Датчик магнитного поля MEMS - MEMS magnetic field sensor

Трехосный электронный магнитометр от АКМ Полупроводник, внутри Motorola Xoom

А МЭМС датчик магнитного поля это небольшой микроэлектромеханические системы (MEMS) устройство для обнаружения и измерения магнитных полей (Магнитометр ). Многие из них работают, обнаруживая эффекты Сила Лоренца: изменение напряжения или резонансная частота может быть измерено электронным способом, или механическое смещение может быть измерено оптическим способом. Компенсация температурных воздействий необходима. Его использование в качестве миниатюрного компас может быть одним из таких простых примеров приложения.

Измерение магнитного поля

Магнитометры можно разделить на четыре основных типа[1] в зависимости от величины измеряемого поля. Если целевой B-поле больше земли магнитное поле (максимальное значение около 60 мкТл) датчик не обязательно должен быть очень чувствительным. Чтобы измерить поле Земли больше, чем геомагнитный шум (около 0,1 нТл), требуются более совершенные датчики. Для применения обнаружение магнитных аномалий, датчики в разных местах должны использоваться для подавления пространственно-коррелированного шума, чтобы достичь лучшего Пространственное разрешение. Чтобы измерить поле ниже геомагнитного шума, необходимо использовать гораздо более чувствительные датчики магнитного поля. Эти датчики в основном используются в медицинских и биомедицинских приложениях, таких как МРТ и мечение молекул.

Есть много подходов к магнитному зондированию, в том числе Датчик холла, магнитодиод, магнитотранзистор, AMR магнитометр, GMR магнитометр, магнитный туннельный переход магнитометр, магнитооптический датчик, Сила Лоренца основан МЭМС датчик Электронное туннелирование датчик на базе МЭМС, МЭМС компас, Датчик магнитного поля ядерной прецессии, датчик магнитного поля с оптической накачкой, феррозондовый магнитометр, поисковая катушка датчик магнитного поля и СКВИД-магнитометр.

Достоинства магнитного датчика MEMS

Магнитные датчики MEMS имеют несколько параметров: коэффициент качества (Q), частоту резонанса, форму моды, чувствительность и разрешение.

Добротность - это мера того, сколько энергии может поддерживаться во время вибрации резонатора. Может быть несколько факторов, которые могут демпфировать резонатор, например, механическое демпфирование самого резонатора или демпфирование от внешнего давления и температуры. [2]

Резонансная частота - это частота, на которой устройство вибрирует с максимальной амплитудой (или самой продолжительной, как при ударе колокола или камертона). Частота резонанса зависит от геометрии устройства. Мы можем рассчитать резонансную частоту, зная размер устройства, что эквивалентно Модуль для младших устройства и эквивалентной плотности устройства. [3]

Форма моды - это характер колебаний резонатора. [4]

Отзывчивость (который способствует разрешению) описывает величину колебаний, которые мы можем получить от устройств с одинаковыми внешними условиями. Если мы подаем один и тот же ток и поле B к нескольким резонаторам, говорят, что устройства, которые показывают большие амплитуды вибрации, имеют более высокую чувствительность. При прочих равных условиях устройство с более высокой чувствительностью более чувствительно. Диапазон магнитометров на основе пьезоэлектрических резонаторов составляет мВ / Тл (милливольт / Тесла), поэтому более высокая чувствительность обычно лучше.[5]

Разрешение относится к наименьшему магнитному полю, которое может измерить устройство. Чем меньше число, тем чувствительнее устройство. Диапазон магнитометров на основе пьезоэлектрического резонатора составляет единицы нТл (нанотесла).[6]

Преимущества датчиков на основе MEMS

Датчик магнитного поля на основе МЭМС имеет небольшие размеры, поэтому его можно разместить близко к месту измерения и тем самым достичь более высокого пространственного разрешения, чем у других датчиков магнитного поля. Кроме того, создание датчика магнитного поля MEMS не требует микротехнология из магнитного материала. Следовательно, стоимость датчика может быть значительно снижена. Интеграция датчика MEMS и микроэлектроника может дополнительно уменьшить размер всей системы измерения магнитного поля.

Датчик MEMS на основе силы Лоренца

Этот тип датчика основан на механическом движении структуры MEMS из-за силы Лоренца, действующей на проводник с током в магнитном поле. Механическое движение микроструктуры воспринимается электронным или оптическим способом. Механическая конструкция часто доводится до резонанс для получения максимального выходного сигнала. Пьезорезистивный и электростатический трансдукция методы могут использоваться в электронном обнаружении. Измерение смещения с помощью лазерного источника или светодиодного источника также может использоваться в оптическое обнаружение. В следующих подразделах будут рассмотрены несколько датчиков с точки зрения различных выходных сигналов датчика.

Измерение напряжения

Beroulle et al.[7] изготовили U-образную форму консольная балка на кремниевой подложке. На торцы опоры уложены два пьезорезистора. По U-образной балке проходит 80-витковая катушка из алюминия. Мост Уитстона формируется путем соединения двух «активных» резисторов с двумя другими «пассивными» резисторами, которые не подвержены деформации. Когда к проводнику с током приложено внешнее магнитное поле, движение пучка U-образной формы вызывает деформацию в двух «активных» пьезорезисторах и, таким образом, генерирует выходное напряжение на Мост Уитстона который пропорционален плотности потока магнитного поля. Заявленная чувствительность этого датчика составляет 530 м В среднеквадратичного значения / Тл с разрешением 2 мкТл. Обратите внимание, что частота возбуждающего тока установлена ​​равной резонансной частоте U-образного луча, чтобы максимизировать чувствительность.

Herrera-May et al.[8] изготовить датчик с аналогичным подходом к пьезорезистивному считыванию, но с другим механическим движением. Их датчик основан на крутильном движении микропластины, изготовленной из кремниевой подложки. Захватывающий токовая петля содержит 8 витков алюминиевой катушки. Расположение токовой петли обеспечивает более равномерное распределение силы Лоренца по сравнению с вышеупомянутой консольной балкой U-образной формы. Заявленная чувствительность составляет 403 мВ среднеквадратического значения / Тл с разрешением 143 нТл.

Kádár et al.[9] в качестве механической конструкции также выбрала микрокрутильную балку. Их подход к считыванию иной. Вместо пьезорезистивного преобразования в их датчике используется электростатическое преобразование. Они сделали несколько узоров электроды на поверхности микропланшета и другой внешней стеклянной пластины. Затем стеклянная пластина соединяется с кремниевой подложкой для образования переменный конденсатор множество. Сила Лоренца, создаваемая внешним магнитным полем, приводит к изменению решетки конденсаторов. Заявленная чувствительность составляет 500 В среднеквадратического значения / Тл с разрешением несколько мТл. Разрешение может достигать 1 нТл при работе в вакууме.

Emmerich et al.[10] изготовили решетку переменных конденсаторов на единой кремниевой подложке с гребенчатой ​​структурой. Заявленная чувствительность составляет 820 В среднеквадратического значения / Тл с разрешением 200 нТл при уровне давления 1 мбар.

Определение сдвига частоты

Другой тип датчика магнитного поля MEMS на основе силы Лоренца использует сдвиг механический резонанс из-за силы Лоренца, действующей на определенные механические конструкции.

Sunier et al.[11] изменить структуру вышеупомянутой консольной балки U-образной формы, добавив изогнутую опору. Пьезорезистивный чувствительный мост проложен между двумя резисторами срабатывания нагрева. Частотная характеристика выходного напряжения измерительного моста измеряется для определения резонансной частоты конструкции. Обратите внимание, что в этом датчике через алюминиевую катушку протекает постоянный ток. Механическая конструкция фактически приводится в действие нагревательным резистором при его резонансе. Сила Лоренца, приложенная к U-образной балке, изменит резонансную частоту луча и тем самым изменит частотную характеристику выходного напряжения. Заявленная чувствительность составляет 60 кГц / Тл с разрешением 1 мкТл.

Bahreyni et al.[12] изготовили структуру гребенчатой ​​фигуры поверх кремниевой подложки. Центральный челнок подключен к двум проводникам с зажимом-зажимом, которые используются для изменения внутреннего напряжения движущейся конструкции при приложении внешнего магнитного поля. Это вызовет изменение резонансной частоты конструкции гребенчатого пальца. Этот датчик использует электростатическое преобразование для измерения выходного сигнала. Заявленная чувствительность улучшена до 69,6 Гц / Т благодаря структуре с высоким механическим коэффициентом добротности (Q = 15000 @ 2 Па) в условиях вакуума. Заявленное разрешение составляет 217 нТл.

Оптическое зондирование

Оптическое зондирование предназначено для прямого измерения механического смещения структуры МЭМС для определения внешнего магнитного поля.

Zanetti et al.[13] изготовил луч ксилофона. Ток, протекающий через центральный проводник и мару луча ксилофона, будет отклоняться под действием силы Лоренца. Прямое механическое смещение измеряется внешним лазерным источником и детектором. Может быть достигнуто разрешение 1 нТл. Wickenden[14] пытались в 100 раз уменьшить площадь, занимаемую этим типом устройств. Но сообщалось о гораздо более низком разрешении 150 мкТл.

Keplinger et al.[15][16] пытались использовать светодиодный источник для оптического зондирования вместо использования внешнего лазерного источника. Оптические волокна были выровнены на кремниевой подложке с различным расположением датчиков смещения. Сообщается о разрешении 10 мТл.

Джон Охур Деннис[17], Фарук Ахмад, М. Харис Бин Мд Хир и Нор Хишам Бин Хамид изготовили датчик CMOS-MEMS, состоящий из челнока, который спроектирован так, чтобы резонировать в боковом направлении (первый режим резонанса). В присутствии внешнего магнитного поля сила Лоренца приводит в движение челнок в боковом направлении, и амплитуда резонанса измеряется с помощью оптического метода. Дифференциальное изменение амплитуды резонирующего челнока показывает силу внешнего магнитного поля. Чувствительность датчика определяется в статическом режиме и составляет 0,034 мкм / мТл при прохождении тока 10 мА через шаттл, в то время как обнаружено, что в резонансе она выше и составляет 1,35 мкм / мТл при токе 8 мА. Наконец, разрешение сенсора составляет 370,37 мкТл.

Температурные эффекты

При повышении температуры Модуль для младших материала, используемого для изготовления движущейся конструкции, уменьшается, или, проще говоря, движущаяся конструкция размягчается. Тем временем, тепловое расширение и теплопроводность увеличиваются, при этом температура вызывает внутреннее напряжение в движущейся конструкции. Эти эффекты могут привести к смещению резонансная частота подвижной конструкции, что эквивалентно шуму для измерения сдвига резонансной частоты или измерения напряжения. Кроме того, повышение температуры приведет к увеличению Джонсон шум (влиять на пьезорезистивная трансдукция ) и увеличить механическую шум колебаний (что влияет на оптическое восприятие). Следовательно, необходимо использовать передовую электронику для компенсации температурного воздействия, чтобы поддерживать чувствительность при изменении температуры.

Приложения

Обнаружение дефектов электропроводящего материала

Магнитометры на основе пьезоэлектрических резонаторов могут применяться для поиска дефектов в критических для безопасности металлических конструкциях, таких как воздушные винты, двигатели, конструкции фюзеляжа и крыла, а также в нефте- или газопроводах высокого давления. Когда магнит (обычно электромагнит, создающий поле переменной частоты) создает вихревые токи в материале вихревые токи создают в материале другое магнитное поле, которое может быть обнаружено магнитометром. Если в трубопроводе нет дефектов или трещин, магнитное поле от вихревого тока демонстрирует постоянную картину, когда оно движется по исследуемому материалу. Но трещина или ямка в материале прерывают вихревой ток, поэтому магнитное поле изменяется, позволяя чувствительному магнитометру обнаруживать и локализовать дефект.[18]

Наблюдение за здоровьем органов грудной полости

Когда мы дышим, нервы и мышцы нашего грудная полость создают слабое магнитное поле. Магнитометры на основе пьезоэлектрических резонаторов имеют высокое разрешение (в диапазоне нТл), что позволяет проводить твердотельное зондирование нашей дыхательной системы. [19]

Рекомендации

Деннис, Джон Оджур и др. «Оптические характеристики датчика магнитного поля CMOS-MEMS на основе силы Лоренца». Датчики 15.8 (2015): 18256-18269.

  1. ^ Ленц, Дж., Эдельштейн, А.С., "Магнитные датчики и их приложения". Датчики IEEE J. 2006, 6, 631-649.
  2. ^ Табризиан, Р. (2016) Затухающие колебания микроструктур и моделирование сосредоточенных элементов и преобразователи (слайды в формате pdf) Получено из Департамента электротехники и вычислительной техники, EEL 4930/5934 Резонансные микроэлектро-механические системы
  3. ^ Табризиан Р. (2016) Обзор и введение (слайды в формате pdf) Получено из Департамента электротехники и вычислительной техники, EEL 4930/5934 Резонансные микроэлектро-механические системы
  4. ^ Чаудхури Р. Р., Басу Дж. И Бхаттачарья Т. К. (2012). Проектирование и изготовление микромашинных резонаторов. препринт arXiv arXiv:1202.3048.
  5. ^ Террера-Мэй, А. Л., Солер-Балькасар, Х. К., Васкес-Леаль, Х., Мартинес-Кастильо, Дж., Вигерас-Зунига, М. О., и Агилера-Кортес, Л. А. (2016). Последние достижения МЭМС-резонаторов для датчиков магнитного поля на основе силы Лоренца: конструкция, применение и проблемы. Датчики, 16 (9), 1359.
  6. ^ Эррера-Мэй, А. Л., Солер-Балькасар, Х. К., Васкес-Леаль, Х., Мартинес-Кастильо, Дж., Вигерас-Сунига, М. О., и Агилера-Кортес, Л. А. (2016). Последние достижения МЭМС-резонаторов для датчиков магнитного поля на основе силы Лоренца: конструкция, применение и проблемы. Датчики, 16 (9), 1359.
  7. ^ Beroulle, V .; Bertrand, Y .; Latorre, L .; Ноуэ, П. Монолитные пьезорезистивные КМОП-датчики магнитного поля. Приводы Sens. A 2003, 103, 23-32
  8. ^ Herrera-May, A.L .; Гарсиа-Рамирес, П.Дж .; Агилера-Кортес, Лос-Анджелес; Martínez-Castillo, J .; Sauceda-Carvajal, A .; García-González, L .; Фигерас-Коста, Э. Резонансный микросенсор магнитного поля с высокой добротностью при атмосферном давлении. J. Micromech. Microeng. 2009, 19, 015016.
  9. ^ Kádár, Z .; Bossche, A .; Сарро, П.М.; Моллингер, Дж. Р. Измерения магнитного поля с использованием встроенного резонансного датчика магнитного поля. Sens. Actuators A 1998, 70, 225-232.
  10. ^ Emmerich, H .; Шёфтхалер, М. Измерения магнитного поля с помощью нового поверхностного микромашинного датчика магнитного поля. IEEE Tans. Электрон Дев. 2000, 47, 972-977.
  11. ^ Sunier, R .; Vancura, T .; Li, Y .; Kay-Uwe, K .; Baltes, H .; Бренд, О. Датчик резонансного магнитного поля с частотным выходом. J. Microelectromech. Syst. 2006, 15, 1098-1107.
  12. ^ Bahreyni, B .; Шафай, К. Резонансный микромашинный датчик магнитного поля. Датчик IEEE J. 2007, 7, 1326-1334.
  13. ^ Zanetti, L.J .; Potemra, T.A .; Oursler, D.A .; Lohr, D.A .; Андерсон, Б.Дж .; Givens, R.B .; Викенден, Д.К .; Osiander, R .; Кистенмахер, T.J .; Дженкинс, Р. Миниатюрные датчики магнитного поля на основе резонаторов ксилофона. В области науки и технологий для миссий класса "Созвездие"; Ангелопулос В., Панетта П.В., ред .; Калифорнийский университет: Беркли, Калифорния, США, 1998 г .; С. 149-151.
  14. ^ Викенден, Д.К .; Чемпион, J.L .; Osiander, R .; Givens, R.B .; Lamb, J.L .; Miragliotta, J.A .; Oursler, D.A .; Кистенмахер, Т. Резонирующий стержневой магнитометр из ксилофона из микромеханического поликремния. Acta Astronautica 2003, 52, 421-425.
  15. ^ Кеплингер, Ф .; Квасница, С .; Hauser, H .; Грёссингер, Р. Оптические считывающие устройства изгиба кантилевера, разработанные для приложения с сильным магнитным полем. IEEE Trans. Magn. 2003, 39, 3304-3306.
  16. ^ Кеплингер, Ф .; Квасница, С .; Яхимович, А .; Коль, Ф .; Steurer, J .; Хаузер, Х. Датчик магнитного поля на основе силы Лоренца с оптическим считыванием. Приводы Sens. A 2004, 110, 12-118.
  17. ^ Деннис, Джон Оджур и др. «Оптические характеристики датчика магнитного поля CMOS-MEMS на основе силы Лоренца». Датчики 15.8 (2015): 18256-18269.
  18. ^ Эррера-Мэй, А. Л., Солер-Балькасар, Х. К., Васкес-Леаль, Х., Мартинес-Кастильо, Дж., Вигерас-Сунига, М. О., и Агилера-Кортес, Л. А. (2016). Последние достижения МЭМС-резонаторов для датчиков магнитного поля на основе силы Лоренца: конструкция, применение и проблемы. Датчики, 16 (9), 1359.
  19. ^ Эррера-Мэй, А. Л., Солер-Балькасар, Х. К., Васкес-Леаль, Х., Мартинес-Кастильо, Дж., Вигерас-Сунига, М. О., и Агилера-Кортес, Л. А. (2016). Последние достижения МЭМС-резонаторов для датчиков магнитного поля на основе силы Лоренца: конструкция, применение и проблемы. Датчики, 16 (9), 1359.