曲折型微機(jī)電正交磁通門傳感器有限元仿真分析*

閆麗麗,支紹韜,郭 磊,馮 竹,雷 沖,周 勇

(1.上海交通大學(xué),上海 200240;2.電子信息與電氣工程學(xué)院微納電子學(xué)系,上海 200240;3.薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

本文設(shè)計(jì)了一種多匝曲折型磁芯結(jié)構(gòu)的微型螺線管正交磁通門傳感器,傳感器結(jié)構(gòu)可利用MEMS制備工藝制造實(shí)現(xiàn)。利用三維電磁場(chǎng)有限元仿真軟件對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析,并探討了曲折結(jié)構(gòu)磁芯匝數(shù)對(duì)于微型正交磁通門傳感器性能的影響。

1 磁通門及正交型磁通門的原理

1.1 磁通門工作原理

磁通門原理是利用飽和磁芯磁性的非線性特性,使用激勵(lì)磁場(chǎng)調(diào)制外磁場(chǎng)從而檢測(cè)外磁場(chǎng)。它的一般結(jié)構(gòu)是在一根軟磁磁芯上纏繞激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈。對(duì)一個(gè)磁通門傳感器傳感器探頭,激勵(lì)線圈和接收線圈的有效匝數(shù)分別為N1和N2,含有的單根磁芯由軟磁材料制作,其橫截面積為A,磁導(dǎo)率為μ,激勵(lì)線圈在磁芯上建立的激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度為H～。

由于磁芯磁化曲線的非線性,激勵(lì)磁場(chǎng)瞬時(shí)值變化會(huì)引起磁導(dǎo)率隨之變化。所以,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,接收線圈上所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為:

(1)

當(dāng)對(duì)磁芯同時(shí)施加交流激勵(lì)磁場(chǎng)H～和直流環(huán)境磁場(chǎng)H0時(shí),可以證明只要磁芯磁導(dǎo)率隨激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度而變,對(duì)磁芯磁導(dǎo)率進(jìn)行傅立葉展開,感應(yīng)電壓Vi中就會(huì)出現(xiàn)僅隨環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度H0而變的偶次諧波增量Vi(H0)。

Vi(H0)=-2πf1N2AH0[2μ2msin(4πf1t)+
4μ4msin(8πf1t)+6μ2msin(12πf1t)+…]

(2)

當(dāng)磁芯處于周期性過飽和工作狀態(tài)時(shí),Vi(H0)將顯著增大。顯然,可以利用這種物理現(xiàn)象測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)。因?yàn)槎沃C波幅值在偶次諧波中最大,所以通常采用二次諧波檢測(cè)方法從Vi(H0)中提取二次諧波項(xiàng)作為與被測(cè)磁場(chǎng)相關(guān)的磁通門輸出信號(hào),這樣可以獲得簡(jiǎn)單直觀的線性關(guān)系。

1.2 正交磁通門工作原理

正交磁通門是除平行磁通門外另一種常見結(jié)構(gòu),如圖1,主要由鐵磁材料制成的磁芯以及纏繞在外的感應(yīng)線圈組成[10]。它的特點(diǎn)是激勵(lì)磁場(chǎng)和被測(cè)外磁場(chǎng)相互垂直,交流高頻電流通過磁芯后形成交流磁場(chǎng),鐵磁材料的磁導(dǎo)率受外磁場(chǎng)調(diào)制,隨交流頻率的變化而變化,引起感應(yīng)部分磁通量的變化,最終在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓[15]。

圖1 正交磁通門工作原理圖

圖2 磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 仿真模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)

2.1 三種磁芯結(jié)構(gòu)

本文使用MAGNET有限元仿真軟件進(jìn)行仿真,設(shè)計(jì)的復(fù)合多磁芯微型正交激勵(lì)磁通門結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。這種微型正交激勵(lì)磁通門激勵(lì)部分為多個(gè)磁芯,呈S型排列在同一平面上,首尾相連。每個(gè)磁芯厚度為25 μm,寬度為300 μm,長(zhǎng)度為8 000 μm。平行排列的兩根磁芯之間相距150 μm。為了使感應(yīng)線圈與磁芯耦合更緊密,感應(yīng)線圈采用三維螺線管結(jié)構(gòu),將磁芯結(jié)構(gòu)包裹在中間,如圖3。綜合實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),感應(yīng)線圈匝數(shù)設(shè)置為72匝。

圖3 激勵(lì)-感應(yīng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 有限元模型網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)定

仿真實(shí)驗(yàn)中模型網(wǎng)格劃分的大小對(duì)仿真結(jié)果有較大影響,單位網(wǎng)格越細(xì)小則模型越平滑,運(yùn)算結(jié)果越準(zhǔn)確,另一方面仿真運(yùn)算速度更低。綜合考慮,將磁芯最大單元尺寸設(shè)置為30 μm,感應(yīng)結(jié)構(gòu)最大單元尺寸由系統(tǒng)自動(dòng)劃分。網(wǎng)格劃分后的激勵(lì)-感應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 磁通門仿真模型網(wǎng)格劃分

圖5 磁芯材料磁化曲線

3 仿真結(jié)果與討論

3.1 磁芯的激勵(lì)磁場(chǎng)分析

本文選取的磁芯材料材料為Alloy 49007,感應(yīng)線圈材料為Copper:5.77e7 Siemens/meter。Alloy 49007的磁化曲線如圖5,BS=1.398。文獻(xiàn)[16]認(rèn)為,磁通門的最佳激勵(lì)磁場(chǎng)為:

(3)

式中:Hm0為激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度,Hs為實(shí)際磁芯的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度值,它受磁芯的退磁效應(yīng)影響。

對(duì)磁芯通入交流電電壓激勵(lì),交流電頻率f為105Hz。三種不同結(jié)構(gòu)磁通門分別取電壓幅值為0.1 V、1.3 V和2.5 V時(shí),從磁場(chǎng)強(qiáng)度分布結(jié)果來看磁芯基本接近最佳激勵(lì)狀態(tài),磁芯磁化狀態(tài)如圖6。

圖6 三種磁芯最佳激勵(lì)狀態(tài)

3.2 三種匝數(shù)的輸出信號(hào)對(duì)比

圖7顯示了電壓響應(yīng)隨環(huán)境磁場(chǎng)(0～1 500 μT)變化的曲線。由圖中可以看出,隨著磁芯匝數(shù)的增加,二次電壓明顯增大,磁通門靈敏度也顯著增大。如圖 8所示,單匝磁芯靈敏度為 0.011 1 mV/μT,三匝磁芯靈敏度為0.053 0 mV/μT,五匝磁芯靈敏度為0.071 4 mV/μT。結(jié)果顯示,靈敏度的增長(zhǎng)率隨著匝數(shù)的增加減少。這和仿真軟件中,磁場(chǎng)的分布并不十分均勻有很大關(guān)系。MAGNET軟件中,環(huán)境磁場(chǎng)由導(dǎo)電線圈中通入電流產(chǎn)生,通常越偏離環(huán)境磁場(chǎng)中心位置,磁場(chǎng)強(qiáng)度越弱。因此磁芯匝數(shù)較多時(shí),整體磁芯磁場(chǎng)響應(yīng)的不均勻性更加明顯,靈敏度的增長(zhǎng)率相應(yīng)降低。

圖7 二次電壓隨環(huán)境磁場(chǎng)變化曲線

圖8 靈敏度隨磁芯匝數(shù)變化曲線

圖7同時(shí)顯示了三種結(jié)構(gòu)的磁通門的線性范圍:單匝磁芯的線性范圍是0～500 μT,三匝磁芯的線性范圍是0～800 μT,五匝磁芯的線性范圍是0～1 000 μT。顯然,隨著磁芯匝數(shù)的增加,電壓響應(yīng)曲線的線性范圍逐漸增大。這是因?yàn)殡S著磁芯匝數(shù)增加,磁芯總體橫截面積增大,磁通門整體達(dá)到飽和的磁通率也隨之增大。

最佳激勵(lì)電流可用來衡量磁通門的功耗[17]。本文采用交流電電壓激勵(lì),當(dāng)交流電電壓幅值分別為0.1 V、1.3 V和2.5 V時(shí),三種磁通門的磁芯基本接近最佳激勵(lì)。顯然,隨著磁芯匝數(shù)的增加,磁通門的功耗顯著增大。

4 結(jié)論

本文基于MAGNET有限元分析軟件,對(duì)多匝曲折型磁芯結(jié)構(gòu)的正交磁通門進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著磁芯匝數(shù)的增加,靈敏度顯著增大,二次電壓響應(yīng)曲線線性范圍也有明顯增大。因此,該種多匝曲折型磁芯結(jié)構(gòu)有效改善了傳統(tǒng)正交磁通門靈敏度較低的問題。但是,這種結(jié)構(gòu)也不可避免的增大了器件的體積和功耗,不利于器件的微型化和散熱。在接下來的工作中,我們將努力探討如何將該種磁芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用到更小尺寸磁通門器件中,并進(jìn)一步降低器件功耗。