基于有限元的80am1oe磁场传感器的研究

基于有限元的80am1oe磁场传感器的研究

1磁传感技术的应用一般磁体有三种类型：霍尔元件型、磁阻型和磁通型。霍尔元件式磁性传感器一般情况下用于磁场大于0.5mT并且磁场方向垂直于霍尔元件的场合,磁电阻式磁性传感器和磁通门式磁性传感器具有非常高的灵敏度,用于低磁场测量。然而与霍尔式磁性传感器相比,在低场情况下的DC磁场测量,各向异性磁电阻式磁性传感器需要设置一个复位线圈,这和传统的CMOS芯片技术的工艺不相兼容;虽然磁通门传感器在现阶段可以完全集成到单一的CMOS芯片上,但是由于磁场存在突变,这就需要一个大的电流来满足开环磁心的饱和,这有悖于低功耗的要求。前述磁性传感器都是一维传感器,即只能探测磁场在某个方向的大小。在需要探测磁场矢量的场合,比如电子罗盘、导航系统等,通常需要将三个传感器三维组合起来形成三轴传感器,这样就大大增加了器件的设计难度和尺寸,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线发生偏转的方法,进而实现三维磁场的一维测量。在实际的传感器设计中,磁集中器的大小、材料的性能参数、探测元件的大小、空间位置等对最终的三维传感器性能都有一定的影响。本文中我们就以目前应用最为广泛的霍尔传感器为例,运用有限元分析软件COMSOLMultiphysics系统计算了加入磁集中器后对原磁场的影响,并给出了空间磁场的三轴分量和霍尔元件感应到的磁场之间的大小关系。2轴分量的三维测量为了使一个CMOS传感器能够实现多轴测量功能,人们开发了一种基于在铁磁体附近磁力线偏转效应的集成磁集中器(MFC)技术,即使平行于磁集中器的磁力线弯曲到磁集中器中,因为磁通量在磁集中器的一边上升,另一边下降(图1a)。如果把一个CMOS霍尔元件附着在一个磁集中器的表面,只要把这两个霍尔元件的输出电压相减就可以得到一个正比于外部横向磁通密度的电压。如果用一个圆盘型的磁集中器并在其边缘上每隔90°放置一个霍尔元件(图1b),将四个霍尔元件的输出信号通过模拟电路进行信号调理,不同霍尔元件的输出电压可以相加或相减,从而实现一个三轴霍尔传感器的功能。基于以上分析,磁集中器和霍尔元件组合后霍尔元件感应到的磁场值与原磁场在各个坐标轴上的分量应存在如下对应关系:其中,H1、H2、H3、H4是磁集中器加入后其边缘附近磁场的垂直分量,即霍尔元件S1、S2、S3、S4感应到的磁场值,Hx、Hy、Hz为原磁场在三个坐标轴方向上的分量,Cx、Cy、Cz为数值因子,反映了空34间磁场的三轴分量和霍尔元件感应到的磁场之间的大小关系。则由(1)~(3)式得:由上式可以求出原始磁场在三个坐标轴上的分量,进而由矢量关系可求出原磁场的大小和方向,从而在传统霍尔传感器的基础上实现磁场的三维测量。本文的重点在于求出磁场空间半径R1与磁集中器半径R2的比值R1/R2、磁集中器的相对磁导率μr、霍尔元件距磁集中器底面的距离d、正方形霍尔元件的边长l以及外磁场与霍尔元件底面的夹角θ变化时对Cx、Cy、Cz的值的影响。在本工作中我们首先假定一个半径为150μm,厚10μm的薄圆片形磁集中器,以及在x-z平面内与x轴夹角为30°、大小为80A/m的磁场。磁集中器的相对磁导率设定为500,霍尔元件的大小为10μm×10μm,距磁集中器底面20μm,为了避免COMSOLMultiphysics本身计算产生的误差,运用Mathematica软件对霍尔元件大小范围内的磁场值取平均。3结果及其分析3.1空间半径的影响首先计算了磁场空间半径R1与磁集中器半径R2的比值R1/R2对数值因子C的影响,如图2所示。图2给出了四个霍尔元件所探测到的(a)磁场和(b)数值因子C的大小随磁场空间半径R1与磁集中器半径R2的比值R1/R2的变化关系。磁集中器放入前Hx=69.28A/m、Hz=39.99A/m,由此图可知,当磁场空间半径大于或等于磁集中器半径的4倍(600μm)时,无论是霍尔元件探测到的磁场值还是数值因子基本保持不变,其中H3、H4的值相等,其差值为零,计算得出Hz=0,这和预设条件是相吻合的。为了使以后的计算快捷、误差较小,在此以后的计算中都选择磁场空间半径为磁集中器半径的4倍。3.2相对磁导率对磁集中器土图3显示了在x-z平面内与x轴夹角为30°、大小为80A/m的磁场,距磁集中器底面20μm时,数值因子C随磁集中器相对磁导率μr的变化。可以看出,垂直于磁集中器底面方向的数值因子不随磁集中器相对磁导率的改变而改变,平行于磁集中器底面方向的数值因子随磁集中器相对磁导率的变化而变化。这说明磁集中器的相对磁导率对垂直于其底面的磁通密度基本没有影响,对平行于其底面的磁通密度有较大影响。主要原因在于当磁力线垂直于磁集中器的底面时,在磁集中器底面附近处磁力线的偏转非常小,MFC几乎是磁“透明”的,当磁力线平行于磁集中器的底面时,在磁集中器底面附近处磁力线弯曲到磁集中器中,从而导致接近MFC底面边界处的磁力线偏转。由图3可知,在80A/m的磁场下,数值因子在磁集中器的相对磁导率为500时基本达到饱和,在以后的计算中,我们都设定磁集中器的相对磁导率为500。3.3磁集中器底部压力的影响图4显示了霍尔元件距磁集中器底面距离d变化时,数值因子C的变化。由图可知,垂直磁集中器底面的数值因子不变,平行磁集中器底面的数值因子随距离的增大而减小,并且在平行于底面内的两个正交方向上,其值是相等的,这再一次证明了磁集中器对垂直于其底面的磁通密度基本没有影响,而对平行于其底面的磁通密度有较大的影响,且随着距离的增大,其影响减弱,这说明磁集中器在其附近对磁力线有汇聚作用。3.4磁集中器端面密度的变化图5显示了霍尔元件距磁集中器底面20μm、霍尔元件的边长l改变时,数值因子C的变化。由图可知,随着霍尔片边长的增大,垂直于磁集中器底面的数值因子基本不变,平行于磁集中器底面的数值因子减小,这再一次证明磁集中器能使平行其底面的磁力线在其底面附近处发生偏转,还表明在薄圆片形磁集中器底面边缘的下方为磁通密度变化最大的地方,这对于实际应用中具有重要意义。3.5磁集中器端面空间位置的影响图6显示了在x-z平面内数值因子C随磁场与霍尔元件底面夹角θ的变化,其中角度θ表示磁场方向与磁集中器法线之间的锐角。当磁场垂直于磁集中器的底面时,夹角为0°,当磁场平行于磁集中器的底面时,夹角为90°。霍尔元件距磁集中器底面20μm。由图6可以清楚地看到,在磁集中器和霍尔元件的参数和位置固定的情况下,无论磁场的大小和方向如何变化,尽管霍尔元件感应到的磁场的垂直分量会有变化,但是磁集中器底面垂直方向磁场分量的数值因子保持在4.14左右,磁集中器底面平行方向磁场分量的数值因子保持在2.90左右,其中在0°和90°附近出现偏差的原因是由于此时Hx或Hz趋近于零,从而在数值计算上出现一个奇点,导致了较大的计算误差。但在实际的器件中是不会出现奇点的,因此也不会对器件的性能产生影响。4磁集中器和传感器的距离和尺寸在磁