MEMS magnetfältssensor

Tri-axis elektronisk magnetometer från AKM Semiconductor , inuti Motorola Xoom

En MEMS magnetfältssensor är en småskalig mikroelektromekaniska system (MEMS) anordning för att detektera och mäta magnetiska fält ( Magnetometer ). Många av dessa fungerar genom att detektera effekter av Lorentz-kraften : en förändring i spänning eller resonansfrekvens kan mätas elektroniskt, eller en mekanisk förskjutning kan mätas optiskt. Kompensation för temperatureffekter är nödvändig. Dess användning som en miniatyriserad kompass kan vara en sådan enkel exempelapplikation.

Magnetfältsavkänning

Magnetometrar kan kategoriseras i fyra generella typer beroende på storleken på det uppmätta fältet. Om det riktade B-fältet är större än jordmagnetfältet ( maxvärde runt 60 μT), behöver sensorn inte vara särskilt känslig. För att mäta jordfältet större än det geomagnetiska bruset (cirka 0,1 nT) krävs bättre sensorer. För tillämpning av magnetisk anomalidetektering måste sensorer på olika platser användas för att avbryta det rumskorrelerade bruset för att uppnå en bättre rumslig upplösning . För att mäta fältet under det geomagnetiska bruset måste mycket känsligare magnetfältsensorer användas. Dessa sensorer används huvudsakligen i medicinska och biomedicinska tillämpningar, såsom MRI och molekyltaggning.

Det finns många tillvägagångssätt för magnetisk avkänning, inklusive Hall-effektsensor , magneto-diod, magneto-transistor, AMR - magnetometer , GMR -magnetometer, magnetisk tunnelövergångsmagnetometer , magneto-optisk sensor, Lorentz kraftbaserad MEMS - sensor, Electron Tunneling- baserad MEMS-sensor, MEMS kompass , kärnprecession magnetfältssensor, optiskt pumpad magnetfältssensor, fluxgate magnetometer , sökspole magnetfältsensor och SQUID magnetometer .

Meritiffror för MEMS magnetisk sensor

MEMS magnetiska sensorer har flera parametrar: Kvalitetsfaktor (Q), Resonansfrekvens, Mode Shape, Responsivity och Resolution.

Kvalitetsfaktor är ett mått på hur mycket energi som kan bibehållas under vibration av resonatorn. Det kan finnas flera faktorer som kan dämpa resonatorn, såsom mekanisk dämpning av själva resonatorn eller dämpning från yttre tryck och temperatur.

Resonansfrekvens är den frekvens vid vilken enheten vibrerar med den högsta amplituden (eller den längsta, som en klocka eller stämgaffel). Resonansfrekvensen styrs av enhetens geometri. Vi kan beräkna resonansfrekvensen när vi känner till enhetens dimension, enhetens ekvivalenta Youngs modul och enhetens ekvivalenta densitet.

Modformen är mönstret för resonatorns vibration.

Responsivity (som bidrar till upplösning) beskriver storleken på den oscillation vi kan få från enheter med samma yttre tillstånd. Om vi ​​applicerar samma ström och B-fält på flera resonatorer, sägs enheter som visar större vibrationsamplituder ha en högre responsivitet. Allt annat lika är en enhet med högre responsivitet känsligare. Utbudet av magnetometrar baserade på piezoelektriska resonatorer är mV/T (millivolt/Tesla), så högre responsivitet är generellt sett bättre.

Upplösning hänvisar till det minsta magnetfält en enhet kan mäta. Ju mindre nummer, desto känsligare är enheten. Utbudet av magnetometrar baserade på piezoelektrisk resonator är några få nT (nanoTesla).

Fördelar med MEMS-baserade sensorer

En MEMS-baserad magnetfältssensor är liten, så den kan placeras nära mätplatsen och därmed uppnå högre rumslig upplösning än andra magnetfältssensorer. Dessutom kräver konstruktionen av en MEMS magnetfältsensor inte mikrotillverkning av magnetiskt material. Därför kan kostnaden för sensorn reduceras avsevärt. Integration av MEMS-sensor och mikroelektronik kan ytterligare minska storleken på hela magnetfältsavkänningssystemet.

Lorentz-kraftbaserad MEMS-sensor

Denna typ av sensor förlitar sig på den mekaniska rörelsen hos MEMS-strukturen på grund av Lorentz-kraften som verkar på den strömförande ledaren i magnetfältet. Mikrostrukturens mekaniska rörelse avkänns antingen elektroniskt eller optiskt. Den mekaniska strukturen drivs ofta till sin resonans för att erhålla maximal utsignal. Piezoresistiva och elektrostatiska transduktionsmetoder kan användas i den elektroniska detekteringen. Förskjutningsmätning med laserkälla eller LED-källa kan också användas i den optiska detekteringen . Flera sensorer kommer att diskuteras i de följande underavsnitten när det gäller olika utsignaler för sensorn.

Spänningsavkänning

Beroulle et al. har tillverkat en U-formad fribärande balk på ett silikonsubstrat. Två piezo-motstånd läggs på stödändarna. Det finns en 80-varvs Al-spole som passerar ström längs den U-formade strålen. En Wheatstone-brygga bildas genom att de två "aktiva" motstånden kopplas samman med ytterligare två "passiva" motstånd, som är fria från spänningar. När det finns ett externt magnetfält applicerat på den strömförande ledaren, kommer rörelsen av den U-formade strålen att inducera töjning i de två "aktiva" piezomotstånden och därigenom generera en utspänning över Wheatstone-bryggan som är proportionell mot magnetfältet flödestäthet. Den rapporterade känsligheten för denna sensor är 530 m Vrms/T med en upplösning på 2 μT. Observera att frekvensen för den exciterande strömmen är inställd på att vara lika med resonansfrekvensen för den U-formade strålen för att maximera känsligheten.

Herrera-May et al. tillverka en sensor med liknande piezoresistiv avläsningsmetod men med olika mekaniska rörelser. Deras sensor är beroende av vridrörelsen hos en mikroplatta tillverkad av silikonsubstrat. Den spännande strömslingan innehåller 8 varv av aluminiumspole. Placeringen av strömslingan möjliggör en mer enhetlig Lorentz-kraftfördelning jämfört med den tidigare nämnda U-formade fribärande balken. Den rapporterade känsligheten är 403 mVrms/T med en upplösning på 143 nT.

Kádár et al. valde också mikrotorsionsbalken som den mekaniska strukturen. Deras uppläsningssätt är annorlunda. Istället för att använda piezoresistiv transduktion, förlitar sig deras sensor på elektrostatisk transduktion. De mönstrade flera elektroder på ytan av mikroplattan och en annan extern glasskiva. Glasskivan binds sedan med kiselsubstratet för att bilda en variabel kondensatoruppsättning . Lorentzkraft som genereras av det externa magnetfältet resulterar i en förändring av kondensatoruppsättningen. Den rapporterade känsligheten är 500 Vrms/T med en upplösning på några mT. Upplösningen kan nå 1 nT med vakuumdrift.

Emmerich et al. tillverkade den variabla kondensatoruppsättningen på ett enda kiselsubstrat med kamfigurstruktur. Den rapporterade känsligheten är 820 Vrms/T med en upplösning på 200 nT vid trycknivån 1 mbar.

Avkänning av frekvensskift

En annan typ av Lorentz-kraftbaserad MEMS-magnetfältssensor använder skiftningen av mekanisk resonans på grund av Lorentz-kraften som appliceras på vissa mekaniska strukturer.

Sunier et al. ändra strukturen på ovannämnda U-formade fribärande balk genom att lägga till ett böjt stöd. Den piezoresistiva avkänningsbryggan läggs mellan två värmeaktiveringsmotstånd. Frekvenssvaret för utspänningen från avkänningsbryggan mäts för att bestämma strukturens resonansfrekvens. Observera att i denna sensor är strömmen som flyter genom aluminiumspolen DC. Den mekaniska strukturen drivs faktiskt av värmemotståndet vid dess resonans. Lorentzkraft som appliceras på den U-formade strålen kommer att ändra strålens resonansfrekvens och därigenom ändra frekvenssvaret för utspänningen. Den rapporterade känsligheten är 60 kHz/T med en upplösning på 1 μT.

Bahreyni et al. tillverkade en kamfigurstruktur ovanpå kiselsubstratet. Den centrala skytteln är ansluten till två fastklämda ledare som används för att ändra den inre spänningen hos den rörliga strukturen när externt magnetfält appliceras. Detta kommer att inducera förändringen av resonansfrekvensen hos kamfingerstrukturen. Denna sensor använder elektrostatisk transduktion för att mäta utsignalen. Den rapporterade känsligheten är förbättrad till 69,6 Hz/T tack vare den höga mekaniska kvalitetsfaktorn (Q = 15000 @ 2 Pa) strukturen i vakuummiljön. Den rapporterade upplösningen är 217 nT.

Optisk avkänning

Den optiska avkänningen är att direkt mäta den mekaniska förskjutningen av MEMS-strukturen för att hitta det externa magnetfältet.

Zanetti et al. tillverkade en xylofonstråle. Ström som flyter genom mittledaren och Xylophone beam mara kommer att avböjas när Lorentz-kraften induceras. Direkt mekanisk förskjutning mäts av en extern laserkälla och en detektor. Upplösningen på 1 nT kan nås. Wickenden hade försökt att krympa fotavtrycket för den här typen av enheter med 100 gånger. Men en mycket lägre upplösning på 150 μT rapporterades.

Keplinger et al. försökte använda en LED-källa för optisk avkänning istället för att använda en extern laserkälla. Optiska fibrer var inriktade på kiselsubstratet med olika arrangemang för förskjutningsavkänning. En upplösning på 10 mT rapporteras.

John Ojur Dennis, Farooq Ahmad, M. Haris Bin Md Khir och Nor Hisham Bin Hamid tillverkade CMOS-MEMS-sensorn består av en skyttel som är utformad för att resonera i sidled (första resonansläge). I närvaro av ett externt magnetfält aktiverar Lorentz-kraften skytteln i sidled och resonansamplituden mäts med en optisk metod. Den differentiella förändringen i amplituden hos resonansskytteln visar styrkan hos det externa magnetfältet. Sensorns känslighet bestäms i statiskt läge till 0,034 μm/mT när en ström på 10 mA passerar genom skytteln, medan den visar sig vara högre vid resonans med ett värde på 1,35 μm/mT vid 8 mA ström. Slutligen visar sig sensorns upplösning vara 370,37 μT.

Temperatureffekter

När temperaturen ökar, minskar Youngs modul för materialet som används för att tillverka den rörliga strukturen, eller enklare, den rörliga strukturen mjuknar. Samtidigt värmeutvidgningen och värmeledningsförmågan , varvid temperaturen inducerar en intern spänning i den rörliga strukturen. Dessa effekter kan resultera i en förskjutning av den resonansfrekvens , vilket är ekvivalent med brus för avkänning av resonansfrekvensskift eller spänningsavkänning. Dessutom kommer temperaturstegring att generera större Johnson-brus (påverkar den piezoresistiva transduktionen) och öka mekaniskt fluktuationsbrus (vilket påverkar optisk avkänning). Därför måste avancerad elektronik för temperatureffektkompensation användas för att bibehålla känsligheten vid temperaturförändringar.

Ansökningar

Upptäck brister i elektriskt ledande material

Magnetometrar baserade på piezoelektriska resonatorer kan användas för att hitta brister i säkerhetskritiska metallstrukturer, såsom flygplanspropellrar, motorer, flygkroppar och vingstrukturer eller högtrycksolja eller gasledningar. När en magnet (vanligtvis en elektromagnet som skapar ett fält med varierande frekvens) skapar virvelströmmar i materialet, genererar virvelströmmarna ett annat magnetfält i materialet som kan avkännas av magnetometern. Om det inte finns något fel eller spricka i rörledningen visar magnetfältet från virvelströmmen ett konstant mönster när det rör sig längs materialet som testas. Men en spricka eller grop i materialet avbryter virvelströmmen, så magnetfältet ändras, vilket gör att en känslig magnetometer kan känna av och lokalisera felet.

Övervakning av hälsan hos organ i brösthålan

När vi andas skapar nerverna och musklerna i vår brösthåla ett svagt magnetfält. Magnetometrar baserade på piezoelektriska resonatorer har hög upplösning (inom intervallet nT), vilket möjliggör fast tillståndsavkänning av vårt andningssystem.

Dennis, John Ojur, et al. "Optisk karakterisering av Lorentz kraftbaserad CMOS-MEMS magnetfältssensor." Sensorer 15,8 (2015): 18256-18269.

  1. ^ Lenz, J., Edelstein, AS, "Magnetiska sensorer och deras tillämpningar." IEEE Sensors J. 2006, 6, 631-649.
  2. ^ Tabrician, R. (2016) Damped Oscillation of Microstructures and Lumped Element Modeling and Transducers (pdf-bilder) Hämtad från Department of Electrical and Computer Engineering, EEL 4930 / 5934 Resonant Micro-Electro-Mechanical Systems
  3. ^ Tabrician, R. (2016) Översikt och introduktion (pdf-bilder) Hämtad från Institutionen för elektro- och datateknik, EEL 4930 / 5934 Resonant Micro-Electro-Mechanical Systems
  4. ^ Chaudhuri, RR, Basu, J., & Bhattacharyya, TK (2012). Design och tillverkning av mikrobearbetade resonatorer. arXiv förtryck arXiv : 1202.3048 .
  5. ^ Herrera-May, AL, Soler-Balcazar, JC, Vázquez-Leal, H., Martínez-Castillo, J., Vigueras-Zuñiga, MO, & Aguilera-Cortés, LA (2016). Nya framsteg av MEMS-resonatorer för Lorentz Force Based Magnetic Field Sensors: Design, Applications and Challenges. Sensors, 16(9), 1359.
  6. ^ Herrera-May, AL, Soler-Balcazar, JC, Vázquez-Leal, H., Martínez-Castillo, J., Vigueras-Zuñiga, MO, & Aguilera-Cortés, LA (2016). Nya framsteg av MEMS-resonatorer för Lorentz Force Based Magnetic Field Sensors: Design, Applications and Challenges. Sensors, 16(9), 1359.
  7. ^ Beroulle, V.; Bertrand, Y.; Latorre, L.; Nouet, P. Monolitiska piezoresistiva CMOS magnetfältssensorer. Sens. Actuators A 2003, 103, 23-32
  8. ^ Herrera-May, AL; García-Ramírez, PJ; Aguilera-Cortés, LA; Martínez-Castillo, J.; Sauceda-Carvajal, A.; García-González, L.; Figueras-Costa, E. En resonant magnetfältsmikrosensor med hög kvalitetsfaktor vid atmosfärstryck. J. Micromech. Microeng. 2009, 19, 015016.
  9. ^ Kádár, Z.; Bossche, A.; Sarro, PM; Mollinger, JR Magnetfältmätningar med hjälp av en integrerad resonansmagnetfältssensor. Sens. Actuators A 1998, 70, 225-232.
  10. ^ Emmerich, H.; Schöfthaler, M. Magnetfältsmätningar med en ny ytmikromaskinbearbetad magnetfältssensor. IEEE solbränna. Electron Dev. 2000, 47, 972-977.
  11. ^ Sunier, R.; Vancura, T.; Li, Y.; Kay-Uwe, K.; Baltes, H.; Märke, O. Resonansmagnetfältsensor med frekvensutgång. J. Microelectromech. Syst. 2006, 15, 1098-1107.
  12. ^ Bahreyni, B.; Shafai, C. En resonant mikromaskinbearbetad magnetfältssensor. IEEE Sensor J. 2007, 7, 1326-1334.
  13. ^ Zanetti, LJ; Potemra, TA; Oursler, DA; Lohr, DA; Anderson, BJ; Givens, RB; Wickenden, DK; Osiander, R.; Kistenmacher, TJ; Jenkins, RE Miniatyrmagnetfältssensorer baserade på xylofonresonatorer. In Science Closure and Enabling Technologies for Constellation Class Missions; Angelopoulos, V., Panetta, PV, Eds.; University of California: Berkeley, CA, USA, 1998; sid. 149-151.
  14. ^ Wickenden, DK; Champion, JL; Osiander, R.; Givens, RB; Lamm, JL; Miragliotta, JA; Oursler, DA; Kistenmacher, TJ Mikromaskinbearbetad polysilikonresonerande xylofonstångmagnetometer. Acta Astronautica 2003, 52, 421-425.
  15. ^ Keplinger, F.; Kvasnica, S.; Hauser, H.; Grössinger, R. Optiska avläsningar av fribärande böjning utformade för applikationer med högt magnetfält. IEEE Trans. Magn. 2003, 39, 3304-3306.
  16. ^ Keplinger, F.; Kvasnica, S.; Jachimowicz, A.; Kohl, F.; Steurer, J.; Hauser, H. Lorentz kraftbaserad magnetfältssensor med optisk avläsning. Sens. Actuators A 2004, 110, 12-118.
  17. ^ Dennis, John Ojur, et al. "Optisk karakterisering av Lorentz kraftbaserad CMOS-MEMS magnetfältssensor." Sensorer 15,8 (2015): 18256-18269.
  18. ^ Herrera-May, AL, Soler-Balcazar, JC, Vázquez-Leal, H., Martínez-Castillo, J., Vigueras-Zuñiga, MO, & Aguilera-Cortés, LA (2016). Nya framsteg av MEMS-resonatorer för Lorentz Force Based Magnetic Field Sensors: Design, Applications and Challenges. Sensors, 16(9), 1359.
  19. ^ Herrera-May, AL, Soler-Balcazar, JC, Vázquez-Leal, H., Martínez-Castillo, J., Vigueras-Zuñiga, MO, & Aguilera-Cortés, LA (2016). Nya framsteg av MEMS-resonatorer för Lorentz Force Based Magnetic Field Sensors: Design, Applications and Challenges. Sensors, 16(9), 1359.
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=MEMS_magnetic_field_sensor&oldid=994173362 "