呂 輝,劉詩斌

(1.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710129;2.河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,河南 焦作 454000)

?

基于多孔鐵芯的微型磁通門低功耗技術(shù)研究*

呂 輝1,2,劉詩斌1*

(1.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710129;2.河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,河南 焦作 454000)

微型磁通門的功耗主要由最佳激勵電流決定,多孔結(jié)構(gòu)鐵芯能夠減小微型磁通門傳感器的最佳激勵電流,從而有效降低功耗。采用Magnet有限元仿真軟件,建模分析多孔結(jié)構(gòu)鐵芯對微型磁通門最佳激勵電流的影響,并總結(jié)了相關(guān)規(guī)律,結(jié)合MEMS的工藝,對孔的尺寸做出了設(shè)計。將實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了這一規(guī)律的有效性,從而能夠較好的估算孔的尺寸對最佳激勵電流的影響,為模型的進(jìn)一步完善和微型磁通門的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

MEMS;磁通門;低功耗;有限元法

磁通門傳感器是一種具有高精度、高穩(wěn)定性的弱磁場測量器件[1],在航空航天、地球物理、安檢、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)磁通門普遍存在尺寸大、功耗高的缺點(diǎn),近年來,隨著MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)技術(shù)的不斷發(fā)展,硅基微型磁通門已經(jīng)大大縮減了器件尺寸,但受限于飽和激勵的工作方式,功耗并沒有隨著尺寸的減小而顯著降低,相反由于釋放出的熱量集中在很小的范圍內(nèi),從而使微型磁通門的散熱問題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),直接威脅到整個系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。因此降低硅基微型磁通門的功耗,是目前亟待解決的問題[2]。

傳統(tǒng)磁通門降低功耗的方法在應(yīng)用于微型磁通門時存在著諸多問題。比如Kubik J[3],Ripka P[4],Drljaca P M[5]等人研究了磁通門的脈沖激勵技術(shù),這一方法會造成靈敏度降低和噪聲增大的問題,同時容易對微型磁通門所在片上系統(tǒng)的電磁兼容性構(gòu)成威脅。采用激勵調(diào)諧方法可在不增大剩磁誤差的同時有效地降低傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)磁通門的功耗,但是由于微型磁通門較大的線圈電阻和平面結(jié)構(gòu)使調(diào)諧過程非常困難[6-7]。RTD(Residence Times Difference)磁通門可以在降低功耗的同時提高靈敏度,但是會造成剩磁誤差增大,同時由于靈敏度和激勵頻率成反比關(guān)系,使得這種磁通門的應(yīng)用被局限在低頻范圍[8-9]。

由于傳統(tǒng)磁通門的低功耗技術(shù)無法有效移植到微型磁通門當(dāng)中來,必須在微型磁通門結(jié)構(gòu)設(shè)計上發(fā)掘降低功耗的方法。本文建模分析了多孔結(jié)構(gòu)閉磁路鐵芯對器件功耗的影響,討論了多孔結(jié)構(gòu)的可能影響因素,結(jié)合制備工藝,提出了孔的尺寸設(shè)計方案,通過將實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了計算公式的有效性,為微磁通門傳感器的模型完善及加工工藝提供了理論及實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 理論分析

低功耗磁通門對鐵芯性能的要求是在保證高磁導(dǎo)率和低矯頑力的同時,盡量降低飽和磁場強(qiáng)度Hs,這樣可以使鐵芯在較小的激勵電流下進(jìn)入飽和狀態(tài),從而在保證傳感器靈敏度的同時,有效降低功耗[10]。

閉磁路磁通門在正弦電流激勵下,鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生磁場強(qiáng)度為Hmsinωt的磁場,若此時的外磁場為Hx,輸出電壓的二次諧波的幅值為:

(1)

其中N2為檢測線圈匝數(shù),μ為鐵芯的磁導(dǎo)率,S為鐵芯的橫截面積,Hs為鐵芯材料的飽和磁場強(qiáng)度。

使磁通門獲得最大靈敏度的激勵磁場的幅值稱為最佳激勵磁場,定義磁通門二次諧波的靈敏度G2為Hx=0時,U2m對Hx的導(dǎo)數(shù),可得:

(2)

根據(jù)磁通門工作原理,Hm>Hs,當(dāng)Hm為Hs或趨近于無窮時,G2為0,可得:

最佳激勵磁場:

(3)

最大靈敏度:

(4)

磁通門的最佳激勵電流被定義為使鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生最佳激勵磁場的激勵電流。設(shè)鐵芯的截面積為常數(shù),長度為l,激勵線圈的匝數(shù)為N1,,激勵電流為ie=Imsinωt,考慮鐵芯的退磁效應(yīng),受退磁場影響后鐵芯內(nèi)部實(shí)際磁場強(qiáng)度幅值為:

(5)

其中:μr為相對磁導(dǎo)率,D為退磁系數(shù),由式(5)可得:

(6)

(7)

由上式可知,最佳激勵電流包括兩個部分,第一部分產(chǎn)生所需的激勵磁場,第二部分用來克服退磁效應(yīng)。要達(dá)到減小最佳激勵電流的目的,應(yīng)當(dāng)從降低第二部分電流值著手[11]。通過對這部分的影響因素進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)減小μr會造成靈敏度的降低,不宜采用;Hs主要由材料性質(zhì)決定,不易降低[12];而減小(l/N1)/D則相對容易完成,針對這一點(diǎn),本文通過采用如圖1所示的多孔結(jié)構(gòu)鐵芯來減小最佳激勵電流,從而降低器件功耗。

圖1 多孔鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示的多孔結(jié)構(gòu)鐵芯,鐵芯厚度為h;激勵線圈內(nèi)的鐵芯橫截面積為S1=W1×h,平均長度為l1=∑l1i;測量線圈內(nèi)鐵芯橫截面積為S2=W2×h,其中W2=∑W2i,平均長度為l2=∑l2i。

多孔鐵芯閉磁路磁通門的最佳激勵電流幅值Imo與各個結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系:

(8)

其中:S1,l1分別是激勵線圈內(nèi)鐵芯的截面積和長度;S2和l2分別是測量線圈內(nèi)鐵芯的截面積和長度;Hs是鐵芯的飽和磁場強(qiáng)度。

式(8)中沒有考慮漏磁的影響,當(dāng)激勵線圈內(nèi)鐵芯與測量線圈內(nèi)鐵芯面積相差較大時必須考慮漏磁影響?？蓪?8)改為:

(9)

其中ΦL是漏磁通。

式(8)中退磁系數(shù)D是形狀參數(shù)S1,l1,S2和l2的函數(shù),很難用解析式表達(dá);漏磁通ΦL有同樣的性質(zhì)。把式(9)中后兩項(xiàng)合起來稱作最佳激勵電流的附加電流If0(簡稱附加電流),它是形狀參數(shù)S1,l1,S2和l2的函數(shù),即:

(10)

如果保持S1和l1不變,激勵線圈內(nèi)鐵芯與測量線圈內(nèi)鐵芯面積的比值由S2和l2確定(S1≥S2,l1≥l2):

Imo(S2,l2)=Ims(S2,l2)+Ifo(S2,l2)

(11)

其中Ims(S2,l2)是式(9)中的第一項(xiàng)。

2 建模仿真

為了降低微型磁通門的功耗,本文利用Magnet有限元仿真軟件設(shè)計了一種具有多孔結(jié)構(gòu)矩形鐵芯的微型磁通門,其實(shí)體模型如圖2所示,鐵芯上的感應(yīng)線圈與激勵線圈采用交替繞線方式,各主要部分的尺寸如表1所示。多孔鐵芯的實(shí)體模型如圖3所示,磁通門各部分材料在室溫(20 ℃)時的屬性見表2。

圖2 微型磁通門1/2實(shí)體模型

圖3 多孔鐵芯1/2實(shí)體模型

表1 微型磁通門模型參數(shù)

表2 微型磁通門材料參數(shù)(20 ℃)

針對這一多孔結(jié)構(gòu)鐵芯,在S2和l2取不同數(shù)值的情況下,仿真計算了磁通門靈敏度最大時需要的激勵電流Imo和Ifo。通過對計算數(shù)據(jù)分析擬合,尋求Imo和Ifo與參數(shù)S2和l2的關(guān)系。

多孔鐵芯在磁化過程中各時刻不同區(qū)域的磁化情況見圖4。多孔鐵芯的磁化時間為0.55 s,磁場被分為若干個間隔相等的對應(yīng)值,各場值用不同顏色表示。場值經(jīng)過平均處理,去除了有限元計算中的不連續(xù)點(diǎn),得到連續(xù)的平滑場。平滑場可以在穿越同種材料中的有限元網(wǎng)格邊界時保持連續(xù),但是在跨越異種材料的網(wǎng)格邊界時則無法保持連續(xù),這一點(diǎn)與以上兩種邊界在物理意義上的連續(xù)情況是相同的[13-14]。

圖4 多孔鐵芯的磁化情況

磁化過程從0時刻開始,至0.55 s結(jié)束。多孔鐵芯初始時刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0,隨著磁化過程的進(jìn)行,磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷提高,鐵芯逐漸飽和,但各個區(qū)域的磁化情況不盡相同。如圖4所示,在0.05 s時刻,激勵線圈對應(yīng)的區(qū)域1(橫截面積S1處)的大部分磁感應(yīng)強(qiáng)度低于0.084,而測量線圈對應(yīng)的區(qū)域2(橫截面積S2處)的磁感應(yīng)強(qiáng)度已經(jīng)提高至0.168以上。在0.2 s時刻,區(qū)域2的磁感應(yīng)強(qiáng)度已經(jīng)提高至0.33左右;區(qū)域1的磁感應(yīng)強(qiáng)度沒有明顯提高,但低于0.084的部分所占比例略有降低。在0.55 s時刻,區(qū)域2已經(jīng)全部飽和;區(qū)域1的大部分遠(yuǎn)未飽和。以上仿真分析表明,測量線圈所對應(yīng)的區(qū)域2能夠在施加激勵后很快進(jìn)入飽和狀態(tài),這一點(diǎn)對降低激勵電流是非常有利的。

3 結(jié)果與討論

圖5是仿真數(shù)據(jù)插值后的Imo和Ifo與參數(shù)S2和l2的關(guān)系圖,為了擬合If0與鐵芯寬度W2和l2的數(shù)學(xué)關(guān)系,設(shè)計了寬度開平方長度平方擬合公式:

(12)

擬合結(jié)果及其誤差見圖6。寬度開平方長度平方擬合的結(jié)果與仿真結(jié)果總體趨勢一致。

鐵芯的參數(shù)取Hs=151 A/m,最終確定的最佳激勵電流表達(dá)式為:

(13)

圖7是按上式計算結(jié)果與仿真結(jié)果的對比,兩者具有較好的一致性。

圖6 附加電流的寬度開平方長度平方擬合結(jié)果及其誤差

圖7 擬合值與仿真值的對比

通過改變微型磁通門激勵線圈內(nèi)鐵芯面積與測量線圈內(nèi)鐵芯面積,可改變獲得最大靈敏度時的激勵電流[15-16]。當(dāng)激勵線圈內(nèi)鐵芯寬度和長度保持不變時,隨著測量線圈內(nèi)鐵芯寬度和長度的減小,激勵電流會相應(yīng)減小,其中寬度減小引起激勵電流減小的幅度較大。結(jié)合以上仿真結(jié)果和具體的MEMS工藝,對具有多孔鐵芯的微型磁通門進(jìn)行了制備,多孔鐵芯的結(jié)構(gòu)尺寸與照片如圖8所示。

依照如上尺寸制備的多孔結(jié)構(gòu)鐵芯,能夠有效降低激勵電流,減小功耗。圖9給出了被測外磁場為5 A/m情況下輸出信號二次諧波幅值隨激勵電流的變化,曲線峰值處對應(yīng)的激勵電流值為最佳激勵電流。從圖中可以看出,最佳激勵電流為85 mA,實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。由于實(shí)測過程中往往存在一些弱磁干擾,因此會出現(xiàn)實(shí)際實(shí)驗(yàn)值略高于理論計算值的情況,但是兩者的整體趨勢線是一致,不影響對最佳激勵電流的判定。因此對于多孔結(jié)構(gòu)鐵芯的設(shè)計可以參考以上給出的最佳激勵電流公式進(jìn)行計算。與傳統(tǒng)鐵芯相比,多孔結(jié)構(gòu)鐵芯能使激勵電流降低約20%,在激勵線圈相同的情況下,功耗可降低約36%。

圖8 多孔鐵芯的結(jié)構(gòu)尺寸及照片

圖9 輸出信號的二次諧波幅值

4 結(jié)論

本文建立了MEMS微型磁通門傳感器的模型,通過MAGNET有限元仿真軟件的電磁分析,提出多孔結(jié)構(gòu)薄膜鐵芯有利于降低微型磁通門功耗,并總結(jié)了孔的尺寸對激勵電流的影響規(guī)律,歸納得出最佳激勵電流的計算公式,通過對比仿真結(jié)果和計算結(jié)果,兩者具有較好的一致性。根據(jù)這一公式,結(jié)合具體的MEMS工藝,對孔的尺度做出了設(shè)計,將實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了這一公式能夠較好估算孔的尺寸對最佳激勵電流的影響,這為下一步的模型完善和微型磁通門結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

[1] Ripka P. Advances in Fluxgate Sensors[J]. Sensors And Actuators a-Physical,2003,106(1-3):8-14.

[2]Tipek A,O’donnell T,Ripka P,et al. Excitation and Temperature Stability,of PCB Fluxgate Sensor[J]. Ieee Sensors Journal,2005,5(6):1264-1269.

[3]Kubik J,Pavel L,Ripka P,et al. Low-Power Printed Circuit Board Fluxgate Sensor[J]. Ieee Sensors Journal,2007,7(1-2):179-183.

[4]Ripka P,Choi S O,Tipek A,et al. Pulse Excitation of Micro-Fluxgate Sensors[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2001,37(4):1998-2000.

[5]Drljaca P M,Kejik P,Vincent F,et al. Low-Power 2-D Fully Integrated CMOS Fluxgate Magnetometer[J]. IEEE Sensors Journal,2005,5(5):909-915.

[6]Ripka P,Hurley W G. Excitation Efficiency of Fluxgate Sensors[J]. Sensors and Actuators a-Physical,2006,129(1-2):75-79.[7]劉詩斌,崔智軍,劉昭元. 低剩磁誤差磁通門的激勵電路研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2009,22(12):1709-1712.

[8]Ando B,Bagli S,Bulsara A R,et al. “Residence Times Difference” Fluxgate[J]. Measurement,2005,38(2):89-112.

[9]Ando B,Baglio S,Bulsara A R,et al. RTD Fluxgate:A Low-Power Nonlinear Device to Sense Weak Magnetic Fields[J]. IEEE Instrumentation and Measurement Magazine,2005,8(4):64-68.

[10]Wu P M,Ahn C H. A Fully Integrated Ring-Type Fluxgate Sensor Based on a Localized Core Saturation Method[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(3):1040-1043.

[11]Liu S B. Study on the Low Power Consumption of Racetrack Fluxgate[J]. Sensors And Actuators a-Physical,2006,130(1):124-128.

[12]Lv H,Liu S B. Fabrication of Porous Thin Film Core for Micro-Fluxgate by Using Anodic Aluminum Oxide Templates[J]. Asian J Chem,2013,25(11):5945-5947.

[13]楊尚林,劉詩斌,郭博,等. 鐵芯參數(shù)對磁通門輸入輸出特性影響分析[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2014,27(1):40-47.

[14]郭博,劉詩斌,楊尚林. 微型正交激勵磁通門結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2014,27(7):910-915.

[15]Luo Z Y,Tang J,Ma B,et al. Influence of Film Roughness on the Soft Magnetic Properties of Fe/Ni Multilayers[J]. Chin Phys Lett,2012,29(12):456-459

[16]Wang Y Z,Wu S J,Zhou Z J,et al. Research on the Dynamic Hysteresis Loop Model of the Residence Times Difference(RTD)-Fluxgate[J]. Sensors,2013,13(9):11539-11542.

呂輝(1977-),男,山東菏澤人,西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院博士研究生。專業(yè)方向?yàn)槲㈦娮优c固體電子學(xué),現(xiàn)在主要從事微型磁通門傳感器研究,lvhui700@sohu.com;

劉詩斌(1960-),男,河南鞏義市人,西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師。長期從事無人機(jī)傳感器系統(tǒng)研究工作,研究領(lǐng)域?yàn)榇艌龊蛪毫y量,智能傳感器系統(tǒng),微電子和計算機(jī)應(yīng)用,liushibin@nwpu.edu.cn。

StudyofLowPowerTechnologyofMicroFluxgateSensorBasedonPorousCore*

LüHui1,2,LIUShibin1*

(1.School of Electronics and Information,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129,China;2.Electrical Engineering and Automation institute,Henan Polytechnic University,Jiaozuo Henan 454000,China)

The power consumption of fluxgate is mainly determined by its optimum excitation current(OEC). The porous structure core can decrease OEC and lower power consumption of fluxgate. We analyzed and designed a micro fluxgate with porous core,and then derived an equation to describe the relationship between OEC and the porous structure. Based on Magnet software and FEM analysis,the effects of porous core have been simulated and analyzed,and compared with the experimental results. The results confirm the validity of the equation. The improvement suggestions for the process are put forward,which can provide reference for the perfection of the low power technology and redesign of the micro fluxgate sensor.

MEMS;fluxgate;low power;FEM

項(xiàng)目來源:高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20126102110031)

2014-07-09修改日期:2014-09-16

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.013

TP212.1

:A

:1004-1699(2014)11-1512-05