微型磁通门性能指标的综合测试与分析*

吕 辉,许 波

(1.河南理工大学电气工程与自动化学院,河南 焦作 454000;2.河南理工大学控制工程省重点学科开放实验室,河南 焦作 454000;3.河南工业和信息化职业学院电气工程系,河南 焦作 454000)

磁通门传感器是一种综合性能良好的磁测量器件[1],在地磁研究、空间磁场探测、航空航天、微型卫星、微型无人机等领域有着广泛应用。MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)技术发展所催生出的微型器件中,微型磁通门因其尺寸小,易集成等等优点,率先得到了使用。然而微型磁通门的尺寸虽然得到有效缩减,但性能指标也出现了明显降低。为了更好的推广微型磁通门,需要分析其性能指标的影响因素,寻求提高其综合性能[2-5]。

目前提升性能的技术多来自传统磁通门,如脉冲激励[6],激励调谐[7-8],RTD(Residence Times Difference)方法[9-10]。这些技术大多通过改进电路等外部因素来实现,并不适用于微型磁通门。研究表明,优化微型磁通门铁芯是一种改进自身结构以提高性能的有效方法[11-13]。

本文采用了优化后的多孔铁芯来提升传感器性能,对制备的微型磁通门进行了主要工作参数及性能指标的综合测定,分析工作参数对微型磁通门性能指标的影响,为传感器选择合适的工作参数提供数据支持。

1 被测器件与测试平台

前期研究表明,要提升传感器的综合性能,应当从降低漏磁和增加激励铁芯的有效横截面积着手,对铁芯进行结构优化[11-13]。铁芯由传统的单根结构变为多根结构可以使铁芯中磁场分布更均匀,从而增加有效横截面积,降低激励电流;铁芯由整段变为多段,可以实现感应线圈与激励线圈的交替式绕线,使磁场耦合更加紧密,有效降低漏磁通。

经过以上优化,铁芯演变为多孔结构。这一铁芯结构对功耗、灵敏度、噪声等重要性能指标有明显的提升效果。对孔的分布、尺寸等拓扑因素进行对比分析后,最终方案采用了阵列分布的六角形孔和5∶1的缩小比,平衡主要性能参数的同时,兼顾了MEMS工艺的要求。

经过微加工工艺所制作出的微型磁通门及多孔铁芯部分如图1(a)和图1(b)所示,铁芯采用阵列式分布的六角形孔,铁芯缩小比为5∶1(缩小比=W1/ΣW2i,即多孔铁芯的总宽度W1与同一行的各孔孔壁之和ΣW2i的比值,如图1(c)和图1(d)所示)。其中微型磁通门的激励线圈对应铁芯的宽度为1 200 μm,感应线圈对应铁芯宽度为240 μm,因此缩小比为5∶1。铁芯采用电镀NiFe合金,厚度 2 μm,激励线圈匝数和感应线圈匝数均为48匝[14]。

图1 多孔铁芯微型磁通门

图2 简易封装后用于测试的器件

为方便测试器件的工作性能,需将微型磁通门器件简易封装在PCB板上,封装结果如图2所示,磁通门的焊盘通过铝线引至PCB板上。

微型磁通门性能测试平台的原理框图如图3(a)所示。所需的激励信号由任意信号发生器(Agilent 33220A)和功率放大器(NF HSA4011)级联产生。电流表(Agilent 34401A)串联在激励回路中,测量激励电流的大小。直流电源(Agilent E3610A)激励螺线管产生被测外部磁场,螺线管电流大小由电流表指示。微型磁通门的感应线圈两端与示波器(Agilent 54830D)相连,分析输出的电压信号。实物图如图3(b)所示。

图3 测试平台

在测试微型磁通门传感器各项指标时,为提高结果的准确性,在测试过程中需要排除外界磁场的影响,尤其是地磁场。地磁场强度大约在50 μT～60 μT,会给磁通门的测试带来较大的干扰,因此实际测试中多采用磁屏蔽装置对地磁场进行屏蔽来模拟零磁空间(磁场强度保持为0 nT的空间)。

本文测试所使用的磁场屏蔽装置是磁屏蔽筒,三层结构的磁屏蔽筒如图4所示。磁屏蔽筒采用坡莫合金材料制成,能够实现对地磁场的衰减。外界磁场的磁力线在经过两种不同磁导率的介质时,会在介质交界面上产生磁力线偏折现象,即磁力线会偏向磁导率高的材质。因此,采用多层结构可以逐步降低屏蔽装置内部的磁力线密度,使地磁场在其内部不断衰减,从而得到尽可能接近“零磁场”的内部空间,在其中进行的测试可以忽略地磁变化对传感器的影响。

图4 磁场屏蔽筒

屏蔽筒的中心区域为均匀区,该区域的磁场分布均匀且磁场强度最小,均匀区内对直流磁场的抑制比一般可以达到万分之一。由于屏蔽筒的屏蔽效果在轴向方向上较差,因此测试时必须将屏蔽筒按照东西方向放置,以保证轴向方向的本底磁场最小,获得更好的测试环境。

测试时将产生被测磁场的螺线管置于屏蔽筒内,周围不要放置任何铁磁物质,同时在每次测试前使用磁强计对磁场进行零位校正。由于日常的环境中存在大量的电磁干扰,如果条件允许,可以对测试地点加以选择,尽量远离电磁干扰源。

2 微型磁通门的性能指标与测试方法

微型磁通门的综合测试需要对功耗、灵敏度、噪声、线性范围等一系列主要性能指标进行测定,其主要指标与测试方法如下:

2.1 功耗

功耗是微型磁通门的重要性能指标之一,低功耗有利于解决微型磁通门的散热问题,增加器件的热稳定性,拓展微型磁通门的应用范围。微型磁通门的功耗由输入阻抗与激励电流有效值共同决定,可以通过测量磁通门的输入电阻以及激励电流,并经过式(1)计算得到对应的功耗值。

P=I2R

(1)

式中:I为激励电流的有效值,R为磁通门的输入阻抗。

2.2 灵敏度与线性范围

微型磁通门的灵敏度和线性范围是设计传感器要考虑的关键指标,也是判断其性能优劣的重要标志。根据磁通门工作原理,感应线圈输出电压的二次谐波幅值(输出量)随外磁场的变化(输入量)而变化,两者在一定范围内呈线性关系。因此,本文选择磁通门输出电压的二次谐波作为对象,通过测试不同外磁场下输出电压的二次谐波幅值来研究磁通门的灵敏度和线性范围。

二次谐波幅值的测量可以使用Agilent Oscilloscope Infiniium 54830D 型示波器来完成。通过示波器采集输出信号后进行FFT变换,提取二次谐波信号幅值,测试中示波器的采集模式设为高分辨率模式。在提取信号进行FFT变换的过程中,采样率设为20 Msample/s,采样数设为1 Msample。进行FFT变换后,获得信号(频率为激励频率的2倍)的分贝毫瓦值(单位为dBm)。经进一步计算将示波器上得到的分贝毫瓦值转换为输出二次谐波幅值。

磁通门的性能主要受线圈匝数、铁芯横截面积、激励频率、铁芯性能、激励电流等多个因素影响。本文所测试的传感器,由于线圈匝数等结构因素已经确定,因此通过研究不同的激励电流和频率条件下,输出电压的二次谐波幅值随外磁场的变化曲线,可以得到不同的灵敏度和线性范围。本文将输出电压二次谐波幅值随外磁场的变化曲线进行拟合时,将R-square值大于99%的最大范围作为传感器的线性范围,拟合直线的斜率作为传感器的灵敏度。

2.3 噪声

RMS噪声反映的是采样带宽内的总噪声,这一结果对于工程应用更具价值。但是对不同磁通门的噪声进行比较时,往往其采样带宽各不相同,无法使用RMS噪声进行横向比较,此时使用1 Hz噪声做评价指标更为合适,因为它反映的是信号1 Hz处的频谱密度,对平稳信号而言,1 Hz噪声的大小与采样带宽和采样时间无关[15]。

本文选用Tektronix RSA 5103A型频谱分析仪进行了噪声测试。该仪器的频率测试范围从1 Hz到3 GHz,分辨率带宽(RBW)最低可达0.1 Hz,满足本文的噪声测试需求。

2.4 剩磁误差

剩磁误差是磁通门传感器受到强磁场干扰后产生的附加误差,这一误差会影响传感器的测量精度。磁通门的铁芯中由于缺陷、杂质等因素的影响会存在一些难磁化的部分,当施加强磁场时,这些部分会继续发生磁化,当撤去强磁场后,由于剩下的激励磁场较小,不足以使这些部分恢复原有状态。造成的后果是,在强磁场消失后,原有的外磁场方向仍存在一个“外磁场”,使得磁通门输出电压无法恢复正常。

本文在不同的激励条件下测量了磁通门的剩磁误差,具体方案为:在磁通门的被测磁场方向施加一个强磁场,维持一段时间后,撤去这个磁场并测量输出电压;然后在相反方向施加同样大小的强磁场,一段时间后撤去磁场并测量输出电压。两次输出电压的差值称为剩磁误差电压,将剩磁误差电压除以灵敏度即为剩磁误差。

图5 不同激励电流下二次谐波幅值随外磁场的变化曲线

3 测试结果与分析

微型磁通门的激励电流的大小和频率是主要的工作参数,为了分析它们对传感器性能指标的影响,以便选择恰当的工作条件,本文进行了如下的测试:

3.1 激励电流对灵敏度和线性范围的影响

为了测试不同的激励电流对微型磁通门的灵敏度和线性范围的影响,采用了500 kHz固定频率的正弦激励,激励电流有效值分别为60 mA、70 mA、80 mA、100 mA、120 mA。改变外磁场的大小,分别测试了在以上几种激励电流下,微型磁通门的输出电压二次谐波幅值随外磁场的变化曲线,如图5所示。

由图5可知,当激励电流大于60 mA以后,磁通门已经可以正常工作,输出电压的二次谐波幅值在一定范围内与被测的外磁场成线性关系。自60 mA开始,随着激励电流的增加,磁通门的灵敏度和线性范围都相应增大,在电流达到80 mA之后,已经能够使得微磁磁通门传感器有效工作,此时激励电流进一步提高,虽然线性范围仍有一定程度的增大,但灵敏度变化已经非常微小。表1中列出了不同大小的激励电流下磁通门的灵敏度和线性范围。

表1 500 kHz频率下不同大小的激励电流对应的灵敏度和线性范围

3.2 激励频率对灵敏度和线性范围的影响

为了测试激励电流频率对微型磁通门的灵敏度和线性范围的影响,固定采用80 mA的正弦激励电流,激励频率分别为400 kHz、600 kHz、800 kHz、

1 000 kHz、1 200 kHz。改变外磁场的大小,分别测试了在以上几种激励频率下,微型磁通门的输出电压二次谐波幅值随外磁场的变化曲线,如图6所示。

图6 不同激励频率下二次谐波幅值随外磁场的变化曲线

由图6可知,磁通门的输出电压的二次谐波幅值在一定范围内与被测的外磁场成线性关系。随着激励电流频率的提高,磁通门的灵敏度会明显增大,而线性范围则略有减小。在电流频率达到1 000 kHz之后,如果进一步提高激励电流频率,磁通门灵敏度虽仍有一定程度的增大,但是增大幅度已经远不如之前明显,而线性范围却有一定程度的缩小。表2列出了不同激励频率下磁通门的灵敏度和线性范围。

表2 80 mA电流下不同激励频率所对应的灵敏度和线性范围

在测试过程中,随着激励频率的提高,铁芯的涡流效应和趋肤效应在逐渐加深,这会带来较大的能量损耗,影响磁通门的性能指标和工作效果。另外,随着激励频率的提高,输出回路的幅频特性也会发生明显改变。因此,提高频率对提高磁通门性能的效果会逐渐减弱。

3.3 噪声测试结果

本文对微型磁通门在不同激励条件下的1 Hz噪声和RMS噪声指标进行了测定。测试参数如下:中心频率为激励频率的2倍,分辨率带宽为0.1 Hz,频展为100 Hz,实验时施加的外磁场为50 μT。

图7和图8为微型磁通门在不同激励电流和激励频率下0.125 Hz 到50 Hz范围内的电压噪声谱密度。从图7和图8中可以看出,在不同的激励电流和激励频率下,磁通门的电压噪声曲线比较接近,某些部分重叠在一起,彼此之间相差不大。

图7 不同激励电流下的电压噪声谱密度

图8 不同激励频率下的电压噪声谱密度

图10 不同激励频率下的磁噪声谱密度

对电压噪声做进一步处理,得到不同激励条件下磁通门的磁噪声谱密度曲线,如图9和图10所示,不同的曲线已经有了比较明显的层次区分。

图9 不同激励电流下的磁噪声谱密度

经过进一步计算后,得到不同激励条件下磁通门的1 Hz噪声和0.25 Hz～10 Hz频率范围内的RMS噪声,表3和表4是磁通门在不同激励电流(固定激励频率500 kHz)和不同激励频率(固定激励电流80 mA)下的噪声值。

表3 不同激励电流下的磁通门噪声

表4 不同激励频率下磁通门的噪声

如表3中所示,随着激励电流的增大,噪声逐渐下降,这主要得益于激励电流增大所带来的灵敏度提高,另外增大激励电流也会使铁芯的饱和程度加深,从而有利于降低等效噪声。如表4所示,随着激励电流频率的提高,噪声同样逐渐下降,这是由于高频激励有利于提高灵敏度,从而降低等效噪声。

3.4 剩磁误差与功耗

测定剩磁误差选择用螺线管产生强磁场干扰,磁场强度为10 mT。施加强磁场干扰持续时间为10 s,撤去强磁场后,测量此时的输出电压二次谐波,然后施加反向强磁场干扰10 s,撤去强磁场后,再次测量输出电压二次谐波,将两次测得的输出电压二次谐波的差值,除以灵敏度即可得到相应的剩磁误差。

图11(a)为激励电流固定100 mA,采用不同激励频率时的剩磁误差变化曲线。从图11(a)可以看出,随着激励频率的提高,剩磁误差并没有发生太大的变化。这是由于频率提高虽然会带来灵敏度的改变,有利于剩磁误差的降低,但是在这一过程中,趋肤效应同样会增强,不利于剩磁误差的降低。两者共同作用的结果,最终导致剩磁误差并没有随频率的提高发生明显改变。

图11(b)为激励频率固定300 kHz,激励电流采用不同有效值时的剩磁误差变化曲线。由图11(b)中可以看出,随着激励电流的增大,磁通门的剩磁误差逐渐下降,这是由于激励电流的增大使得磁通门的饱和程度加深,从而能有效降低剩磁误差。

根据之前的分析,多孔铁芯微型磁通门在采用有效值为80 mA的激励电流时,可以保证微型磁通门正常工作,且各项性能指标满足要求。由于激励线圈的电阻为6.8 Ω,根据式(1)计算可得,这一微型磁通门在80 mA正弦电流激励下的功耗为43.52 mW。

图11 剩磁误差的测定

4 结论

通过对微型磁通门铁芯结构的优化,采用MEMS工艺制备了相应器件,对所得器件进行了综合性能指标测试。测试结果一方面验证了这一优化方案的有效性,同时经过对不同测试结果的对比,对影响因素的分析,也得到了工作参数与性能指标的关系。

激励电流的大小和频率作为工作参数,对主要性能参数的影响很明显。增大激励电流,灵敏度和线性范围都相应增大,在80 mA之后继续提高电流,线性范围仍有一定的增大,但灵敏度增加已不明显;在电流增大过程中,噪声和剩磁误差都有明显下降。提高激励电流频率,灵敏度明显增大,线性范围略有减小,在1 000 kHz之后继续提高,灵敏度仍有小幅增大,而线性范围有一定缩小;在频率提高过程中,噪声明显下降,剩磁误差则无显著变化。

以上分析结论为微型磁通门选择恰当的工作参数提供了支持,有利于后期进行合理的外部电路设计,提升综合性能。

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