微型磁通門鐵芯結(jié)構(gòu)的拓?fù)浞治雠c優(yōu)化*

呂 輝， 郅富標(biāo)

(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.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?fù)浞治雠c優(yōu)化*

呂 輝1,2， 郅富標(biāo)3

(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.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?fù)浣Y(jié)構(gòu)所取得的效果不同，對(duì)多孔鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)浞治雠c針對(duì)性優(yōu)化，并采用微機(jī)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(jìn)行性能測(cè)試與對(duì)比驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)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?fù)浞治觯?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(diǎn)，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(wèn)題,嚴(yán)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(wèn)題，提高性能[1～5]。

目前的低功耗技術(shù)大多來(lái)自傳統(tǒng)磁通門，如脈沖激勵(lì)技術(shù)[6]，激勵(lì)調(diào)諧的方法[7,8]，停留時(shí)間差(residence time difference，RTD)方法[9,10]等，主要依靠電路等外部因素實(shí)現(xiàn)降低功耗，并不適用微型磁通門。相關(guān)研究表明，對(duì)微型磁通門所用鐵芯進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)所取得的效果不同。

本文對(duì)多孔鐵芯進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化，并采用微機(jī)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(jìn)行性能測(cè)試與對(duì)比，尋求適合的鐵芯結(jié)構(gòu)，以提高器件綜合性能。

1 拓?fù)浞治雠c優(yōu)化方案

對(duì)閉合磁路微型磁通門而言，被測(cè)外磁場(chǎng)為Hx，若對(duì)微型磁通門施加正弦電流ie=Imsinωt作為激勵(lì)，鐵芯內(nèi)部將產(chǎn)生強(qiáng)度為Hmsinωt的磁場(chǎng)，此時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度。

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

(2)

式中μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；D為退磁系數(shù)；l為線圈長(zhǎng)度；N1為激勵(lì)線圈的匝數(shù)。

對(duì)影響Imo的因素進(jìn)行分析，減小Imo即減小(l/N1)/D，對(duì)于微型磁通門而言，這一因素主要由多孔鐵芯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定。通過(guò)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效地減小此項(xiàng)，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(lì)電流這一指標(biāo)評(píng)價(jià)與衡量不同多孔鐵芯對(duì)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(shí)較長(zhǎng)，因此需要對(duì)多孔鐵芯進(jìn)行必要的前期仿真拓?fù)浞治觥７治鲞^(guò)程借助三維電磁有限元仿真軟件Magnet實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不同的多孔鐵芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電磁場(chǎng)的仿真分析與計(jì)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?fù)浞治龅哪繕?biāo)主要針對(duì)孔的形狀和分布兩個(gè)要素進(jìn)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(cuò)式。仿真結(jié)果說(shuō)明：孔的形狀對(duì)微型磁通門的激勵(lì)電流沒(méi)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(lì)電流的增大而增大，并在激勵(lì)電流達(dá)到38mA左右時(shí)，靈敏度達(dá)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(lì)電流略小于交錯(cuò)式分布，更有利于降低功耗；同時(shí)，陣列式分布的靈敏度更優(yōu)。

經(jīng)過(guò)以上拓?fù)鋬?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(yàn)證以上拓?fù)鋬?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(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試加以驗(yàn)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(guò)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(cè)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(duì)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(duì)多孔鐵芯磁性能的影響，制作了交錯(cuò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致。

圖4 不同孔分布的多孔鐵芯

3 測(cè)試與分析

測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示，信號(hào)發(fā)生器和功率放大器用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，被測(cè)磁場(chǎng)通過(guò)直流電源激勵(lì)螺線管產(chǎn)生，與電源串聯(lián)的電流表用于讀取激勵(lì)電流，示波器接微型磁通門的感應(yīng)線圈兩端，測(cè)量輸出電壓。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)遠(yuǎn)離鐵磁物質(zhì)等干擾源。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)原理

采用500kHz固定頻率的正弦激勵(lì)，在外磁場(chǎng)為50μT時(shí)，分別測(cè)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(lì)電流的變化曲線如圖6。可知：不同孔形狀的多孔鐵芯對(duì)應(yīng)的曲線比較相似，鐵芯進(jìn)入飽和時(shí)的激勵(lì)電流非常接近，說(shuō)明孔的形狀對(duì)微型磁通門的飽和激勵(lì)電流沒(méi)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(lì)電流的增大而增大，并在激勵(lì)電流達(dá)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(jìn)入飽和狀態(tài)。

圖6 孔形對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的鐵芯從小橫截面到大橫截面之間存在一個(gè)漸變過(guò)渡區(qū)域，而方孔在這一過(guò)程中其橫截面是突然變化的，沒(méi)有漸變過(guò)渡區(qū)。鐵芯漸變過(guò)渡區(qū)的存在使磁場(chǎng)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(jìn)行激勵(lì)線圈制作時(shí)，往往存在一定的對(duì)準(zhǔn)誤差，如圖7(a)中所示，虛線為激勵(lì)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(lì)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(guò)渡區(qū)，故未飽和區(qū)域的面積較小，而方孔由于沒(méi)有漸變過(guò)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(duì)比幾種不同孔形對(duì)靈敏度的影響，應(yīng)當(dāng)選擇六角孔作為多孔鐵芯的優(yōu)化孔形。

圖7 對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)不同孔形的影響

同樣的測(cè)試條件下，采用交錯(cuò)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(lì)電流的變化曲線如圖8。可知：具有不同孔分布的多孔鐵芯所對(duì)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(lì)電流的增大而增大，并在激勵(lì)電流達(dá)到飽和后，曲線變得平緩，鐵芯進(jìn)入飽和狀態(tài)。孔的分布對(duì)多孔鐵芯微型磁通門的飽和激勵(lì)電流有一定的影響，陣列分布結(jié)構(gòu)在激勵(lì)電流達(dá)到80mA以后基本飽和，而交錯(cuò)分布結(jié)構(gòu)則在激勵(lì)電流達(dá)到90mA后進(jìn)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(cuò)式。分析原因，應(yīng)該是交錯(cuò)式分布對(duì)應(yīng)鐵芯的有效磁路較陣列式略長(zhǎng)造成的影響。綜合考慮，陣列式分布的效果要優(yōu)于交錯(cuò)式分布。因此，選擇陣列分布作為多孔鐵芯的拓?fù)浣Y(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(duì)多孔鐵芯微型磁通門的影響

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)多孔鐵芯微型磁通門進(jìn)行拓?fù)浞治雠c優(yōu)化，并采用MEMS工藝制備了相應(yīng)器件對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，多孔鐵芯采用陣列式分布的拓?fù)浣Y(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(cè)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(duì)降低器件功耗沒(méi)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(biāo)。

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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?yàn)殡娀瘜W(xué)重金屬傳感器。夏善紅(1958-)，女，通訊作者，博士，研究員級(jí)高工，從事生化及電場(chǎng)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(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20126102110031)； 河南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(162300410123)； 河南省高等學(xué)校控制工程重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(KG2016—11)

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0014—03

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