呂 輝,劉詩斌
(1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 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)
磁通門傳感器是一種具有高靈敏度、高穩(wěn)定性等優(yōu)良綜合性能的低頻矢量磁場測量器件,被廣泛應(yīng)用于國防和工業(yè)領(lǐng)域[1]。近年來,得益于微機電系統(tǒng)(micro-electromechanical systems,MEMS)技術(shù)的發(fā)展,在硅基底上制作的微型磁通門因其體積小、重量輕、與外圍電路集成性好等特點,在納型/皮型衛(wèi)星、小型無人機、平行機器人等領(lǐng)域展示出極大的發(fā)展?jié)摿Γ?~5]。
由于磁通門工作時需要鐵芯達到飽和,所以,雖然硅基微型磁通門的器件尺寸已經(jīng)大大縮減,但功耗并沒有隨著體積的減小而顯著降低,這使得大量的熱量集中于薄膜鐵芯的較小面積上,給整個器件的噪聲、壽命帶來極大的影響,因此,降低功耗是微型磁通門一個亟待解決的問題[6~8]。Wu Peiming 等人利用有限元軟件對微型磁通門進行了仿真,對其鐵芯結(jié)構(gòu)進行了一定程度的優(yōu)化,設(shè)計了一種縮比結(jié)構(gòu)鐵芯的微型磁通門[9],雖然能夠在一定程度上降低傳感器功耗,但是由于存在較大的漏磁通,仍然有待于進一步的改進。
本文設(shè)計了一種具有多孔結(jié)構(gòu)薄膜鐵芯的微型磁通門,并采用交替分布的方式設(shè)置激勵線圈和感應(yīng)線圈,以減小漏磁通。通過有限元仿真計算發(fā)現(xiàn),多孔結(jié)構(gòu)的薄膜鐵芯可以更有效地降低激勵電流,減小微型磁通門的工作功耗[10],從而可有效提高其整體性能,確保磁通門傳感器能穩(wěn)定和可靠工作。
圖1 為閉合磁路微型磁通門的結(jié)構(gòu)示意圖,當(dāng)施加正弦激勵電流ie=Imsin ωt 時,鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生磁場強度為Hmsin ωt的磁場,若此時的外部被測磁場為HX,則感應(yīng)線圈上下兩部分中的產(chǎn)生的磁場強度分別為
圖1 微型磁通門結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of micro fluxgate
如圖2(a)所示,用簡化的三折線代表鐵芯的磁滯回線,當(dāng)磁場強度小于飽和磁場強度Hs時,鐵芯磁導(dǎo)率恒為μ,當(dāng)磁場強度大于Hs時,鐵芯磁導(dǎo)率為0。He1(實線)和He2(虛線)以及它們所對應(yīng)的磁感應(yīng)強度B1(實線)和B2(虛線)如圖2(b),(c)所示。B1和B2的變化在感應(yīng)線圈的上下兩部分中分別感應(yīng)出電壓u1(實線)和u2(虛線),如圖2(d)所示,輸出電壓u 如圖2(e)所示[11,12]
圖2 磁通門的輸出信號Fig 2 Output signal of micro fluxgate
將式(3)展開成傅里葉級數(shù)得到
由式(4)可得微型磁通門輸出的二次諧波幅值為
式中 N2為感應(yīng)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度。
使微型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,微型磁通門輸出二次諧波的靈敏度G2為Hx=0 時,U2m對Hx的導(dǎo)數(shù)
由微型磁通門的工作原理可知,Hm≥Hs。當(dāng)Hm取最小值Hs或者趨于無窮時,G2為0,可得最佳激勵磁場
使微型磁通門鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生最佳激勵磁場的激勵電流稱為最佳激勵電流。要降低微型磁通門的功耗,提高鐵芯的性能,就要在保證鐵芯的高磁導(dǎo)率和低矯頑力的同時,盡量減小鐵芯的最佳激勵電流。假設(shè)鐵芯的橫截面積為常數(shù),并考慮鐵芯的退磁效應(yīng),受到退磁場影響的鐵芯內(nèi)部磁場強度的幅值為
式中 μr為相對磁導(dǎo)率;D 為退磁系數(shù);l 為線圈長度;N1為激勵線圈的匝數(shù)。將式(8)變換為式(9)
由上式分析最佳激勵電流的相關(guān)影響因素發(fā)現(xiàn):減小μr會使靈敏度降低,不宜采用;(l/N1)和D 由器件的尺寸、形狀及制造工藝決定,不易降低;而降低鐵芯的Hs能夠減小最佳激勵電流,且不會影響器件的其他性能,是一種降低器件功耗的有效方法。本文采用多孔結(jié)構(gòu)鐵芯來實現(xiàn)這一目的。
本文利用Magnet 有限元仿真軟件設(shè)計微型磁通門,分別計算激勵磁場和外磁場與感應(yīng)線圈磁通的關(guān)系,再利用得到的結(jié)果計算出磁通門的輸出信號[6]。為對比起見,分別完成傳統(tǒng)薄膜鐵芯微型磁通門和多孔薄膜鐵芯微型磁通門2 個仿真模型,模型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。仿真建立模型所選用的鐵芯材質(zhì)為鎳鐵,線圈材質(zhì)為銅。
圖3(a)為傳統(tǒng)的閉合跑道型結(jié)構(gòu),鐵芯各部分的橫截面積相等,繞線采用激勵線圈和感應(yīng)線圈分區(qū)域繞線,后文中簡稱為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu);圖3(b)為本文設(shè)計的多孔結(jié)構(gòu),采用激勵線圈和感應(yīng)線圈交替繞線,將激勵線圈設(shè)置在無孔位置,感應(yīng)線圈設(shè)置在有孔位置,后文中簡稱為多孔結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)上下每一側(cè)的激勵線圈匝數(shù)和感應(yīng)線圈匝數(shù)均為30 匝,鐵芯厚度為10 μm。多孔結(jié)構(gòu)激勵線圈對應(yīng)的鐵芯部分寬度為500 μm,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)激勵線圈對應(yīng)的鐵芯部分寬度為50 μm。為保證對比的有效性,兩種結(jié)構(gòu)的感應(yīng)線圈對應(yīng)鐵芯部分的實際寬度保持一致,均為50 μm。
圖3 兩種微型磁通門的結(jié)構(gòu)示意圖Fig 3 Structure diagram of two kinds of micro fluxgates
導(dǎo)電線圈的磁鏈隨時間的變化曲線能充分說明線圈內(nèi)部的磁通量變化情況。仿真實驗得到以上兩種微型磁通門的感應(yīng)線圈磁鏈曲線,如圖4 和圖5 所示。多孔結(jié)構(gòu)鐵芯在0.35 ms 處進入徹底飽和狀態(tài),而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鐵芯則在0.55 ms處進入徹底飽和狀態(tài),多孔結(jié)構(gòu)鐵芯的Hs明顯小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鐵芯,因此,多孔鐵芯能夠更快地進入飽和狀態(tài)。根據(jù)前文的分析,較小的Hs能夠有效地降低微型磁通門的最佳激勵電流。
圖4 多孔結(jié)構(gòu)鐵芯的磁鏈曲線Fig 4 Flux linkage curves of porous structure
圖5 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鐵芯的磁鏈曲線Fig 5 Flux linkage curves of traditional structure iron core
圖6 給出了兩種結(jié)構(gòu)微型磁通門的感應(yīng)線圈中磁通隨激勵電流的變化情況。圖中兩種結(jié)構(gòu)的感應(yīng)線圈具有相同匝數(shù),且各自感應(yīng)線圈中對應(yīng)鐵芯橫截面積相同。隨著激勵電流的逐漸增大,感應(yīng)線圈磁通量先隨之線性增加,在到達某個拐點后,迅速趨于平緩,達到飽和。磁通增長的拐點對應(yīng)的激勵電流稱為飽和激勵電流,飽和激勵電流越小,說明微型磁通門的工作電流越小,相應(yīng)的功耗就越低。
圖6 感應(yīng)線圈磁通隨激勵電流的變化Fig 6 Magnetic flux variation in inductive coil vs excitation current
從圖6 中可以看出:1)多孔鐵芯的感應(yīng)線圈的飽和磁通約為3.8×10-9Wb,遠大于傳統(tǒng)鐵芯的2.2×10-9Wb,這意味著多孔鐵芯中有更多的區(qū)域進入飽和狀態(tài);2)多孔鐵芯的感應(yīng)線圈磁通能在更小的激勵電流下達到飽和,多孔鐵芯的飽和激勵電流是40 mA,較之傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的75 mA 飽和激勵電流,能夠使微型磁通門的工作功耗大大降低;3)多孔鐵芯的曲線其線性上升段斜率更大,表明其感應(yīng)線圈磁通增長速度更快,等效磁導(dǎo)率較大,這有利于微型磁通門靈敏度的提高。
本文針對微型磁通門要求降低工作功耗的問題,進行了多孔結(jié)構(gòu)鐵芯結(jié)合交替繞線方式的優(yōu)化方案的設(shè)計。通過應(yīng)用有限元仿真軟件進行對比分析,建立了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)2 個模型,并保證兩者激勵線圈和感應(yīng)線圈匝數(shù)分別對應(yīng)相等,感應(yīng)線圈中的鐵芯實際橫截面積相同,各部分材料、尺寸一致。仿真結(jié)果證明:多孔鐵芯能使微型磁通門在更小的飽和激勵電流下工作。
[1] Ripka P.Advances in fluxgate sensors[J].Sensors and Actuators A:Physical,2003,106(1-3):8-14.
[2] Park H S,Hwang J S,Chol W Y,et al.Development of micro-fluxgate sensors with electroplated magnetic cores for electronic compass[J].Sensors And Actuators A:Physical,2004,114(2/3):224-229.
[3] Ripka P,Hurley W G.Excitation efficiency of fluxgate sensors[J].Sensors and Actuators A:Physical,2006,129(1/2):75-79.
[4] Lei J,Lei C,Wang T,et al.A MEMS-fluxgate-based sensing system for the detection of dynabeads[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2013,23(9):9505-9508.
[5] Atalay S,Bayri N,F(xiàn)idan A,et al.Coil-less fluxgate effect in negatively magnetostrictive Co72.5Si12.5B15 amorphous wire[J].Sensor Letters,2013,11(1):195-198.
[6] 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):11539-11552.
[7] Janosek M,Ripka P.Current-output of printed circuit board fluxgates[J].Sensor Letters,2009,7(3):299-302.
[8] 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.
[9] Wu P M,Ahn C H.A fully integrated ring-type fluxgate sensor based on a localized core saturation method[J].IEEE Trans on Magn,2007,43(3):1040-1043.
[10]Lü 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.
[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]Yang S L,Liu S B,F(xiàn)eng W G,et al.SPICE circuit model of voltage excitation fluxgate sensor[J].IET Sci Meas Technol,2013,7(3):145-150.