郭 博,劉詩斌,楊尚林

(西北工業(yè)大學電子信息學院,西安 710129)

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微型正交激勵磁通門結(jié)構(gòu)設計*

郭 博,劉詩斌*,楊尚林

(西北工業(yè)大學電子信息學院,西安 710129)

利用三維電磁場仿真軟件對線-芯結(jié)構(gòu)微型正交激勵磁通門進行了仿真分析。研究了不同頻率下激勵線寬度、鐵芯寬度、激勵線厚度、鐵芯厚度等磁通門結(jié)構(gòu)參數(shù)對鐵芯飽和情況的影響。以減小激勵電流、降低磁通門功耗為目標,討論了采用線-芯結(jié)構(gòu)的微型正交激勵磁通門所應選擇的結(jié)構(gòu)尺寸。采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)工藝制備了這種結(jié)構(gòu)尺寸的微型磁通門傳感器并對其進行了測試,采用尖脈沖激勵時,其可以以1.7 mW的超低功耗得到91.6 V/T的輸出靈敏度。

電子科學與技術(shù);Magnet仿真;微型磁通門;正交激勵磁通門;低功耗

磁通門傳感器作為一種性能優(yōu)良的磁測量器件,在航向系統(tǒng)、航空航天、生物醫(yī)學、電流測量、艦船消磁、交通管控、汽車工業(yè)等諸多領域得到了廣泛的應用[1-5]。近年來,隨著系統(tǒng)對傳感器體積、質(zhì)量、功耗等方面要求的不斷提高,基于MEMS工藝的微型磁通門展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿6-7]。利用MEMS(微機電系統(tǒng))工藝制備的微型磁通門具有非常小的體積和質(zhì)量,然而磁通門工作在鐵芯飽和狀態(tài)的工作原理決定了其激勵電流不會隨著體積的減小而降低。反而由于體積減小會引起散熱等一系列問題。因此,降低功耗成為微型磁通門亟待解決的一個問題。除此之外,由于鐵芯橫截面積小,微型磁通門存在著靈敏度較低的問題。一般的做法是通過提高激勵頻率來提高微型磁通門靈敏度[8]。為解決上述問題,需要對微型磁通門結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。使得鐵芯能夠在很小的激勵電流下達到飽和,以降低激勵電流從而降低功耗;使得鐵芯在較高頻率激勵下還能保持較高的等效磁導率以提高靈敏度。

基于MEMS技術(shù)的硅基微型磁通門制備周期長、成本高。因此,對微型磁通門結(jié)構(gòu)進行前期仿真優(yōu)化尤為重要。磁通門傳感器結(jié)構(gòu)復雜,難以采用解析方法直接進行分析計算,目前多采用有限元分析方法計算。Magnet作為一種三維低頻電磁場有限元仿真軟件,能夠較好的對電磁場問題進行仿真分析,常被用作磁通門的分析計算。Wu等人利用Magnet軟件對變截面結(jié)構(gòu)微型磁通門鐵芯中的磁場分布進行了分析[9];Naser等人也對變截面積結(jié)構(gòu)進行了仿真分析,給出了輸出信號,并對不同結(jié)構(gòu)進行了比較[10]。按照激勵方式區(qū)分,磁通門可以分為平行激勵磁通門和正交激勵磁通門,目前廣泛使用的磁通門均為平行激勵磁通門。上述兩人的仿真也是針對平行激勵磁通門的仿真。近年來,正交激勵磁通門,特別是采用線-芯結(jié)構(gòu)的正交激勵磁通門重新引起了人們的重視。采用正交激勵方式,特別是采用線-芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢有[11-13]:結(jié)構(gòu)簡單有利于小型化;輸入電阻小、功耗低;線性測量范圍可以簡單可調(diào);較低的正交場誤差;較高的空間分辨率等。因此,本文以線-芯結(jié)構(gòu)的正交激勵微型磁通門作為研究對象。

以降低激勵電流,提高靈敏度為目標對硅基正交激勵磁通門進行仿真分析。對鐵芯閉合情況、激勵線厚度、鐵芯厚度、激勵線寬度等進行了仿真分析與討論?？紤]到微型磁通門需要工作在較高的頻率以提高靈敏度,在仿真分析時均采用了較低的1 kHz和較高的1 MHz兩種頻率。以仿真結(jié)果作為指導,制備了一種硅基正交激勵微型磁通門傳感器并對其進行了測試。

1 微型正交激勵磁通門結(jié)構(gòu)

圖1給出了線-芯結(jié)構(gòu)正交激勵磁通門結(jié)構(gòu)示意圖,它由中心低電阻率的非磁導體(一般為銅線)作為激勵線,包裹在激勵線上的軟磁材料作為鐵芯部分,外圈纏繞導線作為感應線圈。激勵線中施加交變電流產(chǎn)生圓周方向磁場,由于中心導體電阻率遠小于鐵芯部分,大部分電流通過中心區(qū)域,而鐵芯部分與激勵線之間完全相接所以只需較小的電流就能使得鐵芯飽和。交變飽和狀態(tài)使得鐵芯磁導率發(fā)生周期變化從而調(diào)制軸向的被測外磁場。這時,感應線圈兩端就會產(chǎn)生隨被測外磁場變化的感應電壓。磁通門工作時需要鐵芯進入飽和狀態(tài)。因此,為降低磁通門功耗,需要使得鐵芯在小電流下就能進入飽和狀態(tài)。

圖1 線-芯正交激勵磁通門結(jié)構(gòu)示意圖

圓形的激勵線和鐵芯難以采用MEMS工藝實現(xiàn)。因此,硅基微型正交激勵磁通門一般采用方形激勵線并在其周圍包裹鐵芯(如圖2所示)。對于這種結(jié)構(gòu)的磁通門來說,激勵線的厚度和寬度、鐵芯厚度以及鐵芯是否閉合都會影響到所需激勵電流大小,進而影響磁通門功耗。從微加工工藝的角度出發(fā),線寬越寬,厚度越小的線條越容易制備。因此,我們將線-芯結(jié)構(gòu)設計為扁平狀(如圖3所示),然后通過仿真研究激勵線圈厚度(De)、激勵線圈寬度(Lc)、鐵芯厚度(Dc)等對磁通門性能的影響。

圖2 硅基微型正交激勵磁通門結(jié)構(gòu)

圖3 硅基微型正交激勵磁通門剖面圖

2 微型正交激勵磁通門結(jié)構(gòu)的仿真設計

2.1 鐵芯在圓周方向連續(xù)性對激勵線磁通的影響

對鐵芯在圓周方向閉合和不閉合兩種情況下鐵芯磁感應強度的分布情況和磁通隨激勵電流的變化情況進行了仿真。激勵線的厚度設定為2 μm,鐵芯厚度設定為1 μm,長度定為800μm,激勵頻率設定為1 kHz。圖4給出了兩種鐵芯激勵線圈磁通隨激勵電流的變化。鐵芯不閉合時,其對圓周方向的激勵磁場有嚴重的退磁效應。正交激勵磁通門的激勵電流使得鐵芯在圓周方向被磁化,當鐵芯在圓周方向飽和時,激勵線上的磁通會出現(xiàn)一個拐點。閉合鐵芯在激勵電流為60 mA時已經(jīng)幾乎進入飽和狀態(tài)而不閉合鐵芯在激勵電流為300 mA時仍未飽和。根據(jù)正交磁通門的工作原理,激勵線圈磁通隨激勵電流變化越快意味著相同激勵頻率下磁通門輸出信號越強,我們相應的定義激勵線圈磁通隨激勵電流的變化為“等效磁導率”。顯然,閉合鐵芯的等效磁導率遠大于不閉合鐵芯。因此,保證鐵芯的閉合性尤為重要。為了防止由于微加工工藝對準誤差導致鐵芯不閉合,鐵芯寬度應大于激勵線寬度,保證鐵芯在圓周方向連續(xù)。在具體制備過程中,我們選擇鐵芯在每邊長出激勵線20 μm以保證鐵芯閉合。

圖4 閉合鐵芯和不閉合鐵芯激勵線圈磁通隨激勵電流變化

2.2 激勵銅線厚度對激勵線磁通的影響

圖5 1 kHz激勵電流下不同銅線厚度結(jié)構(gòu)激勵線圈磁通隨激勵電流變化情況

增加線-芯結(jié)構(gòu)中激勵銅線的厚度可以降低磁通門輸入阻抗,從而達到降低功耗的目的。然而,在我們所采用的這種線-芯結(jié)構(gòu)中,增加激勵銅線厚度意味著鐵芯將遠離中心電流,這會使得激勵電流對鐵芯的激勵作用發(fā)生變化。將鐵芯厚度固定為1 μm,分別采用1 μm、4 μm、10 μm、20 μm 4種厚度的銅線作為激勵線圈,研究激勵線圈磁通隨激勵電流的變化,仿真時激勵電流頻率分別選定為1 kHz和1 MHz。圖5給出了激勵頻率為1 kHz時,采用不同厚度銅導線時,激勵線圈磁通隨激勵電流的變化情況。從圖中可以看出,采用不同厚度銅激勵線基本不會影響到激勵線圈磁通的飽和點,也就是說不會影響到磁通門工作所需激勵電流的大小。然而,增加激勵線圈厚度后,等效磁導率顯著下降,這將會影響到激勵磁通門的靈敏度。圖6給出了激勵頻率為1 MHz時的情況,不同厚度的銅線對激勵線圈磁通的影響很小。從降低磁通門功耗的角度考慮,較厚的鐵芯電阻更小,傳感器功耗更低。然而,較低的輸入電阻對驅(qū)動電路提出了較高的要求,這是我們不希望看到的。輸入阻抗與功耗成正比關系而激勵電流與阻抗成二次關系,從降低激勵電流入手降低功耗是更好的選擇。因此,考慮激勵銅線厚度的選擇應從輸入阻抗的要求出發(fā)。

圖6 1 MHz激勵電流下不同銅線厚度結(jié)構(gòu)激勵線圈磁通隨激勵電流變化情況

2.3 鐵芯厚度對激勵線磁通的影響

圖7 不同厚度鐵芯在不同頻率下激勵線圈磁通隨激勵電流變化情況

增加線-芯結(jié)構(gòu)中鐵芯的厚度可以增加鐵芯橫截面積從而增加磁通門靈敏度。但是,增加鐵芯厚度導致磁通門工作所需電流的增加,這是因為線-芯結(jié)構(gòu)中鐵芯厚度增加使得外層鐵芯遠離中心導體,需要更大的電流使得整個鐵芯飽和。增加鐵芯厚度對降低磁通門功耗造成不利影響。同時,隨著鐵芯厚度的增加,趨膚效應和渦流效應會影響磁通門工作頻率的提高。我們仿真分析了在40 mA電流激勵下1 μm、2 μm、5 μm、10 μm 4種厚度的鐵芯結(jié)構(gòu)磁感應強度的分布情況。在仿真的過程中,激勵線圈的厚度設定為2 μm。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)磁通門相比較,微型磁通門的一個劣勢是靈敏度較低,這是由其鐵芯橫截面積較小,感應線圈匝數(shù)較少決定的。由于磁通門的靈敏度與工作頻率成正比,所以提高微型磁通門工作頻率是提高其靈敏度的一個常用方法。然而,提高頻率之后會帶來趨膚效應和渦流損耗的增加,從而導致磁通門性能下降。從鐵芯磁性能角度考慮,頻率的增加還會造成鐵芯磁性能下降,同樣導致磁通門性能下降。我們分別采用頻率為1 kHz和1 MHz的電流激勵4種不同厚度鐵芯,研究鐵芯厚度對激勵線磁通的影響。圖7給出了4種厚度鐵芯在1 kHz和1 MHz激勵頻率下激勵線圈磁通隨激勵電流的變化情況。

從圖中可以看出,無論哪種頻率,隨著鐵芯厚度的增加,鐵芯均需要更大的激勵電流以進入飽和狀態(tài)。對比1 kHz激勵和1 MHz激勵時的情況(實線和虛線),鐵芯越厚,當頻率升高時其等效磁導率下降越嚴重。對于1 μm、2 μm厚度的鐵芯來說,1 kHz的激勵頻率和1 MHz的激勵頻率對等效磁導率和飽和所需要的電流都不會產(chǎn)生很大影響。而對于5 μm、10 μm的鐵芯來說,提升頻率會大幅降低等效磁導率,大幅提升飽和所需電流。只看1 MHz激勵時的情況,隨著厚度的增加,鐵芯需要更大的電流使之進入飽和狀態(tài)。1 μm厚度的鐵芯在40 mA電流下已經(jīng)進入飽和狀態(tài),2 μm鐵芯接近進入飽和狀態(tài);5 μm厚的鐵芯需要60 mA以上的電流以進入飽和狀態(tài)而10 μm厚度的鐵芯在80 mA激勵時仍未進入飽和狀態(tài)。同時,隨著厚度的增加,等效磁導率增幅放緩。10 μm鐵芯在起始階段的等效磁導率甚至低于5 μm鐵芯。因此,綜合考慮功耗和靈敏度,對于需要工作在較高頻段的微型磁通門來說,采用1 μm～2 μm較薄的鐵芯是一種比較好的選擇。

2.4 激勵線寬度對激勵線磁通的影響

除了厚度之外,我們對不同激勵線寬度也進行了仿真分析。將激勵線厚度和鐵芯厚度均設定為1 μm,激勵線寬度分別設定為25 μm、50 μm、75 μm和100 μm。仿真分析了激勵線磁通隨激勵電流的變化情況。圖8給出了仿真分析的結(jié)果,激勵頻率分別采用1 kHz和1 MHz。

圖8 不同寬度激勵線在不同頻率下激勵線圈磁通隨激勵電流變化情況

從圖中可以看出,無論在較高或者較低的頻率下,較小的激勵線寬度都可以使鐵芯在較小的電流下進入飽和,并且其等效磁導率較高。這是因為線寬變窄后,單位寬度內(nèi)的電流比較大。從理論上講,應采用盡量小的激勵線寬。本文中為了降低制備工藝難度,將激勵線寬選擇為50 μm。

3 微型正交激勵磁通門的制備與測試

在前文分析的基礎上,綜合考慮工藝難度問題,利用MEMS工藝制備了微型正交激勵磁通門。激勵線采用電鍍銅,寬度50 μm,厚度1.5 μm,線間距60 μm;激勵線周圍的軟磁材料采用電鍍Ni79Fe21合金,上下層厚度均為1 μm;感應線圈仍為電鍍銅,寬度50 μm,厚度1.5 μm,線間距20 μm,共70匝;上下兩層導線間的鏈接導體采用并聯(lián)的2個柱狀導體,寬度30 μm,長40 μm,厚度4 μm。各層之間采用聚酰亞胺絕緣,激勵線和感應線圈通過兩端的焊盤引出。為了提高靈敏度,采用4根線-芯結(jié)構(gòu)組成鐵芯陣列,每根鐵芯長度為5 mm,如圖9所示。經(jīng)過測試,此時的激勵線圈電阻約為3.6 Ω。

圖9 正交激勵微型磁通門總體及局部照片

圖10 輸出二次諧波幅值隨激勵電流變化

將被測外磁場固定為150 μT,激勵頻率設定為700 kHz,測試了傳感器輸出二次諧波幅值隨激勵電流的變化情況,結(jié)果如圖10所示。可以看出,在較高的激勵頻率下,激勵電流有效值增加到80 mA(幅值113 mA)以后,二次諧波幅值增加幅度減緩,可以認為這時鐵芯進入了深度飽和狀態(tài)。而前文仿真分析中,與所制備傳感器尺寸參數(shù)接近的傳感器在1 MHz的頻率下,60 mA以上的激勵電流就可以使得鐵芯進入深度飽和狀態(tài)。造成這個差別的主要原因是制備得到鐵芯的磁滯回線性能與仿真采用的磁滯回線性能差距較大,并且Magnet軟件在仿真過程采用的是初始磁化曲線,無法考慮磁滯的影響。

將被測外磁場固定為150 μT,激勵電流設定為100 mA(幅值141 mA),測試了各磁通門傳感器輸出二次諧波幅值隨激勵頻率的變化情況,結(jié)果如圖11所示。根據(jù)前文的仿真結(jié)果,所制備尺寸的傳感器在激勵頻率1 MHz時,等效磁導率不會嚴重下降,而所制備的傳感器在激勵頻率超過800 kHz之后,二次諧波幅值開始迅速下降,也就是說等效磁導率開始下降。分析認為,造成這個差別的原因與Magnet軟件在仿真過程采用的是初始磁化曲線,無法考慮磁滯的影響,并且Magnet軟件對頻率增加帶來的影響考慮不周全有關。

圖11 輸出二次諧波幅值隨激勵電流變化

圖12 0 μT外磁場時磁通門輸入輸出

對比實驗結(jié)果和仿真結(jié)果,為了提高激勵頻率從而提高靈敏度,應該考慮采用更薄的激勵銅線厚度和更薄的鐵芯厚度。

采用幅值145 mA(有效值約為22 mA),頻率100 kHz,占空比30%的脈沖信號對磁傳感器進行激勵,外磁場分別采用0和100 μT。圖12和圖13分別給出了不同外磁場條件下磁通門的輸出情況。圖中,上方曲線表示激勵電流波形,下方的曲線表示輸出電壓波形?？梢钥闯?在外磁場的作用下,輸出信號幅值明顯增大。

圖13 100 μT外磁場時磁通門輸入輸出

根據(jù)磁通門原理,其輸出二次諧波幅值在一定范圍內(nèi)隨外磁場線性變化,因此二次諧波常被選作磁通門輸出信號。將激勵頻率提高到700 kHz,其他條件不變,圖14給出了其輸出二次諧波幅值隨被測外磁場變化情況。

圖14 感應線圈二次諧波幅值隨外磁場變化情況

其線性范圍為±100 μT,靈敏度為91.6 V/T,根據(jù)公式P=I2R,此時磁通門的功耗僅為1.7 mW。

4 結(jié)論

本文利用Magnet軟件對硅基正交激勵微型磁通門的結(jié)構(gòu)尺寸進行了設計。以降低磁通門激勵電流、降低功耗、提高靈敏度為目標,對正交激勵磁通門的激勵線厚度,鐵芯厚度,激勵線寬度等結(jié)構(gòu)尺寸進行了選擇。在較高的激勵頻率下,激勵線厚度對激勵電流和等效磁導率影響不大,可根據(jù)對傳感器輸入阻抗的要求選擇合適的激勵線厚度;在較高的激勵頻率下,應選擇較薄的鐵芯厚度降低對激勵電流的要求;激勵線的寬度應該較窄以降低對激勵電流要求;鐵芯寬度應大于激勵線寬度使得鐵芯在圓周方向閉合。制備出一種微型化正交激勵磁通門,激勵線厚度為1.5 μm,激勵線寬度50 μm,鐵芯厚度1 μm,鐵芯寬度90 μm,輸入電阻約為3.6 Ω。采用30%占空比的脈沖信號激勵時,其可以在1.7 mW的超低功耗下得到91.6 V/T的二次諧波靈敏度。本文為正交激勵磁通門的微型化奠定了一定的基礎。

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郭博(1982-),男,陜西西安人,西北工業(yè)大學在讀博士,師從劉詩斌教授。研究方向為微型磁通門傳感器的設計與制造,2009100072@mail.nwpu.edu.cn;

劉詩斌(1960-),男,河南鞏義人,教授,博士生導師。長期從事無人機傳感器系統(tǒng)研究工作,研究領域為磁場和壓力測量,智能傳感器系統(tǒng),微電子和計算機應用,liushibin@nwpu.edu.cn。

StructuralDesignofOrthogonalMicro-Fluxgate*

GUOBo,LIUShibin*,YANGShanglin

(School of Electronics and Information,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710000,China)

In this paper,orthogonal micro-fluxgates with wire-core structure were simulated and anlysed by three-dimensional electromagnetic simulation software.The influence of the structure parameters like the width of excitation wire,the width of core,the thickness of excitation wire,the thickness of core on core saturation condition were investigated at different excitation frequency.Reducing excitation current and enhancing sensitivity were taken as the target,then the structure of orthogonal micro-fluxgates with wire-core structure were optimized.The optimized orthogonal micro-fluxgate was fabricated based on MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)technology.When the sensor was excited by pulse current,91.6 V/T sensitivity can be obtained with ultra low power consumption of 1.9 mW.

electronic science and technology;magnet simulation;micro-fluxgate sensor;orthogonal fluxgate;low power consumption

項目來源:高等學校博士學科點專項科研基金項目(20126102110031)

2014-03-18修改日期:2014-06-01

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.011

TN402;TM936.2

:A

:1004-1699(2014)07-0910-06