基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的微型磁通門降噪技術(shù)研究

呂 輝，楊慧慧

（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. 河南理工大學(xué) 控制工程省重點學(xué)科開放實驗室，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）

磁通門傳感器是一種綜合性能良好的磁測量器件[1]，在地磁研究、空間磁場探測、航空航天、微型衛(wèi)星、微型無人機等領(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，微型磁通門具有尺寸小、易集成等優(yōu)點，首先得到了應(yīng)用。然而微型磁通門的尺寸雖有效縮減，但器件的噪聲卻明顯增大，這嚴重影響了微型磁通門的正常使用。為了更好地推廣微型磁通門，迫切需要提高其噪聲性能指標的相關(guān)措施[2-5]。

Jeng等[6]采用將輸出信號中的2，4，6，8次諧波相加的方法，使靈敏度增加了2.6倍，1 Hz噪聲從0.5 nT/降低到0.2 nT/。Kubik 等[7]采用輸出調(diào)諧方法改善脈沖激勵磁通門的噪聲特性。但這一方法只適用于傳統(tǒng)磁通門，由于微型磁通門的線圈匝數(shù)少且直流電阻大，因而無法完成很好的調(diào)諧。

鐵芯制備過程中采用應(yīng)力退火和橫向磁場退火方法產(chǎn)生橫向各向異性場，是微型磁通門常用的降噪方法，其本質(zhì)都是通過制備工藝控制磁疇在反復(fù)磁化過程中更容易連貫轉(zhuǎn)動，避免疇壁位移中的不連貫突跳。這些方法無一例外地會增大激勵磁場方向的飽和磁場強度 Hs，從而增大功耗；同時，多數(shù)情況下還會減小敏感方向的磁導(dǎo)率，降低靈敏度[8-10]。

Joisten等[11]采用在垂直于敏感軸的方向施加交流磁場的方法，較大幅度降低了噪聲。這種方法雖然沒有增大飽和磁場強度，也不會使敏感方向的磁導(dǎo)率減小，與橫向各向異性場相比可控性更好，但是需要在器件結(jié)構(gòu)上增加額外的線圈，從而增加了功耗。

研究表明，改進鐵芯的拓撲結(jié)構(gòu)，是微型磁通門噪聲優(yōu)化的有效方式。本文采用了優(yōu)化后的多孔結(jié)構(gòu)鐵芯來降低微型磁通門噪聲，并對制備的微型磁通門進行了噪聲指標的實驗測定，分析了影響噪聲指標的主要因素，為傳感器的進一步改進提供了技術(shù)思路與數(shù)據(jù)支持。

1 噪聲分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

噪聲是評價磁通門性能的重要指標，降低噪聲是提高傳感器分辨率水平的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)磁通門的噪聲主要來源于電磁和形狀尺寸參數(shù)的不對稱，微型磁通門由于使用MEMS工藝進行批量加工，其形狀尺寸參數(shù)的不對稱情況得到了極大的改善，因此微型磁通門噪聲更多來自于電磁不對稱。鐵芯材料的微觀磁性能特別是巴克豪森效應(yīng)，是磁通門的主要噪聲來源。

巴克豪森效應(yīng)是指在磁化曲線的斜率較大的部分上，外磁場強度的微小增量會導(dǎo)致磁感應(yīng)強度的階梯變化，形成巴克豪森跳變。這一階梯變化由磁疇反磁化造成，可以視為一個附加的跳變磁場。除了巴克豪森跳變磁場之外，雜散磁場也是鐵芯內(nèi)磁場的異常項之一，它與摻雜、缺陷和結(jié)晶邊界有關(guān)，同樣會導(dǎo)致鐵芯內(nèi)磁場的不均勻分布。除此之外，鐵芯的各個微段上的各向異性常數(shù)、磁滯伸縮系數(shù)和內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)都存在差異，這會使鐵芯各部分的電磁性能有所不同，從而影響分布磁場的均勻性，使鐵芯的磁通量并不對稱，在感應(yīng)線圈兩端產(chǎn)生輸出噪聲。由于在鐵芯的內(nèi)部噪聲中，巴克豪森噪聲最強，因此減小鐵芯的巴克豪森噪聲成為磁通門降噪的關(guān)鍵。

磁通門的等效噪聲可以用公式（1）表示[11]：

式中：K是退磁系數(shù)；Vd是磁疇體積；nc是相互作用磁疇的數(shù)量；V是鐵芯的體積；f是激勵頻率；T是積分時間（兩倍噪聲帶寬的倒數(shù)）；Bs是鐵芯的飽和磁感應(yīng)強度。

由式（1）可知，磁通門等效噪聲磁場與鐵芯體積V的平方根和激勵頻率f的平方根成反比。對微型磁通門，激勵頻率f可以適當提高，但尺寸減小所造成的體積V減小幅度更大，僅靠提高激勵頻率無法解決微型磁通門噪聲增大的問題。另一方面，磁通門的噪聲與鐵芯磁疇體積Vd的平方根、相互作用的磁疇數(shù)量nc的平方根以及由鐵芯形狀決定的退磁系數(shù)K成正比，這些因素對小體積條件下降低微型磁通門的噪聲至關(guān)重要。

若鐵芯截面積為常數(shù)，激勵線圈匝數(shù)為N1，激勵電流 Ie=Imsinωt，鐵芯由于退磁效應(yīng)會產(chǎn)生退磁場，受退磁場影響，鐵芯內(nèi)部實際磁場強度為Hin：

式中：μr為相對磁導(dǎo)率；l為線圈長度。

由以上分析可知，降低退磁系數(shù)K對降低噪聲和提高激勵磁場都有明顯的影響，因此，在使用MEMS標準工藝的前提下，通過對鐵芯的結(jié)構(gòu)進行分析優(yōu)化，減小鐵芯的退磁系數(shù)K是降低噪聲的重要途徑。

本文從以上理論出發(fā)，經(jīng)過有限元分析軟件Magnet的優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)細而長的鐵芯退磁系數(shù)小，而管形鐵芯的退磁系數(shù)更小。當進行多根圓管形鐵芯的組合可以構(gòu)成有效截面積大、退磁系數(shù)小的鐵芯，此時其橫截面呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)。因此，驗證了采用多孔結(jié)構(gòu)鐵芯，并通過優(yōu)化孔的拓撲排列，是降低噪聲的一種可行方法，進而設(shè)計了具有多孔鐵芯這一結(jié)構(gòu)的器件方案，進行降噪技術(shù)分析與研究。

為了對比多孔結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)縮比結(jié)構(gòu)這兩種微型磁通門的噪聲性能差異，驗證多孔鐵芯拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的效果，在相同的工藝條件下制作了這兩種微型磁通門，其顯微照片如圖1所示。其中縮比結(jié)構(gòu)磁通門的繞線采用激勵線圈和感應(yīng)線圈分區(qū)域繞線的方式，縮比結(jié)構(gòu)鐵芯的中間部分的橫截面積較小，用于設(shè)置感應(yīng)線圈，兩端部分的橫截面積大，用于設(shè)置激勵線圈。多孔鐵芯磁通門則采用激勵線圈和感應(yīng)線圈交替繞線方式，將激勵線圈設(shè)置在鐵芯橫截面積大的無孔位置，感應(yīng)線圈設(shè)置在橫截面積小的有孔位置。

多孔鐵芯微型磁通門的鐵芯采用優(yōu)化后的拓撲結(jié)構(gòu)，即采用陣列式分布的六角形孔和5:1的縮小比例。為保證對比的有效性，兩種微型磁通門的激勵線圈對應(yīng)鐵芯部分的寬度均為 1200 μm，感應(yīng)線圈對應(yīng)鐵芯部分的寬度均為240 μm，兩者的縮小比例相同，均為 5:1。鐵芯的材質(zhì)為相同條件下的電鍍NiFe合金，厚度均為2 μm。兩種微型磁通門的激勵線圈匝數(shù)和感應(yīng)線圈匝數(shù)均為48匝[12]。

圖1 兩種不同結(jié)構(gòu)的微型磁通門Fig.1 Two micro fluxgates with different structures

為便于測試，將微型磁通門器件進行簡易封裝，封裝結(jié)果如圖2所示。

2 噪聲指標的測試平臺與測試方案

2.1 噪聲測試平臺

微型磁通門噪聲測試平臺如圖3所示。激勵信號由任意信號發(fā)生器和功率放大器級聯(lián)產(chǎn)生。電流表串聯(lián)在激勵回路中測量激勵電流。直流電源接螺線管，以產(chǎn)生被測磁場，螺線管電流大小由電流表測量并調(diào)節(jié)。

圖2 測試器件Fig.2 Test device

圖3 測試平臺Fig.3 Test platform

在進行微型磁通門噪聲測試時，為確保測試結(jié)果的準確，在測試中應(yīng)消除外界磁場的影響，其中地磁場強度為50～60 μT，會給測試帶來較大的干擾，因此多采用一定的屏蔽裝置對地磁場加以屏蔽。比如本文所用的磁屏蔽筒，如圖4所示。采用坡莫合金材料制成的磁屏蔽筒，能夠?qū)崿F(xiàn)對地磁場的衰減。由于磁力線經(jīng)過兩種不同磁導(dǎo)率的介質(zhì)時，會產(chǎn)生磁力線偏折，即磁力線會偏向磁導(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，使地磁場在其內(nèi)部不斷衰減，從而盡可能得到零磁空間，忽略地磁變化對測試結(jié)果的影響。測試時將屏蔽筒東西方向放置，以保證軸向方向的本底磁場最小。將產(chǎn)生被測磁場的螺線管置于屏蔽筒內(nèi)，周圍不要放置任何鐵磁物質(zhì)，同時在每次測試前使用磁強計進行零位校正。

圖4 磁場屏蔽筒Fig.4 Magnetic shield cylinder

2.2 噪聲測試方案

對磁通門的噪聲進行評價主要用到1 Hz噪聲和RMS噪聲兩個指標[13]。1 Hz噪聲是指在頻譜分析時距離中心頻率 1 Hz處所對應(yīng)的噪聲值，其單位為nT/√Hz，RMS噪聲則是指在一定采樣帶寬內(nèi)的總噪聲，其單位多采用nT。

由于RMS噪聲反映的是采樣帶寬內(nèi)的總噪聲，這一結(jié)果對于工程應(yīng)用更具價值。但是對不同磁通門的噪聲進行比較時，往往其采樣帶寬各不相同，無法使用RMS噪聲進行橫向比較，此時使用1 Hz噪聲做評價指標更為合適，因為它反映的是信號 1 Hz處的頻譜密度，對平穩(wěn)信號而言，1 Hz噪聲的大小與采樣帶寬和采樣時間無關(guān)[13]。

對于較低激勵頻率的磁通門噪聲測試，可以使用示波器的頻譜分析功能完成。（比如使用 Agilent Oscilloscope Infiniium 54830D型示波器可以對 10 kHz激勵頻率下的噪聲進行測試）。對于本文所涉及的微型磁通門，由于其激勵頻率較高，一般在數(shù)百kHz以上，已經(jīng)超出了示波器的測試范圍，為此適合選用頻譜分析儀，對所制備的微型磁通門進行噪聲測試。

Tektronix RSA 5103A型頻譜分析儀的頻率測試范圍從1 Hz到3 GHz，分辨率帶寬（RBW）最低可達0.1 Hz，完全可以滿足本文的噪聲測試需求。本文使用Tektronix RSA 5103A型頻譜分析儀提供的噪聲功率譜測試功能（Noise Markers），設(shè)定好中心頻率、分辨率帶寬、頻展范圍等參數(shù)后，能直接獲得噪聲功率譜密度，單位為dBm。經(jīng)式(3)計算后，可得到噪聲電壓譜密度Vden。

式中，N為頻譜分析儀的噪聲功率譜密度測量結(jié)果（單位為dBm）。將噪聲電壓譜密度Vden除以對應(yīng)的微型磁通門的靈敏度，可以得到磁噪聲譜密度，至此可以得到1 Hz噪聲。對于RMS噪聲則需要在某一帶寬下對噪聲功率譜密度進行積分，得到的結(jié)果開方后除以相應(yīng)的靈敏度后，獲得RMS噪聲值。

3 噪聲測試結(jié)果與分析

本文對微型磁通門在不同激勵條件下的1 Hz噪聲和RMS噪聲指標進行了測試，測試參數(shù)如下：中心頻率為激勵頻率的2倍，分辨率帶寬0.1 Hz，頻展100 Hz，實驗時施加外磁場為50 μT。

圖5和圖6為微型磁通門在不同激勵電流和激勵頻率下0.125 Hz到50 Hz范圍內(nèi)的電壓噪聲譜密度。從圖5和圖6中可以看出，在不同的激勵電流和激勵頻率下的磁通門的電壓噪聲曲線非常接近，某些部分明顯重疊在一起，相差不大。

圖5 不同激勵電流的電壓噪聲譜密度Fig.5 Voltage noise spectral density of different excitation currents

圖6 不同激勵頻率的電壓噪聲譜密度Fig.6 Voltage noise spectral density of different excitation frequencies

對電壓噪聲做進一步處理，得到不同激勵條件下磁通門的磁噪聲譜密度曲線，如圖7和圖8所示，不同的曲線層次清晰，已經(jīng)有了明顯的區(qū)分。

圖7 不同激勵電流的磁噪聲譜密度Fig.7 Magnetic noise spectral density of different excitation currents

圖8 不同激勵頻率的磁噪聲譜密度Fig.8 Magnetic noise spectral density of different excitation frequencies

經(jīng)過進一步計算后，得到不同激勵條件下磁通門的1 Hz噪聲和0.25～10 Hz頻率范圍內(nèi)的RMS噪聲，表1和表2是磁通門在不同激勵電流（固定激勵頻率 500 kHz）和不同激勵頻率（固定激勵電流80 mA）下的噪聲值。

表1 不同激勵電流的磁通門噪聲Tab.1 Fluxgate noise of different excitation currents

表2 不同激勵頻率下磁通門的噪聲Tab.2 Fluxgate noise of different excitation frequencies

如表1中所示，激勵電流增大，傳感器噪聲逐漸下降，這主要是由于激勵電流增大帶來的靈敏度提高和鐵芯飽和程度加深，這兩者都有利于降低等效噪聲。如表2中所示，隨著激勵電流頻率的提高，噪聲同樣逐漸下降，這是由于高頻激勵有利于提高靈敏度，從而降低等效噪聲。

為了比較多孔結(jié)構(gòu)鐵芯和縮比結(jié)構(gòu)鐵芯對微型磁通門性能的影響，在500 kHz固定頻率的正弦激勵，外磁場為40 μT的條件下，分別測試了文中制備的兩種不同鐵芯結(jié)構(gòu)的微型磁通門，表3中列出了這兩種結(jié)構(gòu)磁通門的1 Hz噪聲。對比結(jié)果顯示，多孔鐵芯微型磁通門的噪聲相對于縮比結(jié)構(gòu)有明顯降低。在100 mA激勵電流下，多孔結(jié)構(gòu)微型磁通門相對于縮比結(jié)構(gòu)微型磁通門，1 Hz噪聲降低為原來的57%。

為充分說明多孔結(jié)構(gòu)磁通門的降噪效果，與微型磁通門方面的其他研究結(jié)果也做了一定的對比，如Drljaca等[14]所制作的微型磁通門在±50 μT線性范圍內(nèi)，激勵電流為100 mA，激勵頻率為500 kHz時，1 Hz噪聲為70 nT。多孔的噪聲情況具有明顯的優(yōu)勢。綜合以上分析，多孔結(jié)構(gòu)磁通門的降噪效果比較明顯，是一種可行的方法。

表3 磁通門噪聲的對比Tab.3 Noise contrast of fluxgate noise

4 結(jié)論

本文通過對微型磁通門的鐵芯結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，采用微加工工藝制備了不同的測試器件，文中進行的性能測試實驗顯示，這一結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案對降低微型磁通門噪聲是非常有效的。同時，經(jīng)過對不同噪聲測試結(jié)果的對比，并分析噪聲的影響因素，有助于為微型磁通門選擇合理的工作參數(shù)，提升整體性能指標。

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