微型正交激勵(lì)磁通門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

郭 博,劉詩斌,楊尚林

(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710129)

?

微型正交激勵(lì)磁通門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

郭 博,劉詩斌*,楊尚林

(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710129)

利用三維電磁場仿真軟件對(duì)線-芯結(jié)構(gòu)微型正交激勵(lì)磁通門進(jìn)行了仿真分析。研究了不同頻率下激勵(lì)線寬度、鐵芯寬度、激勵(lì)線厚度、鐵芯厚度等磁通門結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鐵芯飽和情況的影響。以減小激勵(lì)電流、降低磁通門功耗為目標(biāo),討論了采用線-芯結(jié)構(gòu)的微型正交激勵(lì)磁通門所應(yīng)選擇的結(jié)構(gòu)尺寸。采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)工藝制備了這種結(jié)構(gòu)尺寸的微型磁通門傳感器并對(duì)其進(jìn)行了測試,采用尖脈沖激勵(lì)時(shí),其可以以1.7 mW的超低功耗得到91.6 V/T的輸出靈敏度。

電子科學(xué)與技術(shù);Magnet仿真;微型磁通門;正交激勵(lì)磁通門;低功耗

磁通門傳感器作為一種性能優(yōu)良的磁測量器件,在航向系統(tǒng)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、電流測量、艦船消磁、交通管控、汽車工業(yè)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]。近年來,隨著系統(tǒng)對(duì)傳感器體積、質(zhì)量、功耗等方面要求的不斷提高,基于MEMS工藝的微型磁通門展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿6-7]。利用MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))工藝制備的微型磁通門具有非常小的體積和質(zhì)量,然而磁通門工作在鐵芯飽和狀態(tài)的工作原理決定了其激勵(lì)電流不會(huì)隨著體積的減小而降低。反而由于體積減小會(huì)引起散熱等一系列問題。因此,降低功耗成為微型磁通門亟待解決的一個(gè)問題。除此之外,由于鐵芯橫截面積小,微型磁通門存在著靈敏度較低的問題。一般的做法是通過提高激勵(lì)頻率來提高微型磁通門靈敏度[8]。為解決上述問題,需要對(duì)微型磁通門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。使得鐵芯能夠在很小的激勵(lì)電流下達(dá)到飽和,以降低激勵(lì)電流從而降低功耗;使得鐵芯在較高頻率激勵(lì)下還能保持較高的等效磁導(dǎo)率以提高靈敏度。

基于MEMS技術(shù)的硅基微型磁通門制備周期長、成本高。因此,對(duì)微型磁通門結(jié)構(gòu)進(jìn)行前期仿真優(yōu)化尤為重要。磁通門傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以采用解析方法直接進(jìn)行分析計(jì)算,目前多采用有限元分析方法計(jì)算。Magnet作為一種三維低頻電磁場有限元仿真軟件,能夠較好的對(duì)電磁場問題進(jìn)行仿真分析,常被用作磁通門的分析計(jì)算。Wu等人利用Magnet軟件對(duì)變截面結(jié)構(gòu)微型磁通門鐵芯中的磁場分布進(jìn)行了分析[9];Naser等人也對(duì)變截面積結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析,給出了輸出信號(hào),并對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較[10]。按照激勵(lì)方式區(qū)分,磁通門可以分為平行激勵(lì)磁通門和正交激勵(lì)磁通門,目前廣泛使用的磁通門均為平行激勵(lì)磁通門。上述兩人的仿真也是針對(duì)平行激勵(lì)磁通門的仿真。近年來,正交激勵(lì)磁通門,特別是采用線-芯結(jié)構(gòu)的正交激勵(lì)磁通門重新引起了人們的重視。采用正交激勵(lì)方式,特別是采用線-芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)有[11-13]:結(jié)構(gòu)簡單有利于小型化;輸入電阻小、功耗低;線性測量范圍可以簡單可調(diào);較低的正交場誤差;較高的空間分辨率等。因此,本文以線-芯結(jié)構(gòu)的正交激勵(lì)微型磁通門作為研究對(duì)象。

以降低激勵(lì)電流,提高靈敏度為目標(biāo)對(duì)硅基正交激勵(lì)磁通門進(jìn)行仿真分析。對(duì)鐵芯閉合情況、激勵(lì)線厚度、鐵芯厚度、激勵(lì)線寬度等進(jìn)行了仿真分析與討論?？紤]到微型磁通門需要工作在較高的頻率以提高靈敏度,在仿真分析時(shí)均采用了較低的1 kHz和較高的1 MHz兩種頻率。以仿真結(jié)果作為指導(dǎo),制備了一種硅基正交激勵(lì)微型磁通門傳感器并對(duì)其進(jìn)行了測試。

1 微型正交激勵(lì)磁通門結(jié)構(gòu)

圖1給出了線-芯結(jié)構(gòu)正交激勵(lì)磁通門結(jié)構(gòu)示意圖,它由中心低電阻率的非磁導(dǎo)體(一般為銅線)作為激勵(lì)線,包裹在激勵(lì)線上的軟磁材料作為鐵芯部分,外圈纏繞導(dǎo)線作為感應(yīng)線圈。激勵(lì)線中施加交變電流產(chǎn)生圓周方向磁場,由于中心導(dǎo)體電阻率遠(yuǎn)小于鐵芯部分,大部分電流通過中心區(qū)域,而鐵芯部分與激勵(lì)線之間完全相接所以只需較小的電流就能使得鐵芯飽和。交變飽和狀態(tài)使得鐵芯磁導(dǎo)率發(fā)生周期變化從而調(diào)制軸向的被測外磁場。這時(shí),感應(yīng)線圈兩端就會(huì)產(chǎn)生隨被測外磁場變化的感應(yīng)電壓。磁通門工作時(shí)需要鐵芯進(jìn)入飽和狀態(tài)。因此,為降低磁通門功耗,需要使得鐵芯在小電流下就能進(jìn)入飽和狀態(tài)。

圖1 線-芯正交激勵(lì)磁通門結(jié)構(gòu)示意圖

圓形的激勵(lì)線和鐵芯難以采用MEMS工藝實(shí)現(xiàn)。因此,硅基微型正交激勵(lì)磁通門一般采用方形激勵(lì)線并在其周圍包裹鐵芯(如圖2所示)。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的磁通門來說,激勵(lì)線的厚度和寬度、鐵芯厚度以及鐵芯是否閉合都會(huì)影響到所需激勵(lì)電流大小,進(jìn)而影響磁通門功耗。從微加工工藝的角度出發(fā),線寬越寬,厚度越小的線條越容易制備。因此,我們將線-芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為扁平狀(如圖3所示),然后通過仿真研究激勵(lì)線圈厚度(De)、激勵(lì)線圈寬度(Lc)、鐵芯厚度(Dc)等對(duì)磁通門性能的影響。

圖2 硅基微型正交激勵(lì)磁通門結(jié)構(gòu)

圖3 硅基微型正交激勵(lì)磁通門剖面圖

2 微型正交激勵(lì)磁通門結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)

2.1 鐵芯在圓周方向連續(xù)性對(duì)激勵(lì)線磁通的影響

對(duì)鐵芯在圓周方向閉合和不閉合兩種情況下鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況和磁通隨激勵(lì)電流的變化情況進(jìn)行了仿真。激勵(lì)線的厚度設(shè)定為2 μm,鐵芯厚度設(shè)定為1 μm,長度定為800μm,激勵(lì)頻率設(shè)定為1 kHz。圖4給出了兩種鐵芯激勵(lì)線圈磁通隨激勵(lì)電流的變化。鐵芯不閉合時(shí),其對(duì)圓周方向的激勵(lì)磁場有嚴(yán)重的退磁效應(yīng)。正交激勵(lì)磁通門的激勵(lì)電流使得鐵芯在圓周方向被磁化,當(dāng)鐵芯在圓周方向飽和時(shí),激勵(lì)線上的磁通會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。閉合鐵芯在激勵(lì)電流為60 mA時(shí)已經(jīng)幾乎進(jìn)入飽和狀態(tài)而不閉合鐵芯在激勵(lì)電流為300 mA時(shí)仍未飽和。根據(jù)正交磁通門的工作原理,激勵(lì)線圈磁通隨激勵(lì)電流變化越快意味著相同激勵(lì)頻率下磁通門輸出信號(hào)越強(qiáng),我們相應(yīng)的定義激勵(lì)線圈磁通隨激勵(lì)電流的變化為“等效磁導(dǎo)率”。顯然,閉合鐵芯的等效磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于不閉合鐵芯。因此,保證鐵芯的閉合性尤為重要。為了防止由于微加工工藝對(duì)準(zhǔn)誤差導(dǎo)致鐵芯不閉合,鐵芯寬度應(yīng)大于激勵(lì)線寬度,保證鐵芯在圓周方向連續(xù)。在具體制備過程中,我們選擇鐵芯在每邊長出激勵(lì)線20 μm以保證鐵芯閉合。

圖4 閉合鐵芯和不閉合鐵芯激勵(lì)線圈磁通隨激勵(lì)電流變化

2.2 激勵(lì)銅線厚度對(duì)激勵(lì)線磁通的影響

圖5 1 kHz激勵(lì)電流下不同銅線厚度結(jié)構(gòu)激勵(lì)線圈磁通隨激勵(lì)電流變化情況

增加線-芯結(jié)構(gòu)中激勵(lì)銅線的厚度可以降低磁通門輸入阻抗,從而達(dá)到降低功耗的目的。然而,在我們所采用的這種線-芯結(jié)構(gòu)中,增加激勵(lì)銅線厚度意味著鐵芯將遠(yuǎn)離中心電流,這會(huì)使得激勵(lì)電流對(duì)鐵芯的激勵(lì)作用發(fā)生變化。將鐵芯厚度固定為1 μm,分別采用1 μm、4 μm、10 μm、20 μm 4種厚度的銅線作為激勵(lì)線圈,研究激勵(lì)線圈磁通隨激勵(lì)電流的變化,仿真時(shí)激勵(lì)電流頻率分別選定為1 kHz和1 MHz。圖5給出了激勵(lì)頻率為1 kHz時(shí),采用不同厚度銅導(dǎo)線時(shí),激勵(lì)線圈磁通隨激勵(lì)電流的變化情況。從圖中可以看出,采用不同厚度銅激勵(lì)線基本不會(huì)影響到激勵(lì)線圈磁通的飽和點(diǎn),也就是說不會(huì)影響到磁通門工作所需激勵(lì)電流的大小。然而,增加激勵(lì)線圈厚度后,等效磁導(dǎo)率顯著下降,這將會(huì)影響到激勵(lì)磁通門的靈敏度。圖6給出了激勵(lì)頻率為1 MHz時(shí)的情況,不同厚度的銅線對(duì)激勵(lì)線圈磁通的影響很小。從降低磁通門功耗的角度考慮,較厚的鐵芯電阻更小,傳感器功耗更低。然而,較低的輸入電阻對(duì)驅(qū)動(dòng)電路提出了較高的要求,這是我們不希望看到的。輸入阻抗與功耗成正比關(guān)系而激勵(lì)電流與阻抗成二次關(guān)系,從降低激勵(lì)電流入手降低功耗是更好的選擇。因此,考慮激勵(lì)銅線厚度的選擇應(yīng)從輸入阻抗的要求出發(fā)。

圖6 1 MHz激勵(lì)電流下不同銅線厚度結(jié)構(gòu)激勵(lì)線圈磁通隨激勵(lì)電流變化情況

2.3 鐵芯厚度對(duì)激勵(lì)線磁通的影響

圖7 不同厚度鐵芯在不同頻率下激勵(lì)線圈磁通隨激勵(lì)電流變化情況

增加線-芯結(jié)構(gòu)中鐵芯的厚度可以增加鐵芯橫截面積從而增加磁通門靈敏度。但是,增加鐵芯厚度導(dǎo)致磁通門工作所需電流的增加,這是因?yàn)榫€-芯結(jié)構(gòu)中鐵芯厚度增加使得外層鐵芯遠(yuǎn)離中心導(dǎo)體,需要更大的電流使得整個(gè)鐵芯飽和。增加鐵芯厚度對(duì)降低磁通門功耗造成不利影響。同時(shí),隨著鐵芯厚度的增加,趨膚效應(yīng)和渦流效應(yīng)會(huì)影響磁通門工作頻率的提高。我們仿真分析了在40 mA電流激勵(lì)下1 μm、2 μm、5 μm、10 μm 4種厚度的鐵芯結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況。在仿真的過程中,激勵(lì)線圈的厚度設(shè)定為2 μm。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)磁通門相比較,微型磁通門的一個(gè)劣勢(shì)是靈敏度較低,這是由其鐵芯橫截面積較小,感應(yīng)線圈匝數(shù)較少?zèng)Q定的。由于磁通門的靈敏度與工作頻率成正比,所以提高微型磁通門工作頻率是提高其靈敏度的一個(gè)常用方法。然而,提高頻率之后會(huì)帶來趨膚效應(yīng)和渦流損耗的增加,從而導(dǎo)致磁通門性能下降。從鐵芯磁性能角度考慮,頻率的增加還會(huì)造成鐵芯磁性能下降,同樣導(dǎo)致磁通門性能下降。我們分別采用頻率為1 kHz和1 MHz的電流激勵(lì)4種不同厚度鐵芯,研究鐵芯厚度對(duì)激勵(lì)線磁通的影響。圖7給出了4種厚度鐵芯在1 kHz和1 MHz激勵(lì)頻率下激勵(lì)線圈磁通隨激勵(lì)電流的變化情況。

從圖中可以看出,無論哪種頻率,隨著鐵芯厚度的增加,鐵芯均需要更大的激勵(lì)電流以進(jìn)入飽和狀態(tài)。對(duì)比1 kHz激勵(lì)和1 MHz激勵(lì)時(shí)的情況(實(shí)線和虛線),鐵芯越厚,當(dāng)頻率升高時(shí)其等效磁導(dǎo)率下降越嚴(yán)重。對(duì)于1 μm、2 μm厚度的鐵芯來說,1 kHz的激勵(lì)頻率和1 MHz的激勵(lì)頻率對(duì)等效磁導(dǎo)率和飽和所需要的電流都不會(huì)產(chǎn)生很大影響。而對(duì)于5 μm、10 μm的鐵芯來說,提升頻率會(huì)大幅降低等效磁導(dǎo)率,大幅提升飽和所需電流。只看1 MHz激勵(lì)時(shí)的情況,隨著厚度的增加,鐵芯需要更大的電流使之進(jìn)入飽和狀態(tài)。1 μm厚度的鐵芯在40 mA電流下已經(jīng)進(jìn)入飽和狀態(tài),2 μm鐵芯接近進(jìn)入飽和狀態(tài);5 μm厚的鐵芯需要60 mA以上的電流以進(jìn)入飽和狀態(tài)而10 μm厚度的鐵芯在80 mA激勵(lì)時(shí)仍未進(jìn)入飽和狀態(tài)。同時(shí),隨著厚度的增加,等效磁導(dǎo)率增幅放緩。10 μm鐵芯在起始階段的等效磁導(dǎo)率甚至低于5 μm鐵芯。因此,綜合考慮功耗和靈敏度,對(duì)于需要工作在較高頻段的微型磁通門來說,采用1 μm～2 μm較薄的鐵芯是一種比較好的選擇。

2.4 激勵(lì)線寬度對(duì)激勵(lì)線磁通的影響

除了厚度之外,我們對(duì)不同激勵(lì)線寬度也進(jìn)行了仿真分析。將激勵(lì)線厚度和鐵芯厚度均設(shè)定為1 μm,激勵(lì)線寬度分別設(shè)定為25 μm、50 μm、75 μm和100 μm。仿真分析了激勵(lì)線磁通隨激勵(lì)電流的變化情況。圖8給出了仿真分析的結(jié)果,激勵(lì)頻率分別采用1 kHz和1 MHz。

圖8 不同寬度激勵(lì)線在不同頻率下激勵(lì)線圈磁通隨激勵(lì)電流變化情況

從圖中可以看出,無論在較高或者較低的頻率下,較小的激勵(lì)線寬度都可以使鐵芯在較小的電流下進(jìn)入飽和,并且其等效磁導(dǎo)率較高。這是因?yàn)榫€寬變窄后,單位寬度內(nèi)的電流比較大。從理論上講,應(yīng)采用盡量小的激勵(lì)線寬。本文中為了降低制備工藝難度,將激勵(lì)線寬選擇為50 μm。

3 微型正交激勵(lì)磁通門的制備與測試

在前文分析的基礎(chǔ)上,綜合考慮工藝難度問題,利用MEMS工藝制備了微型正交激勵(lì)磁通門。激勵(lì)線采用電鍍銅,寬度50 μm,厚度1.5 μm,線間距60 μm;激勵(lì)線周圍的軟磁材料采用電鍍Ni79Fe21合金,上下層厚度均為1 μm;感應(yīng)線圈仍為電鍍銅,寬度50 μm,厚度1.5 μm,線間距20 μm,共70匝;上下兩層導(dǎo)線間的鏈接導(dǎo)體采用并聯(lián)的2個(gè)柱狀導(dǎo)體,寬度30 μm,長40 μm,厚度4 μm。各層之間采用聚酰亞胺絕緣,激勵(lì)線和感應(yīng)線圈通過兩端的焊盤引出。為了提高靈敏度,采用4根線-芯結(jié)構(gòu)組成鐵芯陣列,每根鐵芯長度為5 mm,如圖9所示。經(jīng)過測試,此時(shí)的激勵(lì)線圈電阻約為3.6 Ω。

圖9 正交激勵(lì)微型磁通門總體及局部照片

圖10 輸出二次諧波幅值隨激勵(lì)電流變化

將被測外磁場固定為150 μT,激勵(lì)頻率設(shè)定為700 kHz,測試了傳感器輸出二次諧波幅值隨激勵(lì)電流的變化情況,結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?在較高的激勵(lì)頻率下,激勵(lì)電流有效值增加到80 mA(幅值113 mA)以后,二次諧波幅值增加幅度減緩,可以認(rèn)為這時(shí)鐵芯進(jìn)入了深度飽和狀態(tài)。而前文仿真分析中,與所制備傳感器尺寸參數(shù)接近的傳感器在1 MHz的頻率下,60 mA以上的激勵(lì)電流就可以使得鐵芯進(jìn)入深度飽和狀態(tài)。造成這個(gè)差別的主要原因是制備得到鐵芯的磁滯回線性能與仿真采用的磁滯回線性能差距較大,并且Magnet軟件在仿真過程采用的是初始磁化曲線,無法考慮磁滯的影響。

將被測外磁場固定為150 μT,激勵(lì)電流設(shè)定為100 mA(幅值141 mA),測試了各磁通門傳感器輸出二次諧波幅值隨激勵(lì)頻率的變化情況,結(jié)果如圖11所示。根據(jù)前文的仿真結(jié)果,所制備尺寸的傳感器在激勵(lì)頻率1 MHz時(shí),等效磁導(dǎo)率不會(huì)嚴(yán)重下降,而所制備的傳感器在激勵(lì)頻率超過800 kHz之后,二次諧波幅值開始迅速下降,也就是說等效磁導(dǎo)率開始下降。分析認(rèn)為,造成這個(gè)差別的原因與Magnet軟件在仿真過程采用的是初始磁化曲線,無法考慮磁滯的影響,并且Magnet軟件對(duì)頻率增加帶來的影響考慮不周全有關(guān)。

圖11 輸出二次諧波幅值隨激勵(lì)電流變化

圖12 0 μT外磁場時(shí)磁通門輸入輸出

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果,為了提高激勵(lì)頻率從而提高靈敏度,應(yīng)該考慮采用更薄的激勵(lì)銅線厚度和更薄的鐵芯厚度。

采用幅值145 mA(有效值約為22 mA),頻率100 kHz,占空比30%的脈沖信號(hào)對(duì)磁傳感器進(jìn)行激勵(lì),外磁場分別采用0和100 μT。圖12和圖13分別給出了不同外磁場條件下磁通門的輸出情況。圖中,上方曲線表示激勵(lì)電流波形,下方的曲線表示輸出電壓波形?？梢钥闯?在外磁場的作用下,輸出信號(hào)幅值明顯增大。

圖13 100 μT外磁場時(shí)磁通門輸入輸出

根據(jù)磁通門原理,其輸出二次諧波幅值在一定范圍內(nèi)隨外磁場線性變化,因此二次諧波常被選作磁通門輸出信號(hào)。將激勵(lì)頻率提高到700 kHz,其他條件不變,圖14給出了其輸出二次諧波幅值隨被測外磁場變化情況。

圖14 感應(yīng)線圈二次諧波幅值隨外磁場變化情況

其線性范圍為±100 μT,靈敏度為91.6 V/T,根據(jù)公式P=I2R,此時(shí)磁通門的功耗僅為1.7 mW。

4 結(jié)論

本文利用Magnet軟件對(duì)硅基正交激勵(lì)微型磁通門的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)。以降低磁通門激勵(lì)電流、降低功耗、提高靈敏度為目標(biāo),對(duì)正交激勵(lì)磁通門的激勵(lì)線厚度,鐵芯厚度,激勵(lì)線寬度等結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了選擇。在較高的激勵(lì)頻率下,激勵(lì)線厚度對(duì)激勵(lì)電流和等效磁導(dǎo)率影響不大,可根據(jù)對(duì)傳感器輸入阻抗的要求選擇合適的激勵(lì)線厚度;在較高的激勵(lì)頻率下,應(yīng)選擇較薄的鐵芯厚度降低對(duì)激勵(lì)電流的要求;激勵(lì)線的寬度應(yīng)該較窄以降低對(duì)激勵(lì)電流要求;鐵芯寬度應(yīng)大于激勵(lì)線寬度使得鐵芯在圓周方向閉合。制備出一種微型化正交激勵(lì)磁通門,激勵(lì)線厚度為1.5 μm,激勵(lì)線寬度50 μm,鐵芯厚度1 μm,鐵芯寬度90 μm,輸入電阻約為3.6 Ω。采用30%占空比的脈沖信號(hào)激勵(lì)時(shí),其可以在1.7 mW的超低功耗下得到91.6 V/T的二次諧波靈敏度。本文為正交激勵(lì)磁通門的微型化奠定了一定的基礎(chǔ)。

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

[2]Nielsen O V,Brauer P,Primdahl F,et al.A High-Precision Triaxial Fluxgate Sensor for Space Applications:Layout and Choice of Materials[J].Sensors and Actuators a—Physical,1997,59(1-3):168-176.

[3]Magnes W,Diaz-Michelena M.Future Directions for Magnetic Sensors for Space Applications[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(10):4493-4498.

[4]Velasco-Quesada G,Roman-Lumbreras M,Conesa-Roca A,et al.Design of a Low-Consumption Fluxgate Transducer for High-Current Measurement Applications[J].IEEE Sensors Journal,2011,11(2):280-287.

[5]Forslund A,Belyayev S,Ivchenko N,etc.Miniaturized Digital Fluxgate Magnetometer for Small Spacecraft Applications[J].Measurement Science and Technology,2008,19(1):015202.

[6]楊尚林,劉詩斌,郭博,等.鐵芯參數(shù)對(duì)磁通門輸入輸出特性影響分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014,(1):1328-1333.

[7]郭博,劉詩斌,段紅亮,等.微型線圈-鐵芯結(jié)構(gòu)傳感器中聚酰亞胺的低成本刻蝕和平坦化方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013(10):40-47.

[8]Choi S O,Kawahito S,Matsumoto Y,et al.An Integrated Micro Fluxgate Magnetic Sensor[J].Sensors and Actuators a—Physical,1996,55(2-3):121-126.

[9]Wu P M,Ahn C H.Design of a Low-Power Micromachined Fluxgate Sensor Using Localized Core Saturation Method[J].IEEE Sensors Journal,2008,8(3-4):308-313.

[10]Sharafi N,Nekoui M A.Design and Analyzes a New Ring core Fluxgate Sensor[M].New York:IEEE:2009:518-522.

[11]Ripka P,Li X P,Fan J.Multiwire Core Fluxgate[J].Sensors and Actuators a—Physical,2009,156(1):265-268.

[12]Zorlu O,Kejik P,Popovic R S,et al.Fluxgate-Type Magnetic Microsensors for Wide Linear Measuring Range[M].New York:IEEE:2007:11-14.

[13]Ripka P,Billingsley S W.Crossfield Effect at Fluxgate[J].Sensors and Actuators a—Physical,2000,81(1-3):176-179.

郭博(1982-),男,陜西西安人,西北工業(yè)大學(xué)在讀博士,師從劉詩斌教授。研究方向?yàn)槲⑿痛磐ㄩT傳感器的設(shè)計(jì)與制造,2009100072@mail.nwpu.edu.cn;

劉詩斌(1960-),男,河南鞏義人,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(jì)算機(jī)應(yīng)用,liushibin@nwpu.edu.cn。

StructuralDesignofOrthogonalMicro-Fluxgate*

GUOBo,LIUShibin*,YANGShanglin

(School of Electronics and Information,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710000,China)

In this paper,orthogonal micro-fluxgates with wire-core structure were simulated and anlysed by three-dimensional electromagnetic simulation software.The influence of the structure parameters like the width of excitation wire,the width of core,the thickness of excitation wire,the thickness of core on core saturation condition were investigated at different excitation frequency.Reducing excitation current and enhancing sensitivity were taken as the target,then the structure of orthogonal micro-fluxgates with wire-core structure were optimized.The optimized orthogonal micro-fluxgate was fabricated based on MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)technology.When the sensor was excited by pulse current,91.6 V/T sensitivity can be obtained with ultra low power consumption of 1.9 mW.

electronic science and technology;magnet simulation;micro-fluxgate sensor;orthogonal fluxgate;low power consumption

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

2014-03-18修改日期:2014-06-01

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.011

TN402;TM936.2

:A

:1004-1699(2014)07-0910-06