長條形陣列鐵芯磁通門性能研究*

崔智軍，劉 琛

(1.安康學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，陜西 安康 725000；2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安 710129)

磁場測量，特別是弱磁場測量，一直是物理學(xué)和工程應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注的研究方向。磁通門傳感器(簡稱磁通門)是在弱磁場測量方面有著良好綜合性能[1]的傳感器，在航空、航天、地球物理等要求有非常高的靈敏度和穩(wěn)定性的領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。Seitz[2]采用MEMS(Micro Electro-Mechanical System)工藝制備出第一個(gè)微型磁通門后，為磁通門研究開辟了一個(gè)很有希望的方向。目前，制備幾個(gè)平方毫米大小的微型磁通門已經(jīng)成為可能，體積大的問題基本得到解決。然而，相比傳統(tǒng)磁通門，微型磁通門的性能指標(biāo)出現(xiàn)了明顯降低。為了在航天微型器、微型無人機(jī)、便攜式電子設(shè)備等對微型弱磁場傳感器的需求越來越多的領(lǐng)域更好地推廣微型磁通門，在對影響微型磁通門性能指標(biāo)的因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究提高其性能的方法[3-5]。

目前提升磁通門性能的方法主要有窄脈沖激勵(lì)[6-10]、激勵(lì)調(diào)諧方法[11-12]、RTD(Residence Times Difference)方法[13-15]。上述方法都是利用激勵(lì)、信號(hào)處理等外部因素提升磁通門性能，并不適用于微型磁通門。

近年來，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院劉詩斌[16]采用縮比結(jié)構(gòu)鐵芯(稱為縮比結(jié)構(gòu))、河南理工大學(xué)呂輝等[17-20]采用多孔鐵芯降低微型磁通功耗。所以，對微型磁通門所用鐵芯從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化是提升其性能的有效方法。

本文提出了一種長條形陣列結(jié)構(gòu)鐵芯來提升磁通門性能，對采用MEMS 工藝制備的35 組不同結(jié)構(gòu)的長條形陣列鐵芯進(jìn)行了性能指標(biāo)的綜合測試，分析了長條形陣列鐵芯排列密度以及單條鐵芯寬度對微型磁通門性能指標(biāo)的影響，為從改變鐵芯結(jié)構(gòu)方面提升微型磁通門性能提供了數(shù)據(jù)參考。

1 長條形陣列鐵芯制備與測試系統(tǒng)

已有研究表明，減小鐵芯的退磁系數(shù)D可以有效減小微型磁通門的功耗[16-17]和噪聲[21]。而退磁系數(shù)D只與磁性材料的形狀有關(guān)[22]。由于鐵芯的退磁系數(shù)D與鐵芯的細(xì)長比成反比，所以單條鐵芯的橫截面積越小或者長度越長，其退磁系數(shù)D越小[23]?；诖?，本文采用圖1 所示的長條形陣列結(jié)構(gòu)鐵芯。與傳統(tǒng)的磁通門薄膜鐵芯相比，在鐵芯總長度不變的前提下，長條形陣列結(jié)構(gòu)鐵芯中單根鐵芯的橫截面積更小，以此減小整個(gè)長條形陣列結(jié)構(gòu)鐵芯的退磁系數(shù)D，最終提升微型磁通門功耗、靈敏度、噪聲等重要性能指標(biāo)。

圖1 長條形陣列結(jié)構(gòu)鐵芯示意圖

本文基于MEMS 工藝流程，選擇常用的500 μm厚度的4 寸硅片作為基底，首先通過濕氧氧化在硅片表面形成300 nm 厚的SiO2層作為絕緣層。通過磁控濺射工藝沉積90 nm 厚度的電鍍Cu 種子層，濺射的過程中，基底保持200 ℃溫度增加Cu 與基底的粘附性。旋涂光刻膠(EPG533)，厚度為2 μm；以長條形陣列鐵芯掩膜板進(jìn)行光刻工藝，完成制作電鍍長條形陣列鐵芯的模具。在同一張硅基片上，共制備了35 組長條形陣列鐵芯樣品，所有樣品總的長寬厚分別為30 mm、1.2 mm、和2 μm。同時(shí)采用能譜儀對制備的35 組長條形陣列鐵芯進(jìn)行了成分測試，測試結(jié)果表明電鍍得到的長條形陣列鐵芯成分基本接近Ni79Fe21。為了研究長條形陣列結(jié)構(gòu)鐵芯排列密度以及單條鐵芯寬度對微型磁通門性能的影響，35 組長條形陣列鐵芯的單條鐵芯相鄰寬度從25 μm開始以5 μm 的步進(jìn)增加到45 μm，共5 種單條鐵芯相鄰寬度；在每種單條鐵芯相鄰寬度下，單條鐵芯寬度均從30 μm 開始以10 μm 的步進(jìn)增加到90 μm，共7 種單條鐵芯寬度。本文采用MEMS 工藝制備的長條形陣列鐵芯如圖2 所示。

圖2 MEMS 工藝制備出的長條形陣列鐵芯

為了研究制備出的35 組長條形陣列結(jié)構(gòu)鐵芯排列密度以及單條鐵芯寬度對微型磁通門性能指標(biāo)的影響，本文搭建了圖3 所示的磁通門性能指標(biāo)測試系統(tǒng)。信號(hào)發(fā)生器型號(hào)為Agilent 33220A，該信號(hào)發(fā)生器與NF HSA4011 型功率放大器串聯(lián)為磁通門產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)。電流表采用Agilent 34401A 型多功能數(shù)字式萬用表，與激勵(lì)回路進(jìn)行串聯(lián)以測量激勵(lì)電流的大小。直流電源Agilent E3610A 與電流表串聯(lián)后通過一個(gè)功率電阻與螺線管連接，用于產(chǎn)生被測外部磁場。Agilent Oscilloscope Infiniiμm 54830D型示波器或者Tektronix RSA 5106B 型頻譜分析儀連接磁通門感應(yīng)線圈，對磁通門輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行分析。在實(shí)際測試中為了消除外磁場的干擾，采用磁屏蔽筒來屏蔽外界磁場。

圖3 磁通門性能指標(biāo)測試系統(tǒng)

在圖3 中進(jìn)行測試的磁通門采用圖4 所示的雙鐵芯線圈磁通門結(jié)構(gòu)。該磁通門的兩個(gè)螺線管由0.1 mm 的漆包線繞制而成；每個(gè)螺線管上有反向繞制的激勵(lì)線圈320 匝，電阻為6.7 Ω；正向繞制的感應(yīng)線圈1 160 匝，電阻為33 Ω；骨架的中間為空，用于放置制作好的35 組長條形陣列結(jié)構(gòu)鐵芯。

圖4 雙鐵芯結(jié)構(gòu)磁通門傳感器

2 磁通門性能指標(biāo)測試與分析

由35 組長條形陣列鐵芯構(gòu)成的磁通門需要測試的性能指標(biāo)為:最佳激勵(lì)電流、線性范圍、靈敏度以及噪聲。

2.1 最佳激勵(lì)電流

為了解決微型磁通門所面臨的散熱問題，使其更好地應(yīng)用于SOC(System On Chip)片上系統(tǒng)，降低磁通門的功耗是關(guān)鍵。對磁通門來說，影響功耗大小的主要因素是輸入電阻和最佳激勵(lì)電流，而本文中利用圖4 所示雙鐵芯結(jié)構(gòu)的磁通門進(jìn)行性能測試，輸入電阻是定值，所以決定磁通門功耗的是磁通門的最佳激勵(lì)電流。

在正弦激勵(lì)信號(hào)作用下，通過改變激勵(lì)電流的大小，可以測得相應(yīng)磁通門輸出信號(hào)的二次諧波幅值的變化曲線。由曲線可知，剛開始時(shí)，隨著激勵(lì)電流的增大磁通門輸出信號(hào)的二次諧波幅值逐漸增大，在到達(dá)某個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，又逐漸下降。由磁通門最佳激勵(lì)電流的定義可知[23]，這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的磁通門激勵(lì)電流就是最佳激勵(lì)電流。

35 組長條形陣列鐵芯的最佳激勵(lì)電流測試結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可知，當(dāng)長條形陣列鐵芯中單條鐵芯相鄰寬度不變時(shí)，最佳激勵(lì)電流隨著單條鐵芯寬度的增加而緩慢增大；在每一種單條鐵芯寬度下，長條形陣列鐵芯的最佳激勵(lì)電流隨單條鐵芯相鄰寬度的增加而增大。當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度小于等于35 μm 時(shí)最佳激勵(lì)電流的值比較??；當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度增大到40 μm 時(shí)，最佳激勵(lì)電流值開始突然增大；當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度大于等于40 μm時(shí)，長條形陣列鐵芯最佳激勵(lì)電流隨著單條鐵芯寬度的變化而變化趨勢一致。

2.2 線性范圍與靈敏度

根據(jù)磁通門原理，在一定外磁場范圍內(nèi)，磁通門感應(yīng)線圈輸出信號(hào)的二次諧波幅值與外磁場呈線性比例關(guān)系。因此，本文采用二次諧波作為輸出量，外磁場為輸入量，通過測量隨著外磁場變化而導(dǎo)致二次諧波幅值的變化關(guān)系來確定磁通門的靈敏度和線性范圍。

本文采用型號(hào)為Aligent Oscillosope Infiniium 54830D 示波器實(shí)現(xiàn)對磁通門二次諧波幅值的測量。測量時(shí)，利用高分辨采樣模式進(jìn)行采樣，采樣后利用示波器自帶軟件對采樣信號(hào)進(jìn)行FFT 變化，并提取出二次諧波幅值，在進(jìn)行FFT 變化時(shí)將采樣率設(shè)置為20 MSa/S，采樣數(shù)率設(shè)置為1 M。該示波器輸出的二次諧波幅值單位為分貝毫瓦(dBm)，需要經(jīng)過進(jìn)一步換算才能把分貝毫瓦值轉(zhuǎn)換成電壓幅值單位。

由于磁通門鐵芯退磁的影響，磁通門輸出電壓信號(hào)的二次諧波與外磁場強(qiáng)度并不是按照嚴(yán)格的線性關(guān)系，在外磁場較小時(shí)可以看作基本呈線性關(guān)系，但是隨著外磁場的增大，輸出線性度將會(huì)逐漸變差。因此本文對靈敏度和線性范圍計(jì)算方式為:對由于外磁場變化而引起輸出信號(hào)二次諧波變化的曲線，進(jìn)行直線擬合。在進(jìn)行擬合時(shí)，把R-square 值大于99.1%的外磁場值確定為磁通門的線性范圍，而把擬合直線的斜率確定為磁通門的靈敏度。

35 組長條形陣列鐵芯的線性范圍測試結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可知，當(dāng)長條形陣列鐵芯中單條鐵芯相鄰寬度不變時(shí)，線性范圍幾乎不隨著單條鐵芯寬度的變化而變化；在每一種單條鐵芯寬度下，線性范圍隨著單條鐵芯相鄰寬度的增加而增加。當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度小于等于30 μm 時(shí)線性范圍的值比較小；當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度增大到35 μm，線性范圍開始突然增大；當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度大于等于40 μm時(shí)，線性范圍幾乎不隨著單條鐵芯相鄰寬度的變化而變化。

圖6 長條形陣列鐵芯線性范圍

35 組長條形陣列鐵芯的靈敏度測試結(jié)果如圖7所示。從圖7 可知，當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度小于等于30 μm 時(shí)，靈敏度的值隨著單條鐵芯相鄰寬度的變化而增加較??；當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度增大到35 μm時(shí)，靈敏度的值會(huì)突然增大并達(dá)到最大值；隨后隨著單條鐵芯相鄰寬度的增加靈敏度逐漸變小。

圖7 長條形陣列鐵芯靈敏度

2.3 磁通門噪聲

現(xiàn)階段，降低噪聲是微型磁通門研究的主要方向[1]。磁通門研究中一般都采用1 Hz 噪聲作為磁通門傳感器噪聲衡量指標(biāo)，由于它代表的是磁通門輸出信號(hào)在頻率1 Hz 處的頻譜密度，所以當(dāng)采樣信號(hào)平穩(wěn)時(shí)，1 Hz 噪聲跟什么時(shí)間采樣以及采樣信號(hào)自身的帶寬都沒有關(guān)系。

本文采用的頻譜分析儀型號(hào)為Tektronix RSA 5106B，該型號(hào)頻譜分析儀所能測試的頻率范圍為1 Hz到6.2 GHz，而它的最小分辨率帶寬(RBW)能夠達(dá)到0.1 Hz，滿足本文對長條形陣列鐵芯1 Hz 噪聲指標(biāo)的采集需求。采用該型號(hào)頻譜分析儀的噪聲功率譜測試功能(Noise Marker)可直接得到噪聲功率譜密度。

35 組長條形陣列鐵芯1 Hz 噪聲測試結(jié)果如圖8所示。從圖8 的1 Hz 噪聲測試數(shù)據(jù)可知，長條形陣列鐵芯單條鐵芯相鄰寬度從小變大時(shí)，長條形陣列鐵芯1 Hz 噪聲的變化趨勢是當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度為25 μm、30 μm、45 μm 時(shí)1 Hz 噪聲大于單條鐵芯相鄰寬度為35 μm、40 μm 時(shí)1 Hz 噪聲；同時(shí)當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度為35 μm 時(shí)，長條形陣列鐵芯的1 Hz 噪聲最小。因此，長條形陣列鐵芯1 Hz 噪聲與單條鐵芯相鄰寬度有明顯的依賴關(guān)系。

圖8 長條形陣列鐵芯1 Hz 噪聲

對35 組長條形陣列鐵芯的磁通門性能指標(biāo)進(jìn)行測試與分析可知，最佳激勵(lì)電流、線性范圍與靈敏度、噪聲都與長條形陣列鐵芯中的單條鐵芯相鄰寬度有依賴關(guān)系。這是由于長條形陣列鐵芯中的單根鐵芯的橫截面積更小，可以減小整個(gè)長條形陣列結(jié)構(gòu)鐵芯的退磁系數(shù)D；但是當(dāng)多個(gè)單根鐵芯同時(shí)呈陣列排列時(shí)，相鄰單根鐵芯之間的靜磁耦合作用會(huì)增強(qiáng)，從而會(huì)使整個(gè)長條形陣列鐵芯的退磁系數(shù)D增大。最終導(dǎo)致長條形陣列鐵芯的磁通門性能指標(biāo)受單條鐵芯相鄰寬度變化的影響。

通過對以上性能測試結(jié)果進(jìn)行分析可知，當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度為35 μm 以及單條鐵芯寬度為60 μm時(shí)，長條形陣列鐵芯的綜合性能指標(biāo)可以達(dá)到最優(yōu)，性能指標(biāo)分別為:最佳激勵(lì)是40 mA，線性范圍是±700 μT，靈敏度是158.6 V/T，1 Hz 噪聲是1.408 nT/√Hz。在相同實(shí)驗(yàn)測試條件下，長寬厚分別為30 mm、1.2 mm、和2 μm 的傳統(tǒng)薄膜鐵芯的磁通門性能指標(biāo)如下:最佳激勵(lì)是45 mA，線性范圍是±250 μT，靈敏度是140.4 V/T，1 Hz 噪聲是1.628 nT/√Hz。通過對比可知，當(dāng)長條形陣列鐵芯的單條鐵芯寬度以及鐵芯相鄰寬度選擇合適時(shí)，其磁通門性能顯然要優(yōu)于傳統(tǒng)薄膜鐵芯的磁通門性能。

3 結(jié)論

本文通過長條形陣列結(jié)構(gòu)鐵芯來提升微型磁通門性能，對采用MEMS 工藝制備的35 組不同排列的長條形陣列鐵芯進(jìn)行了磁通門性能指標(biāo)的綜合測試，分析了長條形陣列鐵芯中單條鐵芯相鄰寬度以及單條鐵芯寬度變化對微型磁通門性能指標(biāo)的影響，最終得出當(dāng)單條鐵芯相鄰寬度為35 μm 以及單條鐵芯寬度為60 μm 時(shí)，長條形陣列鐵芯的磁通門綜合性能指標(biāo)可以達(dá)到最優(yōu)。所得結(jié)論為微型磁通門從優(yōu)化鐵芯結(jié)構(gòu)方面提升性能指標(biāo)提供了數(shù)據(jù)參考。