平面雙軸式磁通閘之分析與應用

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陳鴻名(CHEN,HONG-MING) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

平面雙軸式磁通閘之分析與應用

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摘要(中)

隨著科技進步，感測器的應用已廣泛應用於汽車、醫療、智慧型產品等，若能進一步將目前成熟的半導體製程用於磁感測器之製作，將是一種極具開發潛力之應用。磁力計是用於量測磁場，再將該訊號轉換成電訊號輸出的元件，由於各種磁場感測器的原理及方法並不相同，且每種都有其限制，本研究將針對量測線性範圍約為幾十μT之磁通閘進行設計開發，希望可進一步與電子元件或其他裝置整合，開發出新型的磁感測器。
本研究首先利用ANSYS Maxwell 3D進行磁通閘的元件模擬，在模擬部份本研究改變線圈及磁芯參數去觀察最大磁通密度變化的狀況，發現線寬與線距越大對於磁通密度是成正比，不過現今感測器趨勢，放大並不是現今主流，故本研究決議以固定元件面積(5 cm×5 cm)並改變線圈寬度與線圈間距，再以PCB板進行實作驗證，希望能將模擬與實作整合並進行分析。
最終發現，由於元件線圈寬度不同，導致在相同電流下，產生的激發磁場有所不同，使磁芯飽和狀況有異，故量測的靈敏度有所高低，並發現靈敏度與線性程度並不成比例，但是藉由匹配不同磁芯寬度與激發電流的情況下，可以找到較佳值，目前在本研究測試歸納得到，在激發頻率50 kHz下採用不同參數值，可達到最佳靈敏性366.4265 (V/T)且線性量測範圍為0~75 µT，以及最佳線性度0~100 µT且靈敏性219.1429 (V/T)，預期後續將針對訊號處理儀器進行電路修改測試，進而達到晶片整合化的移動裝置。
關鍵字：磁通閘、感應電壓、感測器

摘要(英)

Nowadays, sensors are widely used in cars, medical equipment, and intelligent systems for various applications. For magnetic field detections, several types of magnetic field sensors are developed with different limitations. This research is aimed to develop magnetic flux gate with dynamic range of tens of μT.
ANSYS Maxwell 2D/ANSYS Maxwell 3D software is applied to simulate the performance of planar 2-axis magnetic flux gate. Different parameters of coils and magnetic core were adapted in order to observe the fluctuations of maximum flux density. In this research, area of element (5 cm×5 cm) is fixed by altering line spaces and line width. Experiments with PCB are used to verify the simulations.

關鍵字(中)

★ 磁通閘
★ 感應電壓
★ 感測器

關鍵字(英)

論文目次

摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xi
第1章緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 磁通閘磁感測器背景 3
1.4 文獻回顧 5
1.5 本文架構 12
第2章基礎理論 13
2.1 安培定律 13
2.2 電磁感應 14
2.3磁化曲線 15
2.3.1磁性物質的磁化過程 15
2.3.2飽和磁滯曲線和基本參數 17
2.4磁通閘運作及架構 19
2.4.1平面雙軸式磁通閘原理 19
2.4.2感應電壓輸出 21
第3章模擬與分析 24
3.1 環境介紹 24
3.1.1元件參數 25
3.1.2三維模型 25
3.1.3材料選擇 25
3.1.4電流設定 25
3.1.5邊界條件 25
3.1.6分析結果 25
3.2 調整線圈參數測試模擬 27
3.2.1元件參數 27
3.2.2三維模型 28
3.2.3材料選擇 28
3.2.4電流設定 28
3.2.5邊界條件設定 28
3.2.6分析設定 33
3.2.7分析結果 33
3.3 調整磁芯參數測試模擬 37
3.3.1元件參數 37
3.3.2分析設定 38
3.3.3分析結果 38
第4章實驗流程、步驟與方法 43
4.1 設計概念 44
4.1.1感應線圈佔1/4的原因 44
4.1.2旋向設計 44
4.1.2.1單一軸兩感應線圈旋向相同 45
4.1.3參數設計 45
4.2 印刷電路板製作 46
4.2.1光罩設計 46
4.2.2位置配置 48
4.2.3製作流程與參數設定 48
4.2.3.1製作流程 48
4.2.3.2儀器設備 50
4.2.3.3參數設定 50
4.2.3.4成品展示 50
4.3磁芯材料 51
第5章量測分析 54
5.1量測系統 54
5.1.1亥姆霍茲線圈 57
5.1.2差動放大電路 58
5.2量測結果 59
5.2.1磁芯寬度的影響 59
5.2.2線圈寬度的影響 69
5.2.3線性範圍與靈敏度比較 75
5.2.4激發頻率的影響 79
第6章結論與未來展望 88
6.1 結論 88
6.2 未來展望 89
第7章參考文獻 90
附錄A 實驗加工儀器設備 92
附錄B 檢測加工儀器設備 93
附錄C 研究使用IC Datasheet 95

圖目錄
圖1.1 磁通閘分類 4
圖1.2 環形磁通閘[8] 5
圖1.3 環形磁通閘[9] 6
圖1.4 環形磁通閘[10] 7
圖1.5 環形磁通閘[11] 7
圖1.6 跑道型磁通閘[12] 8
圖1.7 跑道型磁通閘[13][14] 9
圖1.8 跑道型磁通閘[15] 9
圖1.9 平面型磁通閘[16] 10
圖1.10平面型磁通閘[17] 11
圖2.1安培右手定則示意圖[19] 13
圖2.2冷次定律示意圖[20] 14
圖2.3鐵磁材料的磁化特性[21] 16
圖2.4磁芯的磁滯曲線 18
圖2.5平面雙軸式磁通閘結構示意圖[22] 19
圖2.6 Core A及Core B受到一外加待測磁場的(上) B-H圖；(下) H-t圖 20
圖2.7產生兩倍頻示意流程圖 22
圖3.1模擬流程圖 24
圖3.2設定電流大小及方向 26
圖3.3定義邊界大小 26
圖3.4元件擺放架構 29
圖3.5設定電流方向 32
圖3.6整個元件架構(含Region) 33
圖3.7顯示作圖步驟 34
圖3.8磁通密度分析步驟 34
圖3.9不同線寬的磁場分布圖 36
圖3.10不同磁芯寬度的磁場分布圖 40
圖3.11不同磁芯層數的磁場分布圖 42
圖4.1設計流程 43
圖4.2激發磁場示意圖 44
圖4.3感應線圈的接線方式 45
圖4.4光罩設計圖 46
圖4.5位置配置圖 48
圖4.6製作流程圖 49
圖4.7成品圖 50
圖4.8磁芯對準器成品圖 51
圖5.1量測架構示意圖 55
圖5.2訊號量測圖(CH1:輸出倍頻) 56
圖5.3輸出直流磁場值 56
圖5.4差動放大器的電路圖 58
圖5.5磁芯寬度對磁場電壓轉移率的影響(250 µm) 62
圖5.6磁芯寬度對磁場電壓轉移率的影響(300 µm) 65
圖5.7磁芯寬度對磁場電壓轉移率的影響(350 µm) 68
圖5.8線圈寬度對磁場電壓轉移率的影響(1 mm) 72
圖5.9線圈寬度對磁場電壓轉移率的影響(5 mm) 75
圖5.10不同磁芯寬度對靈敏性的影響 78
圖5.11改變頻率的趨勢圖 80
圖5.12未經鎖相放大器檢測的感應電壓圖 86

表目錄
表1.1 不同種類磁感測器的磁特性與操作範圍比較[3] 3
表1.2 平行式與垂直式磁通閘優缺點比較[5][6] 4
表3.1 線寬模擬的尺寸 27
表3.2 激發線圈材料(銅)性質 30
表3.3.1磁芯材料性質設定 31
表3.3.2磁芯材料性質設定(B-H曲線) 32
表3.4線圈模擬的尺寸 37
表3.5磁芯寬度的尺寸 37
表3.6磁芯厚度的尺寸 38
表4.1線圈參數 47
表4.2儀器設備表 50
表4.3製程參數 50
表4.4磁芯參數表 53
表5.1電流對應磁場值表 58
表5.2量測結果數據 87

參考文獻

[1]http://www.teema.org.tw/industry-information-detail.aspx?infoid=9286
[2]P. Ripka, “Review of fluxgate sensors”, Sens. Actuators A, Volume 33, pp.129–141,1992.
[3]A. Baschirottoa, E. Dallagob, M. Ferrib, P. Malcovatib, A. Rossinib, G. Venchib,“A 2D micro-fluxgate earth magnetic field measurement systems with fully automated acquisition setup”, Measurement, Volume 43, Issue 1, pp.46–53, January 2010.
[4]F. Primdahl, “The fluxgate magnetometer,” J. Phys. E: Sci. Instrum, Volume 12, pp.241–253, 1979.
[5]https://www.greyc.fr/sites/default/files/electronique/4%202012%20Mattia%20Ortho%20Fluxgatt.pdf
[6]P. Ripka, “Advances in fluxgate sensors”, Sensors and Actuators A, Volume 106, pp.8–14, 2003.
[7]D.I. Gordon and R.E. Brown, “Recent advances in fluxgate magnetometry, ” IEEE Trans. Magn, Volume 8, pp.76–92 ,1972.
[8]T.M. Liakopoulos, C.H. Ahn, “A micro-fluxgate magnetic sensor using micromachined planar solenoid coils”, Sensors and Actuators A, Volume 77, pp.66–72, 1999.
[9]O. Dezuari, E. Belloy, S.E. Gilbert, M.A.M. Gijs, “New hybrid technology for planar fluxgate sensor fabrication,” IEEE Trans. Magn, Volume 35 , pp.2111–2117, 1999.
[10]L. Perez, C. Aroca, P. Sánchez, E. López and M. C. Sánchez, “Planar fluxgate sensor with an electrodeposited amorphous core”, Sensors and Actuators A, Volume 109, pp.208–211, 2004.
[11]W.Y. Choi and J.O. Kim, “Two-axis micro fluxgate sensor on single chip”, Microsyst. Technol, Volume. 12, pp.352–356 ,2006.
[12]C. Hinnrichs, C. Pels, H. Schilling, “Noise and linearity of a fluxgate magnetometer in racetrack geometry”, J. Appl. Phy., Volume 87, pp.7085–7087,2000.
[13]P. Ripka, “Race-track fluxgate with adjustable feedthrough”, Sens. Actuators A, Volume 85, pp.227–231, 2000.
[14]http://www.google.com/patents/WO2000049422A1?cl=en
[15]J. Kubik, L. Pavel, P. Repka,“ PCB racetrack fluxgate sensor with improved temperature stability”. Sensors and Actuators A: Physical, Volume 130,pp.184-188, 2006.
[16]A. Baschirotto, E. Dallago, P. Malcovat, M. Marchesi & G. Venchi,. “Fluxgate magnetic sensor in PCB technology”.IEEE instrumentation and measurement technology conference proceedings , Volume 2, pp.808-812, 1999.
[17]A. Baschirotto , E. Dallago , P. Malcovati , M. Marchesi and G. Venchi “Precise vector-2D magnetic field sensor system for electronic compass”, Proc. IEEE Sens, pp.1028 -1031 , 2004 .
[18]A. Baschirotto , E. Dallago , P. Malcovati , M. Marchesi and G. Venchi “Design and characterization of a family of fluxgate magnetic sensors in PCB technology”, AISEM 2004 Conf, 2004.
[19]https://zh.wikipedia.org/wiki
[20]吳嘉殷，雙頻帶微型電磁式發電機，國立中央大學機械研究所, 2013。
[21]http://www.fulltran.com/application/em_application/electromagnetism/train_window/tfdesign/tfdesign4.pdf
[22]A. Baschirotto, “Fluxgate Magnetic Sensor System for Electornic Compass”, PhD dissertation, University of Pavia, 2006.
[23]A. Baschirotto, Enrico Dallago, Piero Malcovati, Marco Marchesi, and Giuseppe Venchi, “A Fluxgate Magnetic Sensor: From PCB to Micro-Integrated Technology,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Volume 56, no. 1, pp. 25-31, 2007.
[24]http://www.metglas.com/products/magnetic_materials/2714a.asp
[25]http://www.phys.nthu.edu.tw/~gplab/file/18%20Helmholtz%20Coils/Magnetic%20fields%20of%20Helmholtz%20Coil.pdf

指導教授

陳世叡(SHIH-JUI CHEN)

審核日期

2015-8-17

推文