基于有限元的80am1oe磁場傳感器的研究

基于有限元的80am1oe磁場傳感器的研究

1磁傳感技術(shù)的應(yīng)用一般磁體有三種類型：霍爾元件型、磁阻型和磁通型。霍爾元件式磁性傳感器一般情況下用于磁場大于0.5mT并且磁場方向垂直于霍爾元件的場合,磁電阻式磁性傳感器和磁通門式磁性傳感器具有非常高的靈敏度,用于低磁場測量。然而與霍爾式磁性傳感器相比,在低場情況下的DC磁場測量,各向異性磁電阻式磁性傳感器需要設(shè)置一個復位線圈,這和傳統(tǒng)的CMOS芯片技術(shù)的工藝不相兼容;雖然磁通門傳感器在現(xiàn)階段可以完全集成到單一的CMOS芯片上,但是由于磁場存在突變,這就需要一個大的電流來滿足開環(huán)磁心的飽和,這有悖于低功耗的要求。前述磁性傳感器都是一維傳感器,即只能探測磁場在某個方向的大小。在需要探測磁場矢量的場合,比如電子羅盤、導航系統(tǒng)等,通常需要將三個傳感器三維組合起來形成三軸傳感器,這樣就大大增加了器件的設(shè)計難度和尺寸,不利于器件的集成和小型化。因此,有人提出了采用磁集中器使磁力線發(fā)生偏轉(zhuǎn)的方法,進而實現(xiàn)三維磁場的一維測量。在實際的傳感器設(shè)計中,磁集中器的大小、材料的性能參數(shù)、探測元件的大小、空間位置等對最終的三維傳感器性能都有一定的影響。本文中我們就以目前應(yīng)用最為廣泛的霍爾傳感器為例,運用有限元分析軟件COMSOLMultiphysics系統(tǒng)計算了加入磁集中器后對原磁場的影響,并給出了空間磁場的三軸分量和霍爾元件感應(yīng)到的磁場之間的大小關(guān)系。2軸分量的三維測量為了使一個CMOS傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)多軸測量功能,人們開發(fā)了一種基于在鐵磁體附近磁力線偏轉(zhuǎn)效應(yīng)的集成磁集中器(MFC)技術(shù),即使平行于磁集中器的磁力線彎曲到磁集中器中,因為磁通量在磁集中器的一邊上升,另一邊下降(圖1a)。如果把一個CMOS霍爾元件附著在一個磁集中器的表面,只要把這兩個霍爾元件的輸出電壓相減就可以得到一個正比于外部橫向磁通密度的電壓。如果用一個圓盤型的磁集中器并在其邊緣上每隔90°放置一個霍爾元件(圖1b),將四個霍爾元件的輸出信號通過模擬電路進行信號調(diào)理,不同霍爾元件的輸出電壓可以相加或相減,從而實現(xiàn)一個三軸霍爾傳感器的功能?；谝陨戏治?磁集中器和霍爾元件組合后霍爾元件感應(yīng)到的磁場值與原磁場在各個坐標軸上的分量應(yīng)存在如下對應(yīng)關(guān)系:其中,H1、H2、H3、H4是磁集中器加入后其邊緣附近磁場的垂直分量,即霍爾元件S1、S2、S3、S4感應(yīng)到的磁場值,Hx、Hy、Hz為原磁場在三個坐標軸方向上的分量,Cx、Cy、Cz為數(shù)值因子,反映了空34間磁場的三軸分量和霍爾元件感應(yīng)到的磁場之間的大小關(guān)系。則由(1)~(3)式得:由上式可以求出原始磁場在三個坐標軸上的分量,進而由矢量關(guān)系可求出原磁場的大小和方向,從而在傳統(tǒng)霍爾傳感器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)磁場的三維測量。本文的重點在于求出磁場空間半徑R1與磁集中器半徑R2的比值R1/R2、磁集中器的相對磁導率μr、霍爾元件距磁集中器底面的距離d、正方形霍爾元件的邊長l以及外磁場與霍爾元件底面的夾角θ變化時對Cx、Cy、Cz的值的影響。在本工作中我們首先假定一個半徑為150μm,厚10μm的薄圓片形磁集中器,以及在x-z平面內(nèi)與x軸夾角為30°、大小為80A/m的磁場。磁集中器的相對磁導率設(shè)定為500,霍爾元件的大小為10μm×10μm,距磁集中器底面20μm,為了避免COMSOLMultiphysics本身計算產(chǎn)生的誤差,運用Mathematica軟件對霍爾元件大小范圍內(nèi)的磁場值取平均。3結(jié)果及其分析3.1空間半徑的影響首先計算了磁場空間半徑R1與磁集中器半徑R2的比值R1/R2對數(shù)值因子C的影響,如圖2所示。圖2給出了四個霍爾元件所探測到的(a)磁場和(b)數(shù)值因子C的大小隨磁場空間半徑R1與磁集中器半徑R2的比值R1/R2的變化關(guān)系。磁集中器放入前Hx=69.28A/m、Hz=39.99A/m,由此圖可知,當磁場空間半徑大于或等于磁集中器半徑的4倍(600μm)時,無論是霍爾元件探測到的磁場值還是數(shù)值因子基本保持不變,其中H3、H4的值相等,其差值為零,計算得出Hz=0,這和預設(shè)條件是相吻合的。為了使以后的計算快捷、誤差較小,在此以后的計算中都選擇磁場空間半徑為磁集中器半徑的4倍。3.2相對磁導率對磁集中器土圖3顯示了在x-z平面內(nèi)與x軸夾角為30°、大小為80A/m的磁場,距磁集中器底面20μm時,數(shù)值因子C隨磁集中器相對磁導率μr的變化?？梢钥闯?垂直于磁集中器底面方向的數(shù)值因子不隨磁集中器相對磁導率的改變而改變,平行于磁集中器底面方向的數(shù)值因子隨磁集中器相對磁導率的變化而變化。這說明磁集中器的相對磁導率對垂直于其底面的磁通密度基本沒有影響,對平行于其底面的磁通密度有較大影響。主要原因在于當磁力線垂直于磁集中器的底面時,在磁集中器底面附近處磁力線的偏轉(zhuǎn)非常小,MFC幾乎是磁“透明”的,當磁力線平行于磁集中器的底面時,在磁集中器底面附近處磁力線彎曲到磁集中器中,從而導致接近MFC底面邊界處的磁力線偏轉(zhuǎn)。由圖3可知,在80A/m的磁場下,數(shù)值因子在磁集中器的相對磁導率為500時基本達到飽和,在以后的計算中,我們都設(shè)定磁集中器的相對磁導率為500。3.3磁集中器底部壓力的影響圖4顯示了霍爾元件距磁集中器底面距離d變化時,數(shù)值因子C的變化。由圖可知,垂直磁集中器底面的數(shù)值因子不變,平行磁集中器底面的數(shù)值因子隨距離的增大而減小,并且在平行于底面內(nèi)的兩個正交方向上,其值是相等的,這再一次證明了磁集中器對垂直于其底面的磁通密度基本沒有影響,而對平行于其底面的磁通密度有較大的影響,且隨著距離的增大,其影響減弱,這說明磁集中器在其附近對磁力線有匯聚作用。3.4磁集中器端面密度的變化圖5顯示了霍爾元件距磁集中器底面20μm、霍爾元件的邊長l改變時,數(shù)值因子C的變化。由圖可知,隨著霍爾片邊長的增大,垂直于磁集中器底面的數(shù)值因子基本不變,平行于磁集中器底面的數(shù)值因子減小,這再一次證明磁集中器能使平行其底面的磁力線在其底面附近處發(fā)生偏轉(zhuǎn),還表明在薄圓片形磁集中器底面邊緣的下方為磁通密度變化最大的地方,這對于實際應(yīng)用中具有重要意義。3.5磁集中器端面空間位置的影響圖6顯示了在x-z平面內(nèi)數(shù)值因子C隨磁場與霍爾元件底面夾角θ的變化,其中角度θ表示磁場方向與磁集中器法線之間的銳角。當磁場垂直于磁集中器的底面時,夾角為0°,當磁場平行于磁集中器的底面時,夾角為90°?；魻栐啻偶衅鞯酌?0μm。由圖6可以清楚地看到,在磁集中器和霍爾元件的參數(shù)和位置固定的情況下,無論磁場的大小和方向如何變化,盡管霍爾元件感應(yīng)到的磁場的垂直分量會有變化,但是磁集中器底面垂直方向磁場分量的數(shù)值因子保持在4.14左右,磁集中器底面平行方向磁場分量的數(shù)值因子保持在2.90左右,其中在0°和90°附近出現(xiàn)偏差的原因是由于此時Hx或Hz趨近于零,從而在數(shù)值計算上出現(xiàn)一個奇點,導致了較大的計算誤差。但在實際的器件中是不會出現(xiàn)奇點的,因此也不會對器件的性能產(chǎn)生影響。4磁集中器和傳感器的距離和尺寸在磁