吕 辉，杨慧慧

（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，微型磁通门具有尺寸小、易集成等优点，首先得到了应用。然而微型磁通门的尺寸虽有效缩减，但器件的噪声却明显增大，这严重影响了微型磁通门的正常使用。为了更好地推广微型磁通门，迫切需要提高其噪声性能指标的相关措施[2-5]。

Jeng等[6]采用将输出信号中的2，4，6，8次谐波相加的方法，使灵敏度增加了2.6倍，1 Hz噪声从0.5 nT/降低到0.2 nT/。Kubik 等[7]采用输出调谐方法改善脉冲激励磁通门的噪声特性。但这一方法只适用于传统磁通门，由于微型磁通门的线圈匝数少且直流电阻大，因而无法完成很好的调谐。

铁芯制备过程中采用应力退火和横向磁场退火方法产生横向各向异性场，是微型磁通门常用的降噪方法，其本质都是通过制备工艺控制磁畴在反复磁化过程中更容易连贯转动，避免畴壁位移中的不连贯突跳。这些方法无一例外地会增大激励磁场方向的饱和磁场强度 Hs，从而增大功耗；同时，多数情况下还会减小敏感方向的磁导率，降低灵敏度[8-10]。

Joisten等[11]采用在垂直于敏感轴的方向施加交流磁场的方法，较大幅度降低了噪声。这种方法虽然没有增大饱和磁场强度，也不会使敏感方向的磁导率减小，与横向各向异性场相比可控性更好，但是需要在器件结构上增加额外的线圈，从而增加了功耗。

研究表明，改进铁芯的拓扑结构，是微型磁通门噪声优化的有效方式。本文采用了优化后的多孔结构铁芯来降低微型磁通门噪声，并对制备的微型磁通门进行了噪声指标的实验测定，分析了影响噪声指标的主要因素，为传感器的进一步改进提供了技术思路与数据支持。

1 噪声分析与结构优化

噪声是评价磁通门性能的重要指标，降低噪声是提高传感器分辨率水平的关键所在。传统磁通门的噪声主要来源于电磁和形状尺寸参数的不对称，微型磁通门由于使用MEMS工艺进行批量加工，其形状尺寸参数的不对称情况得到了极大的改善，因此微型磁通门噪声更多来自于电磁不对称。铁芯材料的微观磁性能特别是巴克豪森效应，是磁通门的主要噪声来源。

巴克豪森效应是指在磁化曲线的斜率较大的部分上，外磁场强度的微小增量会导致磁感应强度的阶梯变化，形成巴克豪森跳变。这一阶梯变化由磁畴反磁化造成，可以视为一个附加的跳变磁场。除了巴克豪森跳变磁场之外，杂散磁场也是铁芯内磁场的异常项之一，它与掺杂、缺陷和结晶边界有关，同样会导致铁芯内磁场的不均匀分布。除此之外，铁芯的各个微段上的各向异性常数、磁滞伸缩系数和内应力状态都存在差异，这会使铁芯各部分的电磁性能有所不同，从而影响分布磁场的均匀性，使铁芯的磁通量并不对称，在感应线圈两端产生输出噪声。由于在铁芯的内部噪声中，巴克豪森噪声最强，因此减小铁芯的巴克豪森噪声成为磁通门降噪的关键。

磁通门的等效噪声可以用公式（1）表示[11]：

式中：K是退磁系数；Vd是磁畴体积；nc是相互作用磁畴的数量；V是铁芯的体积；f是激励频率；T是积分时间（两倍噪声带宽的倒数）；Bs是铁芯的饱和磁感应强度。

由式（1）可知，磁通门等效噪声磁场与铁芯体积V的平方根和激励频率f的平方根成反比。对微型磁通门，激励频率f可以适当提高，但尺寸减小所造成的体积V减小幅度更大，仅靠提高激励频率无法解决微型磁通门噪声增大的问题。另一方面，磁通门的噪声与铁芯磁畴体积Vd的平方根、相互作用的磁畴数量nc的平方根以及由铁芯形状决定的退磁系数K成正比，这些因素对小体积条件下降低微型磁通门的噪声至关重要。

若铁芯截面积为常数，激励线圈匝数为N1，激励电流 Ie=Imsinωt，铁芯由于退磁效应会产生退磁场，受退磁场影响，铁芯内部实际磁场强度为Hin：

式中：μr为相对磁导率；l为线圈长度。

由以上分析可知，降低退磁系数K对降低噪声和提高激励磁场都有明显的影响，因此，在使用MEMS标准工艺的前提下，通过对铁芯的结构进行分析优化，减小铁芯的退磁系数K是降低噪声的重要途径。

本文从以上理论出发，经过有限元分析软件Magnet的优化分析，发现细而长的铁芯退磁系数小，而管形铁芯的退磁系数更小。当进行多根圆管形铁芯的组合可以构成有效截面积大、退磁系数小的铁芯，此时其横截面呈现多孔结构。因此，验证了采用多孔结构铁芯，并通过优化孔的拓扑排列，是降低噪声的一种可行方法，进而设计了具有多孔铁芯这一结构的器件方案，进行降噪技术分析与研究。

为了对比多孔结构与传统缩比结构这两种微型磁通门的噪声性能差异，验证多孔铁芯拓扑结构优化后的效果，在相同的工艺条件下制作了这两种微型磁通门，其显微照片如图1所示。其中缩比结构磁通门的绕线采用激励线圈和感应线圈分区域绕线的方式，缩比结构铁芯的中间部分的横截面积较小，用于设置感应线圈，两端部分的横截面积大，用于设置激励线圈。多孔铁芯磁通门则采用激励线圈和感应线圈交替绕线方式，将激励线圈设置在铁芯横截面积大的无孔位置，感应线圈设置在横截面积小的有孔位置。

多孔铁芯微型磁通门的铁芯采用优化后的拓扑结构，即采用阵列式分布的六角形孔和5:1的缩小比例。为保证对比的有效性，两种微型磁通门的激励线圈对应铁芯部分的宽度均为 1200 μm，感应线圈对应铁芯部分的宽度均为240 μm，两者的缩小比例相同，均为 5:1。铁芯的材质为相同条件下的电镀NiFe合金，厚度均为2 μm。两种微型磁通门的激励线圈匝数和感应线圈匝数均为48匝[12]。

图1 两种不同结构的微型磁通门Fig.1 Two micro fluxgates with different structures

为便于测试，将微型磁通门器件进行简易封装，封装结果如图2所示。

2 噪声指标的测试平台与测试方案

2.1 噪声测试平台

微型磁通门噪声测试平台如图3所示。激励信号由任意信号发生器和功率放大器级联产生。电流表串联在激励回路中测量激励电流。直流电源接螺线管，以产生被测磁场，螺线管电流大小由电流表测量并调节。

图2 测试器件Fig.2 Test device

图3 测试平台Fig.3 Test platform

在进行微型磁通门噪声测试时，为确保测试结果的准确，在测试中应消除外界磁场的影响，其中地磁场强度为50～60 μT，会给测试带来较大的干扰，因此多采用一定的屏蔽装置对地磁场加以屏蔽。比如本文所用的磁屏蔽筒，如图4所示。采用坡莫合金材料制成的磁屏蔽筒，能够实现对地磁场的衰减。由于磁力线经过两种不同磁导率的介质时，会产生磁力线偏折，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，从而尽可能得到零磁空间，忽略地磁变化对测试结果的影响。测试时将屏蔽筒东西方向放置，以保证轴向方向的本底磁场最小。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进行零位校正。

图4 磁场屏蔽筒Fig.4 Magnetic shield cylinder

2.2 噪声测试方案

对磁通门的噪声进行评价主要用到1 Hz噪声和RMS噪声两个指标[13]。1 Hz噪声是指在频谱分析时距离中心频率 1 Hz处所对应的噪声值，其单位为nT/√Hz，RMS噪声则是指在一定采样带宽内的总噪声，其单位多采用nT。

由于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[13]。

对于较低激励频率的磁通门噪声测试，可以使用示波器的频谱分析功能完成。（比如使用 Agilent Oscilloscope Infiniium 54830D型示波器可以对 10 kHz激励频率下的噪声进行测试）。对于本文所涉及的微型磁通门，由于其激励频率较高，一般在数百kHz以上，已经超出了示波器的测试范围，为此适合选用频谱分析仪，对所制备的微型磁通门进行噪声测试。

Tektronix RSA 5103A型频谱分析仪的频率测试范围从1 Hz到3 GHz，分辨率带宽（RBW）最低可达0.1 Hz，完全可以满足本文的噪声测试需求。本文使用Tektronix RSA 5103A型频谱分析仪提供的噪声功率谱测试功能（Noise Markers），设定好中心频率、分辨率带宽、频展范围等参数后，能直接获得噪声功率谱密度，单位为dBm。经式(3)计算后，可得到噪声电压谱密度Vden。

式中，N为频谱分析仪的噪声功率谱密度测量结果（单位为dBm）。将噪声电压谱密度Vden除以对应的微型磁通门的灵敏度，可以得到磁噪声谱密度，至此可以得到1 Hz噪声。对于RMS噪声则需要在某一带宽下对噪声功率谱密度进行积分，得到的结果开方后除以相应的灵敏度后，获得RMS噪声值。

3 噪声测试结果与分析

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

图5和图6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5和图6中可以看出，在不同的激励电流和激励频率下的磁通门的电压噪声曲线非常接近，某些部分明显重叠在一起，相差不大。

图5 不同激励电流的电压噪声谱密度Fig.5 Voltage noise spectral density of different excitation currents

图6 不同激励频率的电压噪声谱密度Fig.6 Voltage noise spectral density of different excitation frequencies

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7和图8所示，不同的曲线层次清晰，已经有了明显的区分。

图7 不同激励电流的磁噪声谱密度Fig.7 Magnetic noise spectral density of different excitation currents

图8 不同激励频率的磁噪声谱密度Fig.8 Magnetic noise spectral density of different excitation frequencies

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0.25～10 Hz频率范围内的RMS噪声，表1和表2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1 不同激励电流的磁通门噪声Tab.1 Fluxgate noise of different excitation currents

表2 不同激励频率下磁通门的噪声Tab.2 Fluxgate noise of different excitation frequencies

如表1中所示，激励电流增大，传感器噪声逐渐下降，这主要是由于激励电流增大带来的灵敏度提高和铁芯饱和程度加深，这两者都有利于降低等效噪声。如表2中所示，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。

为了比较多孔结构铁芯和缩比结构铁芯对微型磁通门性能的影响，在500 kHz固定频率的正弦激励，外磁场为40 μT的条件下，分别测试了文中制备的两种不同铁芯结构的微型磁通门，表3中列出了这两种结构磁通门的1 Hz噪声。对比结果显示，多孔铁芯微型磁通门的噪声相对于缩比结构有明显降低。在100 mA激励电流下，多孔结构微型磁通门相对于缩比结构微型磁通门，1 Hz噪声降低为原来的57%。

为充分说明多孔结构磁通门的降噪效果，与微型磁通门方面的其他研究结果也做了一定的对比，如Drljaca等[14]所制作的微型磁通门在±50 μT线性范围内，激励电流为100 mA，激励频率为500 kHz时，1 Hz噪声为70 nT。多孔的噪声情况具有明显的优势。综合以上分析，多孔结构磁通门的降噪效果比较明显，是一种可行的方法。

表3 磁通门噪声的对比Tab.3 Noise contrast of fluxgate noise

4 结论

本文通过对微型磁通门的铁芯结构进行了优化，采用微加工工艺制备了不同的测试器件，文中进行的性能测试实验显示，这一结构优化方案对降低微型磁通门噪声是非常有效的。同时，经过对不同噪声测试结果的对比，并分析噪声的影响因素，有助于为微型磁通门选择合理的工作参数，提升整体性能指标。

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