呂 輝， 郅富標

(1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129；3.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，河南 焦作 454000)

微型磁通門鐵芯結(jié)構(gòu)的拓撲分析與優(yōu)化*

呂 輝1,2， 郅富標3

(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，河南焦作454000；2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710129；3.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院電氣工程系，河南焦作454000)

多孔鐵芯有利于滿足微型磁通門傳感器降低功耗的要求，但不同的拓撲結(jié)構(gòu)所取得的效果不同，對多孔鐵芯結(jié)構(gòu)進行了拓撲分析與針對性優(yōu)化，并采用微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝制備了不同鐵芯結(jié)構(gòu)的微型磁通門進行性能測試與對比驗證。實驗結(jié)果證明：優(yōu)化后的鐵芯結(jié)構(gòu)能更好地降低微型磁通門傳感器功耗，提高器件整體性能。

多孔鐵芯； 微型磁通門； 拓撲分析； 參數(shù)優(yōu)化

0 引 言

微型磁通門具有尺寸小，易集成的優(yōu)點，應(yīng)用廣泛，但受工作條件所限，其功耗并未得到同步有效降低，反而因面積縮小，系統(tǒng)熱量更為集中，造成的散熱問題,嚴重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定。為了更好地應(yīng)用微型磁通門，亟須解決功耗問題，提高性能[1～5]。

目前的低功耗技術(shù)大多來自傳統(tǒng)磁通門，如脈沖激勵技術(shù)[6]，激勵調(diào)諧的方法[7,8]，停留時間差(residence time difference，RTD)方法[9,10]等，主要依靠電路等外部因素實現(xiàn)降低功耗，并不適用微型磁通門。相關(guān)研究表明，對微型磁通門所用鐵芯進行性能優(yōu)化是一種有效的解決方案[11]。采用多孔結(jié)構(gòu)鐵芯有利于滿足微型磁通門傳感器降低功耗的要求[12]，但不同的拓撲結(jié)構(gòu)所取得的效果不同。

本文對多孔鐵芯進行了拓撲結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化，并采用微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)工藝制備了具有不同鐵芯的微型磁通門進行性能測試與對比，尋求適合的鐵芯結(jié)構(gòu)，以提高器件綜合性能。

1 拓撲分析與優(yōu)化方案

對閉合磁路微型磁通門而言，被測外磁場為Hx，若對微型磁通門施加正弦電流ie=Imsinωt作為激勵，鐵芯內(nèi)部將產(chǎn)生強度為Hmsinωt的磁場，此時，微型磁通門的輸出電壓二次諧波幅值為

(1)

式中N2為感應(yīng)線圈匝數(shù)；μ為鐵芯磁導(dǎo)率；S為鐵芯的橫截面積；Hs為鐵芯材料的飽和磁場強度。

微型磁通門的最佳激勵電流能在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生最佳激勵磁場，使磁通門獲得最大靈敏度。最佳激勵電流Imo的幅值為

(2)

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)。

對影響Imo的因素進行分析，減小Imo即減小(l/N1)/D，對于微型磁通門而言，這一因素主要由多孔鐵芯的拓撲結(jié)構(gòu)決定。通過對拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，能夠有效地減小此項，降低磁通門Imo。鑒于Imo越小，器件功耗越低，本文使用最佳激勵電流這一指標評價與衡量不同多孔鐵芯對微型磁通門的影響。

由于微型磁通門的MEMS加工工藝復(fù)雜，耗時較長，因此需要對多孔鐵芯進行必要的前期仿真拓撲分析。分析過程借助三維電磁有限元仿真軟件Magnet實現(xiàn)，針對不同的多孔鐵芯結(jié)構(gòu)進行了電磁場的仿真分析與計算，建立的模型如圖1所示。

圖1 多孔鐵芯微型磁通門仿真模型

多孔鐵芯采用閉合磁路矩形結(jié)構(gòu)，拓撲分析的目標主要針對孔的形狀和分布兩個要素進行。孔的形狀分為3種：六角形、橢圓形、方形。孔的分布方式分為2種：陣列式、交錯式。仿真結(jié)果說明：孔的形狀對微型磁通門的激勵電流沒有明顯的影響，3種磁通門的輸出電壓，二次諧波幅值均隨激勵電流的增大而增大，并在激勵電流達到38mA左右時，靈敏度達到最大，其中方孔磁通門的靈敏度低于其他2種。陣列式分布的最佳激勵電流略小于交錯式分布，更有利于降低功耗；同時，陣列式分布的靈敏度更優(yōu)。

經(jīng)過以上拓撲優(yōu)化分析，采用陣列式分布的六角形孔作為最終優(yōu)化方案。

2 微型磁通門制備

為了驗證以上拓撲優(yōu)化的仿真分析結(jié)果，需要制備具有不同形狀多孔鐵芯的微型磁通門，進行實驗測試加以驗證。微型磁通門的制備流程如下：

1)以4in(1in=2.54cm)硅片(厚500μm)為基底，硅Si片表面有二氧化硅(SiO2)層絕緣層(厚300nm)；

2)采用剝離工藝濺射制備Ti過渡層(厚50nm)；

3)磁控濺射沉積電鍍Cu種子層(厚150nm)；

4)光刻后，電鍍Cu得到厚度4μm的底層線圈；

5)光刻后，電鍍Cu得到厚度4μm的連接銅柱(低于鐵芯)；

6)除去電鍍Cu種子層；

7)旋涂聚酰亞胺并固化；

8)濺射Cu種子層(厚100nm)；

9)光刻后，電鍍NiFe鐵芯(厚1μm)；

10)旋涂聚酰亞胺并固化后， RIE刻蝕除去連接銅柱上的固化層;

11)濺射Cu種子層(厚150nm)；

12)光刻后，電鍍Cu，得到連接銅柱(高出鐵芯)；

13)光刻后，電鍍Cu，得到4μm厚上層線圈；

14)光刻后，電鍍Cu，得到4μm厚焊盤；

15)旋涂聚酰亞胺并刻蝕除去焊盤和劃片槽上的聚酰亞胺，升溫固化；

16)測試、劃片、封裝。

制備完成的微型磁通門，其局部結(jié)構(gòu)顯微照片如圖2所示。為了分析不同孔形狀對多孔鐵芯磁性能的影響，共制作了方孔、橢圓孔、六角孔3種類型多孔鐵芯，顯微照片如圖3所示。這三種鐵芯除孔的形狀不同外，孔寬和分布保持一致。

圖2 微型磁通門局部結(jié)構(gòu)

圖3 不同孔形狀的多孔鐵芯

為了分析不同孔分布對多孔鐵芯磁性能的影響，制作了交錯式分布和陣列式分布2種多孔鐵芯，如圖4所示。這2種多孔鐵芯采用六角形孔，只有分布方式不同，其他拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致。

圖4 不同孔分布的多孔鐵芯

3 測試與分析

測試系統(tǒng)如圖5所示，信號發(fā)生器和功率放大器用于產(chǎn)生激勵信號，被測磁場通過直流電源激勵螺線管產(chǎn)生，與電源串聯(lián)的電流表用于讀取激勵電流，示波器接微型磁通門的感應(yīng)線圈兩端，測量輸出電壓。整個測試系統(tǒng)應(yīng)遠離鐵磁物質(zhì)等干擾源。

圖5 測試系統(tǒng)原理

采用500kHz固定頻率的正弦激勵，在外磁場為50μT時，分別測試了采用橢圓孔、六角孔、方孔3種不同孔形的多孔鐵芯微型磁通門，其輸出電壓二次諧波幅值隨激勵電流的變化曲線如圖6?？芍翰煌仔螤畹亩嗫阻F芯對應(yīng)的曲線比較相似，鐵芯進入飽和時的激勵電流非常接近，說明孔的形狀對微型磁通門的飽和激勵電流沒有明顯影響。在曲線的初始階段，磁通門的輸出電壓二次諧波幅值隨激勵電流的增大而增大，并在激勵電流達到80mA后，曲線逐漸變得非常平緩，多孔鐵芯的孔間小截面區(qū)域進入飽和狀態(tài)。

圖6 孔形對多孔鐵芯微型磁通門的影響

圖6中橢圓孔和六角形孔鐵芯所對應(yīng)的曲線要高于方孔，因此靈敏度更大，這一情況在曲線的起始階段尤為明顯。究其原因，主要是由于橢圓形孔和六角形孔對應(yīng)的鐵芯從小橫截面到大橫截面之間存在一個漸變過渡區(qū)域，而方孔在這一過程中其橫截面是突然變化的，沒有漸變過渡區(qū)。鐵芯漸變過渡區(qū)的存在使磁場分布更加均勻并減小漏磁，有利于靈敏度的提高。另外，在采用MEMS工藝進行激勵線圈制作時，往往存在一定的對準誤差，如圖7(a)中所示，虛線為激勵線圈所在位置，多孔鐵芯兩孔間為飽和區(qū)域。如圖7(b)所示，由于激勵線圈向上發(fā)生偏移，在兩孔間的飽和區(qū)域上方，存在橫截面積變大的未飽和區(qū)域。六角孔和橢圓孔鐵芯因存在漸變過渡區(qū)，故未飽和區(qū)域的面積較小，而方孔由于沒有漸變過渡區(qū)，所以未飽和區(qū)域的面積較大，使方孔鐵芯磁通門的靈敏度要低于另外兩種。對比幾種不同孔形對靈敏度的影響，應(yīng)當選擇六角孔作為多孔鐵芯的優(yōu)化孔形。

圖7 對準誤差對不同孔形的影響

同樣的測試條件下，采用交錯分布和陣列分布的多孔鐵芯微型磁通門，其輸出電壓二次諧波幅值隨激勵電流的變化曲線如圖8?？芍壕哂胁煌追植嫉亩嗫阻F芯所對應(yīng)的曲線在初始階段，磁通門的輸出電壓二次諧波幅值均隨激勵電流的增大而增大，并在激勵電流達到飽和后，曲線變得平緩，鐵芯進入飽和狀態(tài)。孔的分布對多孔鐵芯微型磁通門的飽和激勵電流有一定的影響，陣列分布結(jié)構(gòu)在激勵電流達到80mA以后基本飽和，而交錯分布結(jié)構(gòu)則在激勵電流達到90mA后進入飽和狀態(tài)。另外，陣列式多孔鐵芯結(jié)構(gòu)的靈敏度明顯高于交錯式。分析原因，應(yīng)該是交錯式分布對應(yīng)鐵芯的有效磁路較陣列式略長造成的影響。綜合考慮，陣列式分布的效果要優(yōu)于交錯式分布。因此，選擇陣列分布作為多孔鐵芯的拓撲結(jié)構(gòu)有利于更好地降低功耗，提高微型磁通門的靈敏度。

圖8 孔的分布對多孔鐵芯微型磁通門的影響

4 結(jié) 論

通過對多孔鐵芯微型磁通門進行拓撲分析與優(yōu)化，并采用MEMS工藝制備了相應(yīng)器件對優(yōu)化方案進行驗證。根據(jù)實驗測試結(jié)果，多孔鐵芯采用陣列式分布的拓撲結(jié)構(gòu)能夠更好地降低器件功耗，提升傳感器的靈敏度；由測試結(jié)果可知：多孔鐵芯的孔形采用六角形和橢圓形等漸變式結(jié)構(gòu)與方形孔等突變結(jié)構(gòu)相比，雖然對降低器件功耗沒有明顯作用，但是能有效提高傳感器的靈敏度，有利于提升綜合性能指標。

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Topologyanalysisandoptimizationofironcorestructurebasedonmicrofluxgate*

Lü Hui1,2, ZHI Fu-biao3

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China；2.SchoolofElectronicsandInformation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710129,China；3.DepartmentofElectricalEngineering,CollegeofIndustryInformationTechnology,HenanProvince,Jiaozuo454000,China)

Porous core is conducive to meet the requirement of micro fluxgate sensor to reduce power consumption.But different topological structures have different effect.Topology analysis and targeted optimization of porous core are completed.The micro fluxgate based on different porous core structure are fabricated by MEMS technology.Performance testing and comparing experiment are carried out.Result shows that optimized structure of core can better reduce the power consumption of micro fluxgate sensor and improve its overall performance.

porous iron core； micro fluxgate； topology analysis； parameter optimization

高成耀(1981-)，男，博士，主要研究方向為電化學(xué)重金屬傳感器。夏善紅(1958-)，女，通訊作者，博士，研究員級高工，從事生化及電場傳感器研究工作,E—mail:shxia@mail.ie.ac.cn。

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0014—03

2016—10—18

高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20126102110031)； 河南省自然科學(xué)基金資助項目(162300410123)； 河南省高等學(xué)?？刂乒こ讨攸c學(xué)科開放實驗室項目(KG2016—11)

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0014—03

作者簡介:呂 輝(1977-) ， 男，博士，副教授，主要從事微型傳感器研究工作。