呂 輝,許 波

(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué)控制工程省重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作 454000;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)

磁通門(mén)傳感器是一種綜合性能良好的磁測(cè)量器件[1],在地磁研究、空間磁場(chǎng)探測(cè)、航空航天、微型衛(wèi)星、微型無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)技術(shù)發(fā)展所催生出的微型器件中,微型磁通門(mén)因其尺寸小,易集成等等優(yōu)點(diǎn),率先得到了使用。然而微型磁通門(mén)的尺寸雖然得到有效縮減,但性能指標(biāo)也出現(xiàn)了明顯降低。為了更好的推廣微型磁通門(mén),需要分析其性能指標(biāo)的影響因素,尋求提高其綜合性能[2-5]。

目前提升性能的技術(shù)多來(lái)自傳統(tǒng)磁通門(mén),如脈沖激勵(lì)[6],激勵(lì)調(diào)諧[7-8],RTD(Residence Times Difference)方法[9-10]。這些技術(shù)大多通過(guò)改進(jìn)電路等外部因素來(lái)實(shí)現(xiàn),并不適用于微型磁通門(mén)。研究表明,優(yōu)化微型磁通門(mén)鐵芯是一種改進(jìn)自身結(jié)構(gòu)以提高性能的有效方法[11-13]。

本文采用了優(yōu)化后的多孔鐵芯來(lái)提升傳感器性能,對(duì)制備的微型磁通門(mén)進(jìn)行了主要工作參數(shù)及性能指標(biāo)的綜合測(cè)定,分析工作參數(shù)對(duì)微型磁通門(mén)性能指標(biāo)的影響,為傳感器選擇合適的工作參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持。

1 被測(cè)器件與測(cè)試平臺(tái)

前期研究表明,要提升傳感器的綜合性能,應(yīng)當(dāng)從降低漏磁和增加激勵(lì)鐵芯的有效橫截面積著手,對(duì)鐵芯進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[11-13]。鐵芯由傳統(tǒng)的單根結(jié)構(gòu)變?yōu)槎喔Y(jié)構(gòu)可以使鐵芯中磁場(chǎng)分布更均勻,從而增加有效橫截面積,降低激勵(lì)電流;鐵芯由整段變?yōu)槎喽?可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)線圈與激勵(lì)線圈的交替式繞線,使磁場(chǎng)耦合更加緊密,有效降低漏磁通。

經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化,鐵芯演變?yōu)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)。這一鐵芯結(jié)構(gòu)對(duì)功耗、靈敏度、噪聲等重要性能指標(biāo)有明顯的提升效果。對(duì)孔的分布、尺寸等拓?fù)湟蛩剡M(jìn)行對(duì)比分析后,最終方案采用了陣列分布的六角形孔和5∶1的縮小比,平衡主要性能參數(shù)的同時(shí),兼顧了MEMS工藝的要求。

經(jīng)過(guò)微加工工藝所制作出的微型磁通門(mén)及多孔鐵芯部分如圖1(a)和圖1(b)所示,鐵芯采用陣列式分布的六角形孔,鐵芯縮小比為5∶1(縮小比=W1/ΣW2i,即多孔鐵芯的總寬度W1與同一行的各孔孔壁之和ΣW2i的比值,如圖1(c)和圖1(d)所示)。其中微型磁通門(mén)的激勵(lì)線圈對(duì)應(yīng)鐵芯的寬度為1 200 μm,感應(yīng)線圈對(duì)應(yīng)鐵芯寬度為240 μm,因此縮小比為5∶1。鐵芯采用電鍍NiFe合金,厚度 2 μm,激勵(lì)線圈匝數(shù)和感應(yīng)線圈匝數(shù)均為48匝[14]。

圖1 多孔鐵芯微型磁通門(mén)

圖2 簡(jiǎn)易封裝后用于測(cè)試的器件

為方便測(cè)試器件的工作性能,需將微型磁通門(mén)器件簡(jiǎn)易封裝在PCB板上,封裝結(jié)果如圖2所示,磁通門(mén)的焊盤(pán)通過(guò)鋁線引至PCB板上。

微型磁通門(mén)性能測(cè)試平臺(tái)的原理框圖如圖3(a)所示。所需的激勵(lì)信號(hào)由任意信號(hào)發(fā)生器(Agilent 33220A)和功率放大器(NF HSA4011)級(jí)聯(lián)產(chǎn)生。電流表(Agilent 34401A)串聯(lián)在激勵(lì)回路中,測(cè)量激勵(lì)電流的大小。直流電源(Agilent E3610A)激勵(lì)螺線管產(chǎn)生被測(cè)外部磁場(chǎng),螺線管電流大小由電流表指示。微型磁通門(mén)的感應(yīng)線圈兩端與示波器(Agilent 54830D)相連,分析輸出的電壓信號(hào)。實(shí)物圖如圖3(b)所示。

圖3 測(cè)試平臺(tái)

在測(cè)試微型磁通門(mén)傳感器各項(xiàng)指標(biāo)時(shí),為提高結(jié)果的準(zhǔn)確性,在測(cè)試過(guò)程中需要排除外界磁場(chǎng)的影響,尤其是地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)強(qiáng)度大約在50 μT～60 μT,會(huì)給磁通門(mén)的測(cè)試帶來(lái)較大的干擾,因此實(shí)際測(cè)試中多采用磁屏蔽裝置對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽來(lái)模擬零磁空間(磁場(chǎng)強(qiáng)度保持為0 nT的空間)。

本文測(cè)試所使用的磁場(chǎng)屏蔽裝置是磁屏蔽筒,三層結(jié)構(gòu)的磁屏蔽筒如圖4所示。磁屏蔽筒采用坡莫合金材料制成,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地磁場(chǎng)的衰減。外界磁場(chǎng)的磁力線在經(jīng)過(guò)兩種不同磁導(dǎo)率的介質(zhì)時(shí),會(huì)在介質(zhì)交界面上產(chǎn)生磁力線偏折現(xiàn)象,即磁力線會(huì)偏向磁導(dǎo)率高的材質(zhì)。因此,采用多層結(jié)構(gòu)可以逐步降低屏蔽裝置內(nèi)部的磁力線密度,使地磁場(chǎng)在其內(nèi)部不斷衰減,從而得到盡可能接近“零磁場(chǎng)”的內(nèi)部空間,在其中進(jìn)行的測(cè)試可以忽略地磁變化對(duì)傳感器的影響。

圖4 磁場(chǎng)屏蔽筒

屏蔽筒的中心區(qū)域?yàn)榫鶆騾^(qū),該區(qū)域的磁場(chǎng)分布均勻且磁場(chǎng)強(qiáng)度最小,均勻區(qū)內(nèi)對(duì)直流磁場(chǎng)的抑制比一般可以達(dá)到萬(wàn)分之一。由于屏蔽筒的屏蔽效果在軸向方向上較差,因此測(cè)試時(shí)必須將屏蔽筒按照東西方向放置,以保證軸向方向的本底磁場(chǎng)最小,獲得更好的測(cè)試環(huán)境。

測(cè)試時(shí)將產(chǎn)生被測(cè)磁場(chǎng)的螺線管置于屏蔽筒內(nèi),周圍不要放置任何鐵磁物質(zhì),同時(shí)在每次測(cè)試前使用磁強(qiáng)計(jì)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行零位校正。由于日常的環(huán)境中存在大量的電磁干擾,如果條件允許,可以對(duì)測(cè)試地點(diǎn)加以選擇,盡量遠(yuǎn)離電磁干擾源。

2 微型磁通門(mén)的性能指標(biāo)與測(cè)試方法

微型磁通門(mén)的綜合測(cè)試需要對(duì)功耗、靈敏度、噪聲、線性范圍等一系列主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,其主要指標(biāo)與測(cè)試方法如下:

2.1 功耗

功耗是微型磁通門(mén)的重要性能指標(biāo)之一,低功耗有利于解決微型磁通門(mén)的散熱問(wèn)題,增加器件的熱穩(wěn)定性,拓展微型磁通門(mén)的應(yīng)用范圍。微型磁通門(mén)的功耗由輸入阻抗與激勵(lì)電流有效值共同決定,可以通過(guò)測(cè)量磁通門(mén)的輸入電阻以及激勵(lì)電流,并經(jīng)過(guò)式(1)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的功耗值。

P=I2R

(1)

式中:I為激勵(lì)電流的有效值,R為磁通門(mén)的輸入阻抗。

2.2 靈敏度與線性范圍

微型磁通門(mén)的靈敏度和線性范圍是設(shè)計(jì)傳感器要考慮的關(guān)鍵指標(biāo),也是判斷其性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志。根據(jù)磁通門(mén)工作原理,感應(yīng)線圈輸出電壓的二次諧波幅值(輸出量)隨外磁場(chǎng)的變化(輸入量)而變化,兩者在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。因此,本文選擇磁通門(mén)輸出電壓的二次諧波作為對(duì)象,通過(guò)測(cè)試不同外磁場(chǎng)下輸出電壓的二次諧波幅值來(lái)研究磁通門(mén)的靈敏度和線性范圍。

二次諧波幅值的測(cè)量可以使用Agilent Oscilloscope Infiniium 54830D 型示波器來(lái)完成。通過(guò)示波器采集輸出信號(hào)后進(jìn)行FFT變換,提取二次諧波信號(hào)幅值,測(cè)試中示波器的采集模式設(shè)為高分辨率模式。在提取信號(hào)進(jìn)行FFT變換的過(guò)程中,采樣率設(shè)為20 Msample/s,采樣數(shù)設(shè)為1 Msample。進(jìn)行FFT變換后,獲得信號(hào)(頻率為激勵(lì)頻率的2倍)的分貝毫瓦值(單位為dBm)。經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算將示波器上得到的分貝毫瓦值轉(zhuǎn)換為輸出二次諧波幅值。

磁通門(mén)的性能主要受線圈匝數(shù)、鐵芯橫截面積、激勵(lì)頻率、鐵芯性能、激勵(lì)電流等多個(gè)因素影響。本文所測(cè)試的傳感器,由于線圈匝數(shù)等結(jié)構(gòu)因素已經(jīng)確定,因此通過(guò)研究不同的激勵(lì)電流和頻率條件下,輸出電壓的二次諧波幅值隨外磁場(chǎng)的變化曲線,可以得到不同的靈敏度和線性范圍。本文將輸出電壓二次諧波幅值隨外磁場(chǎng)的變化曲線進(jìn)行擬合時(shí),將R-square值大于99%的最大范圍作為傳感器的線性范圍,擬合直線的斜率作為傳感器的靈敏度。

2.3 噪聲

RMS噪聲反映的是采樣帶寬內(nèi)的總噪聲,這一結(jié)果對(duì)于工程應(yīng)用更具價(jià)值。但是對(duì)不同磁通門(mén)的噪聲進(jìn)行比較時(shí),往往其采樣帶寬各不相同,無(wú)法使用RMS噪聲進(jìn)行橫向比較,此時(shí)使用1 Hz噪聲做評(píng)價(jià)指標(biāo)更為合適,因?yàn)樗从车氖切盘?hào)1 Hz處的頻譜密度,對(duì)平穩(wěn)信號(hào)而言,1 Hz噪聲的大小與采樣帶寬和采樣時(shí)間無(wú)關(guān)[15]。

本文選用Tektronix RSA 5103A型頻譜分析儀進(jìn)行了噪聲測(cè)試。該儀器的頻率測(cè)試范圍從1 Hz到3 GHz,分辨率帶寬(RBW)最低可達(dá)0.1 Hz,滿足本文的噪聲測(cè)試需求。

2.4 剩磁誤差

剩磁誤差是磁通門(mén)傳感器受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾后產(chǎn)生的附加誤差,這一誤差會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度。磁通門(mén)的鐵芯中由于缺陷、雜質(zhì)等因素的影響會(huì)存在一些難磁化的部分,當(dāng)施加強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí),這些部分會(huì)繼續(xù)發(fā)生磁化,當(dāng)撤去強(qiáng)磁場(chǎng)后,由于剩下的激勵(lì)磁場(chǎng)較小,不足以使這些部分恢復(fù)原有狀態(tài)。造成的后果是,在強(qiáng)磁場(chǎng)消失后,原有的外磁場(chǎng)方向仍存在一個(gè)“外磁場(chǎng)”,使得磁通門(mén)輸出電壓無(wú)法恢復(fù)正常。

本文在不同的激勵(lì)條件下測(cè)量了磁通門(mén)的剩磁誤差,具體方案為:在磁通門(mén)的被測(cè)磁場(chǎng)方向施加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng),維持一段時(shí)間后,撤去這個(gè)磁場(chǎng)并測(cè)量輸出電壓;然后在相反方向施加同樣大小的強(qiáng)磁場(chǎng),一段時(shí)間后撤去磁場(chǎng)并測(cè)量輸出電壓。兩次輸出電壓的差值稱為剩磁誤差電壓,將剩磁誤差電壓除以靈敏度即為剩磁誤差。

圖5 不同激勵(lì)電流下二次諧波幅值隨外磁場(chǎng)的變化曲線

3 測(cè)試結(jié)果與分析

微型磁通門(mén)的激勵(lì)電流的大小和頻率是主要的工作參數(shù),為了分析它們對(duì)傳感器性能指標(biāo)的影響,以便選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件,本文進(jìn)行了如下的測(cè)試:

3.1 激勵(lì)電流對(duì)靈敏度和線性范圍的影響

為了測(cè)試不同的激勵(lì)電流對(duì)微型磁通門(mén)的靈敏度和線性范圍的影響,采用了500 kHz固定頻率的正弦激勵(lì),激勵(lì)電流有效值分別為60 mA、70 mA、80 mA、100 mA、120 mA。改變外磁場(chǎng)的大小,分別測(cè)試了在以上幾種激勵(lì)電流下,微型磁通門(mén)的輸出電壓二次諧波幅值隨外磁場(chǎng)的變化曲線,如圖5所示。

由圖5可知,當(dāng)激勵(lì)電流大于60 mA以后,磁通門(mén)已經(jīng)可以正常工作,輸出電壓的二次諧波幅值在一定范圍內(nèi)與被測(cè)的外磁場(chǎng)成線性關(guān)系。自60 mA開(kāi)始,隨著激勵(lì)電流的增加,磁通門(mén)的靈敏度和線性范圍都相應(yīng)增大,在電流達(dá)到80 mA之后,已經(jīng)能夠使得微磁磁通門(mén)傳感器有效工作,此時(shí)激勵(lì)電流進(jìn)一步提高,雖然線性范圍仍有一定程度的增大,但靈敏度變化已經(jīng)非常微小。表1中列出了不同大小的激勵(lì)電流下磁通門(mén)的靈敏度和線性范圍。

表1 500 kHz頻率下不同大小的激勵(lì)電流對(duì)應(yīng)的靈敏度和線性范圍

3.2 激勵(lì)頻率對(duì)靈敏度和線性范圍的影響

為了測(cè)試激勵(lì)電流頻率對(duì)微型磁通門(mén)的靈敏度和線性范圍的影響,固定采用80 mA的正弦激勵(lì)電流,激勵(lì)頻率分別為400 kHz、600 kHz、800 kHz、

1 000 kHz、1 200 kHz。改變外磁場(chǎng)的大小,分別測(cè)試了在以上幾種激勵(lì)頻率下,微型磁通門(mén)的輸出電壓二次諧波幅值隨外磁場(chǎng)的變化曲線,如圖6所示。

圖6 不同激勵(lì)頻率下二次諧波幅值隨外磁場(chǎng)的變化曲線

由圖6可知,磁通門(mén)的輸出電壓的二次諧波幅值在一定范圍內(nèi)與被測(cè)的外磁場(chǎng)成線性關(guān)系。隨著激勵(lì)電流頻率的提高,磁通門(mén)的靈敏度會(huì)明顯增大,而線性范圍則略有減小。在電流頻率達(dá)到1 000 kHz之后,如果進(jìn)一步提高激勵(lì)電流頻率,磁通門(mén)靈敏度雖仍有一定程度的增大,但是增大幅度已經(jīng)遠(yuǎn)不如之前明顯,而線性范圍卻有一定程度的縮小。表2列出了不同激勵(lì)頻率下磁通門(mén)的靈敏度和線性范圍。

表2 80 mA電流下不同激勵(lì)頻率所對(duì)應(yīng)的靈敏度和線性范圍

在測(cè)試過(guò)程中,隨著激勵(lì)頻率的提高,鐵芯的渦流效應(yīng)和趨膚效應(yīng)在逐漸加深,這會(huì)帶來(lái)較大的能量損耗,影響磁通門(mén)的性能指標(biāo)和工作效果。另外,隨著激勵(lì)頻率的提高,輸出回路的幅頻特性也會(huì)發(fā)生明顯改變。因此,提高頻率對(duì)提高磁通門(mén)性能的效果會(huì)逐漸減弱。

3.3 噪聲測(cè)試結(jié)果

本文對(duì)微型磁通門(mén)在不同激勵(lì)條件下的1 Hz噪聲和RMS噪聲指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定。測(cè)試參數(shù)如下:中心頻率為激勵(lì)頻率的2倍,分辨率帶寬為0.1 Hz,頻展為100 Hz,實(shí)驗(yàn)時(shí)施加的外磁場(chǎng)為50 μT。

圖7和圖8為微型磁通門(mén)在不同激勵(lì)電流和激勵(lì)頻率下0.125 Hz 到50 Hz范圍內(nèi)的電壓噪聲譜密度。從圖7和圖8中可以看出,在不同的激勵(lì)電流和激勵(lì)頻率下,磁通門(mén)的電壓噪聲曲線比較接近,某些部分重疊在一起,彼此之間相差不大。

圖7 不同激勵(lì)電流下的電壓噪聲譜密度

圖8 不同激勵(lì)頻率下的電壓噪聲譜密度

圖10 不同激勵(lì)頻率下的磁噪聲譜密度

對(duì)電壓噪聲做進(jìn)一步處理,得到不同激勵(lì)條件下磁通門(mén)的磁噪聲譜密度曲線,如圖9和圖10所示,不同的曲線已經(jīng)有了比較明顯的層次區(qū)分。

圖9 不同激勵(lì)電流下的磁噪聲譜密度

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算后,得到不同激勵(lì)條件下磁通門(mén)的1 Hz噪聲和0.25 Hz～10 Hz頻率范圍內(nèi)的RMS噪聲,表3和表4是磁通門(mén)在不同激勵(lì)電流(固定激勵(lì)頻率500 kHz)和不同激勵(lì)頻率(固定激勵(lì)電流80 mA)下的噪聲值。

表3 不同激勵(lì)電流下的磁通門(mén)噪聲

表4 不同激勵(lì)頻率下磁通門(mén)的噪聲

如表3中所示,隨著激勵(lì)電流的增大,噪聲逐漸下降,這主要得益于激勵(lì)電流增大所帶來(lái)的靈敏度提高,另外增大激勵(lì)電流也會(huì)使鐵芯的飽和程度加深,從而有利于降低等效噪聲。如表4所示,隨著激勵(lì)電流頻率的提高,噪聲同樣逐漸下降,這是由于高頻激勵(lì)有利于提高靈敏度,從而降低等效噪聲。

3.4 剩磁誤差與功耗

測(cè)定剩磁誤差選擇用螺線管產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)干擾,磁場(chǎng)強(qiáng)度為10 mT。施加強(qiáng)磁場(chǎng)干擾持續(xù)時(shí)間為10 s,撤去強(qiáng)磁場(chǎng)后,測(cè)量此時(shí)的輸出電壓二次諧波,然后施加反向強(qiáng)磁場(chǎng)干擾10 s,撤去強(qiáng)磁場(chǎng)后,再次測(cè)量輸出電壓二次諧波,將兩次測(cè)得的輸出電壓二次諧波的差值,除以靈敏度即可得到相應(yīng)的剩磁誤差。

圖11(a)為激勵(lì)電流固定100 mA,采用不同激勵(lì)頻率時(shí)的剩磁誤差變化曲線。從圖11(a)可以看出,隨著激勵(lì)頻率的提高,剩磁誤差并沒(méi)有發(fā)生太大的變化。這是由于頻率提高雖然會(huì)帶來(lái)靈敏度的改變,有利于剩磁誤差的降低,但是在這一過(guò)程中,趨膚效應(yīng)同樣會(huì)增強(qiáng),不利于剩磁誤差的降低。兩者共同作用的結(jié)果,最終導(dǎo)致剩磁誤差并沒(méi)有隨頻率的提高發(fā)生明顯改變。

圖11(b)為激勵(lì)頻率固定300 kHz,激勵(lì)電流采用不同有效值時(shí)的剩磁誤差變化曲線。由圖11(b)中可以看出,隨著激勵(lì)電流的增大,磁通門(mén)的剩磁誤差逐漸下降,這是由于激勵(lì)電流的增大使得磁通門(mén)的飽和程度加深,從而能有效降低剩磁誤差。

根據(jù)之前的分析,多孔鐵芯微型磁通門(mén)在采用有效值為80 mA的激勵(lì)電流時(shí),可以保證微型磁通門(mén)正常工作,且各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求。由于激勵(lì)線圈的電阻為6.8 Ω,根據(jù)式(1)計(jì)算可得,這一微型磁通門(mén)在80 mA正弦電流激勵(lì)下的功耗為43.52 mW。

圖11 剩磁誤差的測(cè)定

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)微型磁通門(mén)鐵芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,采用MEMS工藝制備了相應(yīng)器件,對(duì)所得器件進(jìn)行了綜合性能指標(biāo)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果一方面驗(yàn)證了這一優(yōu)化方案的有效性,同時(shí)經(jīng)過(guò)對(duì)不同測(cè)試結(jié)果的對(duì)比,對(duì)影響因素的分析,也得到了工作參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系。

激勵(lì)電流的大小和頻率作為工作參數(shù),對(duì)主要性能參數(shù)的影響很明顯。增大激勵(lì)電流,靈敏度和線性范圍都相應(yīng)增大,在80 mA之后繼續(xù)提高電流,線性范圍仍有一定的增大,但靈敏度增加已不明顯;在電流增大過(guò)程中,噪聲和剩磁誤差都有明顯下降。提高激勵(lì)電流頻率,靈敏度明顯增大,線性范圍略有減小,在1 000 kHz之后繼續(xù)提高,靈敏度仍有小幅增大,而線性范圍有一定縮小;在頻率提高過(guò)程中,噪聲明顯下降,剩磁誤差則無(wú)顯著變化。

以上分析結(jié)論為微型磁通門(mén)選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鲄?shù)提供了支持,有利于后期進(jìn)行合理的外部電路設(shè)計(jì),提升綜合性能。

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