艺流程，选择常用的500 μm厚度的4 寸硅片作为基底，首先通过湿氧氧化在硅片表面形成300 nm 厚的SiO2层作为绝缘层。通过磁控溅射工艺沉积90 nm 厚度的电镀Cu 种子层，溅射的过程中，基底保持200 ℃温度增加Cu 与基底的粘附性。旋涂光刻胶(EPG533)，厚度为2 μm；以长条形阵列铁芯掩膜板进行光刻工艺，完成制作电镀长条形阵列铁芯的模具。在同一张硅基片上，共制备了35 组长条形阵列铁芯样品，所有样品总的长宽厚分别为30 mm、1.2 mm、和2 μm。同时采用能谱仪对制备的35 组长条形阵列铁芯进行了成分测试，测试结果表明电镀得到的长条形阵列铁芯成分基本接近Ni79Fe21。为了研究长条形阵列结构铁芯排列密度以及单条铁芯宽度对微型磁通门性能的影响，35 组长条形阵列铁芯的单条铁芯相邻宽度从25 μm开始以5 μm 的步进增加到45 μm，共5 种单条铁芯相邻宽度；在每种单条铁芯相邻宽度下，单条铁芯宽度均从30 μm 开始以10 μm 的步进增加到90 μm，共7 种单条铁芯宽度。本文采用MEMS 工艺制备的长条形阵列铁芯如图2 所示。

图2 MEMS 工艺制备出的长条形阵列铁芯

为了研究制备出的35 组长条形阵列结构铁芯排列密度以及单条铁芯宽度对微型磁通门性能指标的影响，本文搭建了图3 所示的磁通门性能指标测试系统。信号发生器型号为Agilent 33220A，该信号发生器与NF HSA4011 型功率放大器串联为磁通门产生激励信号。电流表采用Agilent 34401A 型多功能数字式万用表，与激励回路进行串联以测量激励电流的大小。直流电源Agilent E3610A 与电流表串联后通过一个功率电阻与螺线管连接，用于产生被测外部磁场。Agilent Oscilloscope Infiniiμm 54830D型示波器或者Tektronix RSA 5106B 型频谱分析仪连接磁通门感应线圈，对磁通门输出的电压信号进行分析。在实际测试中为了消除外磁场的干扰，采用磁屏蔽筒来屏蔽外界磁场。

图3 磁通门性能指标测试系统

在图3 中进行测试的磁通门采用图4 所示的双铁芯线圈磁通门结构。该磁通门的两个螺线管由0.1 mm 的漆包线绕制而成；每个螺线管上有反向绕制的激励线圈320 匝，电阻为6.7 Ω；正向绕制的感应线圈1 160 匝，电阻为33 Ω；骨架的中间为空，用于放置制作好的35 组长条形阵列结构铁芯。

图4 双铁芯结构磁通门传感器

2 磁通门性能指标测试与分析

由35 组长条形阵列铁芯构成的磁通门需要测试的性能指标为:最佳激励电流、线性范围、灵敏度以及噪声。

2.1 最佳激励电流

为了解决微型磁通门所面临的散热问题，使其更好地应用于SOC(System On Chip)片上系统，降低磁通门的功耗是关键。对磁通门来说，影响功耗大小的主要因素是输入电阻和最佳激励电流，而本文中利用图4 所示双铁芯结构的磁通门进行性能测试，输入电阻是定值，所以决定磁通门功耗的是磁通门的最佳激励电流。

在正弦激励信号作用下，通过改变激励电流的大小，可以测得相应磁通门输出信号的二次谐波幅值的变化曲线。由曲线可知，刚开始时，随着激励电流的增大磁通门输出信号的二次谐波幅值逐渐增大，在到达某个转折点时，又逐渐下降。由磁通门最佳激励电流的定义可知[23]，这个转折点对应的磁通门激励电流就是最佳激励电流。

35 组长条形阵列铁芯的最佳激励电流测试结果如图5 所示。从图5 可知，当长条形阵列铁芯中单条铁芯相邻宽度不变时，最佳激励电流随着单条铁芯宽度的增加而缓慢增大；在每一种单条铁芯宽度下，长条形阵列铁芯的最佳激励电流随单条铁芯相邻宽度的增加而增大。当单条铁芯相邻宽度小于等于35 μm 时最佳激励电流的值比较小；当单条铁芯相邻宽度增大到40 μm 时，最佳激励电流值开始突然增大；当单条铁芯相邻宽度大于等于40 μm时，长条形阵列铁芯最佳激励电流随着单条铁芯宽度的变化而变化趋势一致。

2.2 线性范围与灵敏度

根据磁通门原理，在一定外磁场范围内，磁通门感应线圈输出信号的二次谐波幅值与外磁场呈线性比例关系。因此，本文采用二次谐波作为输出量，外磁场为输入量，通过测量随着外磁场变化而导致二次谐波幅值的变化关系来确定磁通门的灵敏度和线性范围。

本文采用型号为Aligent Oscillosope Infiniium 54830D 示波器实现对磁通门二次谐波幅值的测量。测量时，利用高分辨采样模式进行采样，采样后利用示波器自带软件对采样信号进行FFT 变化，并提取出二次谐波幅值，在进行FFT 变化时将采样率设置为20 MSa/S，采样数率设置为1 M。该示波器输出的二次谐波幅值单位为分贝毫瓦(dBm)，需要经过进一步换算才能把分贝毫瓦值转换成电压幅值单位。

由于磁通门铁芯退磁的影响，磁通门输出电压信号的二次谐波与外磁场强度并不是按照严格的线性关系，在外磁场较小时可以看作基本呈线性关系，但是随着外磁场的增大，输出线性度将会逐渐变差。因此本文对灵敏度和线性范围计算方式为:对由于外磁场变化而引起输出信号二次谐波变化的曲线，进行直线拟合。在进行拟合时，把R-square 值大于99.1%的外磁场值确定为磁通门的线性范围，而把拟合直线的斜率确定为磁通门的灵敏度。

35 组长条形阵列铁芯的线性范围测试结果如图6 所示。从图6 可知，当长条形阵列铁芯中单条铁芯相邻宽度不变时，线性范围几乎不随着单条铁芯宽度的变化而变化；在每一种单条铁芯宽度下，线性范围随着单条铁芯相邻宽度的增加而增加。当单条铁芯相邻宽度小于等于30 μm 时线性范围的值比较小；当单条铁芯相邻宽度增大到35 μm，线性范围开始突然增大；当单条铁芯相邻宽度大于等于40 μm时，线性范围几乎不随着单条铁芯相邻宽度的变化而变化。

图6 长条形阵列铁芯线性范围

35 组长条形阵列铁芯的灵敏度测试结果如图7所示。从图7 可知，当单条铁芯相邻宽度小于等于30 μm 时，灵敏度的值随着单条铁芯相邻宽度的变化而增加较小；当单条铁芯相邻宽度增大到35 μm时，灵敏度的值会突然增大并达到最大值；随后随着单条铁芯相邻宽度的增加灵敏度逐渐变小。

图7 长条形阵列铁芯灵敏度

2.3 磁通门噪声

现阶段，降低噪声是微型磁通门研究的主要方向[1]。磁通门研究中一般都采用1 Hz 噪声作为磁通门传感器噪声衡量指标，由于它代表的是磁通门输出信号在频率1 Hz 处的频谱密度，所以当采样信号平稳时，1 Hz 噪声跟什么时间采样以及采样信号自身的带宽都没有关系。

本文采用的频谱分析仪型号为Tektronix RSA 5106B，该型号频谱分析仪所能测试的频率范围为1 Hz到6.2 GHz，而它的最小分辨率带宽(RBW)能够达到0.1 Hz，满足本文对长条形阵列铁芯1 Hz 噪声指标的采集需求。采用该型号频谱分析仪的噪声功率谱测试功能(Noise Marker)可直接得到噪声功率谱密度。

35 组长条形阵列铁芯1 Hz 噪声测试结果如图8所示。从图8 的1 Hz 噪声测试数据可知，长条形阵列铁芯单条铁芯相邻宽度从小变大时，长条形阵列铁芯1 Hz 噪声的变化趋势是当单条铁芯相邻宽度为25 μm、30 μm、45 μm 时1 Hz 噪声大于单条铁芯相邻宽度为35 μm、40 μm 时1 Hz 噪声；同时当单条铁芯相邻宽度为35 μm 时，长条形阵列铁芯的1 Hz 噪声最小。因此，长条形阵列铁芯1 Hz 噪声与单条铁芯相邻宽度有明显的依赖关系。

图8 长条形阵列铁芯1 Hz 噪声

对35 组长条形阵列铁芯的磁通门性能指标进行测试与分析可知，最佳激励电流、线性范围与灵敏度、噪声都与长条形阵列铁芯中的单条铁芯相邻宽度有依赖关系。这是由于长条形阵列铁芯中的单根铁芯的横截面积更小，可以减小整个长条形阵列结构铁芯的退磁系数D；但是当多个单根铁芯同时呈阵列排列时，相邻单根铁芯之间的静磁耦合作用会增强，从而会使整个长条形阵列铁芯的退磁系数D增大。最终导致长条形阵列铁芯的磁通门性能指标受单条铁芯相邻宽度变化的影响。

通过对以上性能测试结果进行分析可知，当单条铁芯相邻宽度为35 μm 以及单条铁芯宽度为60 μm时，长条形阵列铁芯的综合性能指标可以达到最优，性能指标分别为:最佳激励是40 mA，线性范围是±700 μT，灵敏度是158.6 V/T，1 Hz 噪声是1.408 nT/√Hz。在相同实验测试条件下，长宽厚分别为30 mm、1.2 mm、和2 μm 的传统薄膜铁芯的磁通门性能指标如下:最佳激励是45 mA，线性范围是±250 μT，灵敏度是140.4 V/T，1 Hz 噪声是1.628 nT/√Hz。通过对比可知，当长条形阵列铁芯的单条铁芯宽度以及铁芯相邻宽度选择合适时，其磁通门性能显然要优于传统薄膜铁芯的磁通门性能。

3 结论

本文通过长条形阵列结构铁芯来提升微型磁通门性能，对采用MEMS 工艺制备的35 组不同排列的长条形阵列铁芯进行了磁通门性能指标的综合测试，分析了长条形阵列铁芯中单条铁芯相邻宽度以及单条铁芯宽度变化对微型磁通门性能指标的影响，最终得出当单条铁芯相邻宽度为35 μm 以及单条铁芯宽度为60 μm 时，长条形阵列铁芯的磁通门综合性能指标可以达到最优。所得结论为微型磁通门从优化铁芯结构方面提升性能指标提供了数据参考。