低功耗微型磁通门的制备与分析*

吕　辉，李随源(1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454000；2.西北工业大学电子信息学院，西安710129；.焦作师范高等专科学校理工学院，河南焦作454000）



低功耗微型磁通门的制备与分析*

吕辉1，2*，李随源3
(1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454000；2.西北工业大学电子信息学院，西安710129；3.焦作师范高等专科学校理工学院，河南焦作454000）

摘要：针对微型磁通门传感器降低功耗的要求，利用标准MEMS工艺制备了具有多孔结构铁芯的微型磁通门传感器。经过对器件的测试与分析，这一结构的铁芯能够降低器件功耗，提高传感器的整体性能。通过比较不同多孔铁芯对磁通门最佳激励电流的影响，综合考虑器件性能和制备工艺的要求，确定了最佳的设计参数。关键词：多孔铁芯；微型磁通门；MEMS；低功耗

磁通门传感器是一种具有良好综合性能的弱磁场测量器件［1］，在航空航天、地球物理、生物磁场检测等领域有着广泛应用。得益于近年来MEMS （Micro Electro-Mechanical Systems）技术的提高，微型磁通门因其尺寸小，易于集成的优点逐渐受到关注。微型磁通门虽然缩减了器件的尺寸，但由于其必须工作在饱和激励下，因此整体功耗并没有因尺寸减小而得到明显降低，相反由于散热面积变小，导致工作过程中所释放热量更为集中，从而带来严重的散热问题，影响了片上系统的热稳定性。因此微型磁通门目前急需解决的问题是降低功耗［2-5］。

目前的降低功耗的方法大多是借助外部电路实现，存在很多问题。比如脉冲激励技术［6］，保持激励电流峰值的同时，减小其脉冲宽度，从而降低激励电流的有效值，这一方法虽然有效，但会降低器件的灵敏度并使噪声增大，同时也影响了整个系统的电磁兼容性。激励调谐的方法可降低功耗而不增大剩磁误差［7，8］，但是整个调谐过程非常困难，不易采用。RTD（Residence Times Difference）磁通门，可以降低功耗，但会增大剩磁误差，且仅限在低频范围应用［9，10］。本文从优化微型磁通门的铁芯结构入手，寻求更为有效的降低功耗的方法，通过对低功耗微型磁通门进行制备与分析，比较不同多孔铁芯对磁通门最佳激励电流的影响，综合考虑器件参数和制备工艺的要求，确定最佳的设计参数，以提高微型磁通门的整体性能。

1　理论分析

闭合磁路微型磁通门当施加正弦激励电流ie= Imsin（ωt）时，铁芯内部产生磁场强度为Hmsin（ωt）的磁场，若被测磁场为Hx，则磁通门的输出电压u为：

式中，N2为感应线圈匝数；μ为铁芯的磁导率；S为铁芯的横截面积；α3=π-α2，α4=π-α1，α5=π+α1，α6=π+α2，α7= 2π-α2，α8=2π-α1。

将式（1）展开成傅里叶级数并化简可得微型磁通门输出的二次谐波幅值U2m为：

式中，HS为铁芯材料的饱和磁场强度。使微型磁通门获得最大灵敏度的激励磁场，其幅值称为最佳激励磁场，定义微型磁通门输出二次谐波的灵敏度G2为，当Hx=0时，U2m对Hx的导数：

由微型磁通门的工作原理可知，Hm≥HS。当Hm取最小值HS或者趋于无穷时，G2为0。令G2对Hm的导数为零，可得最佳激励磁场幅值为：

此时G2对应的极大值即为最大灵敏度：

使铁芯内部产生最佳激励磁场的激励电流称为磁通门的最佳激励电流。设铁芯的截面积为常数，激励线圈的匝数为N1，激励电流为ie=Imsin（ωt），考虑铁芯的退磁效应，受退磁场影响后铁芯内部实际磁场强度幅值为：

式中：μr为相对磁导率；D为退磁系数；l为线圈长度；N1为激励线圈的匝数；Hem为不考虑铁损时，激励电流产生的磁场强度幅值。由式（2）~式（18）可得：

最佳激励电流分为两部分，第1部分电流用来产生所需的最佳激励磁场，第2部分电流用来克服退磁效应。要减小最佳激励电流的目的，应当从降低第2部分电流值着手［11］。

分析式中的各影响因素发现，减小μr虽然能够降低最佳激励电流，但是同时会造成灵敏度的降低，故而不宜采用；Hs主要由材料性质决定；（l/N1）D则主要由磁通门的结构决定。

根据以上分析，磁通门的改进可以从材料性能提升和结构优化两方面入手，达到降低功耗、提升性能的目的。本文着重通过优化结构设计，来减小最佳激励电流，达到降低功耗的目的。经有限元分析，采用多孔结构铁芯能够提高感应线圈对应铁芯部分的细长比，明显减小退磁系数D，同时有利于增加激励线圈对应铁芯部分的有效横截面积，从而实现磁通门的功耗降低［12］。为验证这一优化结构，可通过加工制备实际MEMS器件并加以测试。

2　微型磁通门的制备

优化铁芯结构是提高磁通门性能的有效方法，具有多孔结构铁芯的微型磁通门的MEMS工艺制备流程可分为以下步骤，如图1所示。

图1　工艺流程

准备阶段1~3：①选择500 μm厚度的4寸硅片作为基底，硅片表面有300 nm厚的SiO2层绝缘层。②采用剥离工艺溅射制备50 nm厚度的Ti过渡层。③通过磁控溅射工艺沉积150 nm厚度的电镀Cu种子层（图1（a））。

制作底层线圈4~6：④光刻套刻工艺，光刻胶（AZ4620）厚度约为5 μm；电镀Cu工艺制备得到底层线圈，厚度4 μm（图1（b））。⑤光刻套刻工艺，光刻胶（AZ4620）厚度约为5 μm；采用电镀工艺制备4 μm厚度上下层连接铜柱（图1（c））。⑥湿法刻蚀电镀Cu种子层。

铁芯制作7~9：⑦在底层线圈上旋涂聚酰亚胺作为绝缘层和保护层，然后升温固化。⑧对聚酰亚胺表面进行氮离子轰击处理，增加粘附性，然后溅射100 nm厚Cu种子层。⑨光刻套刻工艺，电镀NiFe得到铁芯，厚度为1 μm（图1（d））。

制作上层线圈10~13：⑩旋涂聚酰亚胺绝缘/保护层；升温固化后，采用RIE刻蚀工艺，将连接铜柱上的聚酰亚胺层除去。ÊIS对聚酰亚胺表面进行氮离子轰击处理，增加粘附性。溅射Cu种子层，厚度为150 nm。ÊIT光刻套刻后，电镀Cu得到高出铁芯平面的上下层连接铜柱（图1（e））。ÊIU光刻套刻后，电镀Cu得到上层线圈，厚度为4 μm（图1（f））。

制作焊盘及划片槽14~15：ÊIV光刻套刻后，电镀Cu制备焊盘，厚度为4 μm（图1（g））。ÊIW旋涂聚酰亚胺绝缘/保护层；湿法刻蚀掉焊盘和划片槽上的聚酰亚胺；然后升温固化（图1（h））。

后期处理16~18：ÊIX测试。ÊIY划片。ÊIZ封装。

图2　微型磁通门部分结构的照片

微型磁通门部分结构如图2所示，多孔铁芯的孔形状为六边形，呈阵列式排布。不同尺寸的孔会对功耗产生不同的影响［13］，为了找到合适的孔径参数，制备过程完成了几种不同孔径的多孔铁芯微型磁通门以便对比。多孔铁芯的结构示意如图3所示，多孔铁芯宽度W1与同一行的各孔孔壁之和SW2i的比值为铁芯的缩小比，即缩小比=W1/SW2i。

图3　多孔铁芯结构示意图

制备得到的4种不同的多孔铁芯，其显微照片如图4所示。4种结构中的最大宽度W1均为1 200 μm，最小宽度SW2i依次为400 μm、300 μm、240 μm、200 μm，因此4种结构的缩小比依次为3∶1，4∶1，5∶1，6∶1。

图4　不同缩小比的多孔铁芯

3　测试与分析

测试系统原理框图如图5所示。任意信号发生器和功率放大器级联产生激励信号用于激励磁通门。为了测量激励电流，在激励电路上串联一个电流表。被测外部磁场由直流电源激励螺线管产生，为了标定被测磁场的大小，可在螺线管前串联电流表测试螺线管电流。线圈放置应远离铁磁物质，以防止干扰。测试前用磁强计对螺线管内磁场进行零位校准。微型磁通门的感应线圈两端接示波器，分析输出的电压信号。

图5　测试系统原理框图

使磁通门的铁芯内部产生最佳激励磁场的激励电流称为最佳激励电流。最佳激励电流越小，意味着磁通门的功耗越小。因此可以通过最佳激励电流这一指标衡量几种多孔结构磁通门的功耗高低。

多孔结构铁芯的缩小比不同，会对最佳激励电流产生不同的影响，为此在相同的外磁场下，对几种不同的多孔铁芯磁通门进行了测试与比较。图6给出了在被测外磁场为50 μT，采用300 kHz固定激励的情况下，四种微型磁通门的输出电压二次谐波幅值随激励电流的变化。如图6所示，输出电压的二次谐波幅值随着激励电流的增大而呈现先增大后饱和的趋势，曲线趋于饱和处的拐点所对应的激励电流即为最佳激励电流。由曲线变化可以看出，随着铁芯缩小比从3∶1到5∶1的增大，最佳激励电流呈现明显的下降趋势，由115 mA降至80 mA，这说明缩小比越大，相应的最佳激励电流越小。当缩小比达到5∶1之后，感应线圈对应铁芯部分的细长比对退磁系数D的影响已经非常大，继续增大多孔铁芯的缩小比到6∶1，退磁系数进一步降低的空间已十分有限，但是同时漏磁却会明显增大，并不利于减小激励电流，两者综合作用，使降低缩小比对减小最佳激励电流的影响开始明显减弱。6∶1对应的最佳激励电流仅降至75 mA，反而因此时的孔径过大，出现孔壁断开等瑕疵增多的现象。因此，多孔结构铁芯的缩小比选取5∶1比较合适，这一参数能在充分减小最佳激励电流的同时，保证MEMS工艺的良品率。

图6　不同铁芯的最佳激励电流对比

4　结论

采用多孔结构对铁芯进行了优化设计，并通过MEMS工艺制备了多孔铁芯微型磁通门传感器。经过测试分析，验证了多孔结构铁芯能够有效降低器件功耗，提升传感器的整体性能。由测试结果可知，提高铁芯的缩小比有利于降低最佳激励电流从而减小功耗。在综合考虑器件性能和MEMS加工工艺的前提下，选取5∶1的缩小比作为多孔铁芯的设计参数，能够在保证良品率的同时，充分降低功耗，在两者之间取得平衡。

参考文献：

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［13］吕辉，刘诗斌.基于多孔铁芯的微型磁通门低功耗技术研究［J］.传感技术学报，2014，27（11）：1512-1516.

吕辉（1977-），男，山东菏泽人，副教授，博士。专业方向为微电子与固体电子学，现在主要从事微型传感器研究，lvhui700@sohu.com；

李随源（1963-），男，河南焦作人，副教授，专业方向为智能传感器技术及其应用，现主要从事微型传感器研究，8284199@qq.com。

Magnetic Field Computation of Fluxgat Core Eddy Currents Using HSPICE*

CUI Zhijun1，2，LIU Shibin1*，LI Juping1
（1.College of Electronics and Information Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China；2.Department of Electronics and Information Engineering，Ankang University，Ankang Shannxi 725000，China）

Abstract：With an alternating magnetic field，aiming at solving the problem of the influence of eddy currents on magnetic hysteresis loop in traditional analysis，a method for computating magnetic core eddy currents and simluat⁃ing fluxgate sensor using HSPICE is presented. Jiles dynamic model is chosen as the mathematical model for the magnetic core，the mathematical model of eddy currents on magnetic hysteresis loop is achieved to stack the stray magnetic field and excitation magnetic field into Jiles dynamic model. The simulation and verification results based on the HSPICE show that a satisfactory agreement is obtained between both types of results for frequencies of 0.5 Hz，50 Hz，200 Hz and 500 Hz.

Key words：Jiles dynamic model；hysteresis loop；eddy currents；HSPICE

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.01.005

收稿日期：2015-08-10修改日期：2015-10-02

中图分类号：TP212

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）01-0021-05

项目来源：高等学校博士学科点专项科研基金项目（20126102110031）