МЭМС-датчик магнитного поля
Датчик МЭМС магнитного поля — это малогабаритное устройство микроэлектромеханических систем (МЭМС) для обнаружения и измерения магнитных полей ( магнитометр ). Многие из них работают путем обнаружения эффектов силы Лоренца : изменение напряжения или резонансной частоты можно измерить электронным способом, а механическое смещение можно измерить оптически. Необходима компенсация температурных воздействий. Его использование в качестве миниатюрного компаса может быть одним из таких простых примеров применения.
Измерение магнитного поля
[ редактировать ]Магнитометры можно разделить на четыре основных типа. [1] в зависимости от величины измеряемого поля. Если целевое B-поле больше, чем магнитное поле Земли (максимальное значение около 60 мкТл), датчик не должен быть очень чувствительным. Для измерения поля Земли, превышающего геомагнитный шум (около 0,1 нТл), требуются более совершенные датчики. Для обнаружения магнитных аномалий необходимо использовать датчики в разных местах для подавления пространственно-коррелированного шума и достижения лучшего пространственного разрешения . 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 маркировка молекул.
Существует множество подходов к магнитному зондированию, в том числе датчик Холла , магнитодиод, магнитотранзистор, AMR магнитометр , магнитометр GMR , магнитометр с туннельным переходом , магнитооптический датчик, силы Лоренца на основе датчик MEMS , датчик MEMS на основе туннелирования электронов , MEMS. компас , датчик магнитного поля ядерной прецессии, датчик магнитного поля с оптической накачкой, феррозондовый магнитометр , поисковой катушки датчик магнитного поля и магнитометр СКВИДа .
Показатели качества магнитного датчика MEMS
[ редактировать ]Магнитные датчики МЭМС имеют несколько параметров: добротность (Q), резонансную частоту, форму моды, чувствительность и разрешение.
Добротность — это мера того, сколько энергии может сохраниться при 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 наибольшей амплитудой (или самой продолжительной, как ударный колокол или камертон). Резонансная частота определяется геометрией устройства. Мы можем рассчитать резонансную частоту, когда знаем размеры устройства, эквивалентный модуль Юнга устройства и эквивалентную плотность устройства. [3]
Форма моды – это характер колебаний резонатора. [4]
Чувствительность (которая способствует разрешению) описывает размер колебаний, которые мы можем получить от устройств с одинаковыми внешними условиями. Если мы приложим один и тот же ток и поле B к нескольким резонаторам, устройства, которые показывают большие амплитуды вибрации, будут иметь более высокую чувствительность. При прочих равных условиях устройство с более высокой чувствительностью является более чувствительным. 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 несколько нТл (наноТесла). [5]
Преимущества датчиков на базе МЭМС
[ редактировать ]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 другие датчики магнитного поля. Кроме того, создание датчика магнитного поля MEMS не требует микрообработки магнитного материала. Таким образом, стоимость датчика может быть значительно снижена. Интеграция МЭМС-датчика и микроэлектроники может еще больше уменьшить размер всей системы измерения магнитного поля.
МЭМС-датчик на основе силы Лоренца
[ редактировать ]Датчик этого типа основан на механическом движении структуры МЭМС за счет силы Лоренца, действующей на проводник с током в магнитном поле. Механическое движение микроструктуры воспринимается либо электронным, либо оптическим способом. Механическая конструкция часто приводится в резонанс , чтобы получить максимальный выходной сигнал. пьезорезистивного и электростатического преобразования Для электронного обнаружения можно использовать методы . Измерение смещения с помощью лазерного или светодиодного источника также может использоваться при оптическом обнаружении . Некоторые датчики будут обсуждаться в следующих подразделах с точки зрения различных выходных сигналов датчика.
Измерение напряжения
[ редактировать ]Берулле и др. изготовил консольную балку U-образной формы на кремниевой подложке. [6] На концах опоры уложены два пьезорезистора. По U-образному лучу проходит 80-витковая алюминиевая катушка. Мост Уитстона образуется путем соединения двух «активных» резисторов с двумя другими «пассивными» резисторами, не подвергающимися напряжению. Когда к проводнику с током приложено внешнее магнитное поле, движение U-образного луча будет вызывать напряжение в двух «активных» пьезорезисторах и тем самым генерировать выходное напряжение на мосту Уитстона , пропорциональное магнитному полю. плотность потока. Заявленная чувствительность этого датчика составляет 530 мВ/Тл с разрешением 2 мкТл. Обратите внимание, что частота возбуждающего тока устанавливается равной резонансной частоте U-образного луча, чтобы максимизировать чувствительность.
Эррера-Мэй и др. изготовил датчик с аналогичным пьезорезистивным подходом к считыванию, но с другим механическим движением. [7] Их датчик основан на крутильном движении микропластины, изготовленной из кремниевой подложки. Возбуждающая 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 мВэфф/Тл с разрешением 143 нТл.
Кадар и др. также выбрал микроторсионную балку в качестве механической конструкции. [8] У них другой подход к считыванию. Вместо использования пьезорезистивной трансдукции их датчик использует электростатическую трансдукцию. Они разместили несколько электродов на поверхности микропластины и еще одной внешней стеклянной пластины. Затем стеклянную пластину соединяют с кремниевой подложкой, образуя массив конденсаторов переменной емкости . Сила Лоренца, создаваемая внешним магнитным полем, приводит к изменению конденсаторной решетки. Заявленная чувствительность составляет 500 В (среднеквадратичное значение)/Тл с разрешением в несколько мТл. Разрешение может достигать 1 нТл при работе в вакууме.
Эммерих и др. изготовили массив переменных конденсаторов на одной кремниевой подложке с гребенчатой структурой. [9] Заявленная чувствительность составляет 820 Вrms/T с разрешением 200 нТл при уровне давления 1 мбар.
Обнаружение сдвига частоты
[ редактировать ]Другой тип МЭМС-датчика магнитного поля на основе силы Лоренца использует сдвиг механического резонанса из-за силы Лоренца, приложенной к определенным механическим структурам.
Суньер и др. [10] измените конструкцию вышеупомянутой консольной балки U-образной формы, добавив изогнутую опору. Пьезорезистивный чувствительный мост проложен между двумя нагревательными резисторами. Частотная характеристика выходного напряжения чувствительного моста измеряется для определения резонансной частоты структуры. Обратите внимание, что в этом датчике ток, протекающий через алюминиевую катушку, является постоянным. Механическая конструкция фактически приводится в движение нагревательным резистором при его резонансе. Сила Лоренца, приложенная к U-образному лучу, изменит резонансную частоту луча и тем самым изменит частотную характеристику выходного напряжения. Заявленная чувствительность составляет 60 кГц/Тл с разрешением 1 мкТл.
Бахрейни и др. [11] изготовил гребенчатую фигурную структуру поверх кремниевой подложки. Центральный челнок соединен с двумя зажатыми-зажатыми проводниками, служащими 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/Тл благодаря конструкции с высоким механическим коэффициентом добротности (Q = 15000 при 2 Па) в вакуумной среде. Заявленное разрешение составляет 217 нТл.
Оптическое зондирование
[ редактировать ]Оптическое зондирование заключается в непосредственном измерении механического смещения структуры МЭМС для определения внешнего магнитного поля.
Занетти и др. [12] изготовил ксилофонную балку. Ток, текущий через центральный проводник и луч ксилофона, будет отклоняться под действием силы Лоренца. Прямое механическое смещение измеряется внешним лазерным источником и детектором. Можно достичь разрешения 1 нТл. Викенден [13] пытались уменьшить площадь устройств этого типа в 100 раз. Но сообщалось о гораздо более низком разрешении - 150 мкТл.
Кеплингер и др. [14] [15] пытались использовать светодиодный источник для оптического зондирования вместо внешнего лазерного источника. Оптические волокна были выровнены на кремниевой подложке с различными приспособлениями для измерения смещения. Сообщается о разрешении 10 мТл.
Джон Оджур Деннис, [16] Фарук Ахмад, М. Харис Бин Мд Кхир и Нор Хишам Бин Хамид изготовили датчик CMOS-MEMS, состоящий из челнока, который предназначен для резонанса в боковом направлении (первая мода резонанса). При наличии внешнего магнитного поля сила Лоренца приводит в движение челнок в боковом направлении и оптическим методом измеряют амплитуду резонанса. Дифференциальное изменение амплитуды резонирующего челнока показывает силу внешнего магнитного поля. Чувствительность датчика определена в статическом режиме и составляет 0,034 мкм/мТл при прохождении через челнок тока 10 мА, а при резонансе она оказывается выше со значением 1,35 мкм/мТл при токе 8 мА. Наконец, разрешение датчика оказалось равным 370,37 мкТл.
Температурные эффекты
[ редактировать ]При повышении температуры модуль Юнга материала, из которого изготовлена подвижная конструкция, уменьшается, или, проще говоря, движущаяся конструкция размягчается. При этом тепловое расширение и теплопроводность увеличиваются, а температура вызывает внутреннее напряжение в движущейся конструкции. Эти эффекты могут привести к сдвигу резонансной частоты движущейся конструкции, что эквивалентно шуму при измерении сдвига резонансной частоты или измерении напряжения. Кроме того, повышение температуры приведет к увеличению шума Джонсона (влияет на пьезорезистивное преобразование ) и увеличению шума механических флуктуаций (который влияет на оптическое считывание). Поэтому необходимо использовать передовую электронику для компенсации температурного воздействия, чтобы поддерживать чувствительность при изменении температуры.
Приложения
[ редактировать ]Обнаружение дефектов электропроводящего материала
[ редактировать ]Магнитометры на основе пьезоэлектрических резонаторов могут применяться для поиска дефектов в критических с точки зрения безопасности металлических конструкциях, таких как пропеллеры самолетов, двигатели, конструкции фюзеляжа и крыла, нефтепроводы или газопроводы высокого давления. Когда магнит (обычно электромагнит, создающий поле переменной частоты) создает вихревые токи в материале, вихревые токи генерируют в материале другое магнитное поле, которое может быть измерено магнитометром. Если в трубопроводе нет дефектов или трещин, магнитное поле вихревого тока имеет постоянный характер при движении вдоль испытуемого материала. Но трещина или ямка в материале прерывает вихревой ток, поэтому магнитное поле изменяется, что позволяет чувствительному магнитометру обнаружить и локализовать дефект. [5]
Мониторинг здоровья органов грудной полости
[ редактировать ]Когда мы дышим, нервы и мышцы нашей грудной полости создают слабое магнитное поле. Магнитометры на основе пьезоэлектрических резонаторов имеют высокое разрешение (в диапазоне нТл), что позволяет осуществлять твердотельное зондирование нашей дыхательной системы. [5]
Ссылки
[ редактировать ]Деннис, Джон Оджур и др. «Оптическая характеристика датчика магнитного поля CMOS-MEMS на основе сил Лоренца». Датчики 15.8 (2015): 18256-18269.
- ^ Ленц Дж., Эдельштейн А.С., «Магнитные датчики и их применение». IEEE Sensors J. 2006, 6, 631-649.
- ^ Табризян, Р. (2016) Моделирование и преобразователи затухающих колебаний микроструктур и сосредоточенных элементов (слайды в формате PDF). Получено из Департамента электротехники и вычислительной техники, EEL 4930/5934 Резонансные микроэлектромеханические системы.
- ^ Табризян, Р. (2016) Обзор и введение (слайды в формате PDF). Получено из Департамента электротехники и вычислительной техники, EEL 4930/5934 Резонансные микроэлектромеханические системы.
- ^ Чаудхури, Р.Р., Басу, Дж., и Бхаттачария, Т.К. (2012). Проектирование и изготовление микромеханических резонаторов. Препринт arXiv arXiv : 1202.3048 .
- ^ Jump up to: а б с д Эррера-Мэй, А.Л., Солер-Балькасар, Х.К., Васкес-Лил, Х., Мартинес-Кастильо, Дж., Вигерас-Суньига, М.О., и Агилера-Кортес, Л.А. (2016). Последние достижения в области МЭМС-резонаторов для датчиков магнитного поля на основе силы Лоренца: конструкция, применение и проблемы. Датчики, 16(9), 1359.
- ^ Берулль, В.; Бертран, Ю.; Латорре, Л.; Нуэ, П. Монолитные пьезорезистивные КМОП-датчики магнитного поля. Сенс. Актуаторы А 2003, 103, 23-32
- ^ Эррера-Мэй, AL; Гарсиа-Рамирес, П.Дж.; Агилера-Кортес, Луизиана; Мартинес-Кастильо, Дж.; Сауседа-Карвахаль, А.; Гарсиа-Гонсалес, Л.; Фигерас-Коста, Э. Микросенсор резонансного магнитного поля с высокой добротностью при атмосферном давлении. Дж. Микромехан. Микроинженерия 2009, 19, 015016.
- ^ Кадар, З.; Босше, А.; Сарро, премьер-министр ; Моллингер, Дж. Р. Измерения магнитного поля с использованием встроенного резонансного датчика магнитного поля. Sens. Actuators A 1998, 70, 225-232.
- ^ Эммерих, Х.; Шефталер, М. Измерения магнитного поля с помощью нового поверхностного микромеханического датчика магнитного поля. IEEE Танс. Электрон Дев. 2000, 47, 972–977.
- ^ Суньер, Р.; Ванкура, Т.; Ли, Ю.; Кай-Уве, К.; Балтес, Х.; Бранд О. Резонансный датчик магнитного поля с частотным выходом. Ж. Микроэлектромеханика. Сист. 2006, 15, 1098-1107.
- ^ Бахрейни, Б.; Шафаи, К. Резонансный микромеханический датчик магнитного поля. Журнал IEEE Sensor J. 2007, 7, 1326-1334.
- ^ Занетти, ЖЖ; Потемра, Т.А.; Оурслер, Д.А.; Лор, Д.А.; Андерсон, Би Джей; Гивенс, РБ; Викенден, Дания; Осиандер Р.; Кистенмахер, Ти Джей; Дженкинс Р.Э. Миниатюрные датчики магнитного поля на основе резонаторов ксилофона. В области научных исследований и технологий для миссий класса Constellation; Ангелопулос В., Панетта П.В., ред.; Калифорнийский университет: Беркли, Калифорния, США, 1998 г.; стр. 149-151.
- ^ Викенден, Дания; Чемпион, JL; Осиандер Р.; Гивенс, РБ; Лэмб, Дж.Л.; Мираглиотта, Дж.А.; Оурслер, Д.А.; Кистенмахер, Т.Дж. Микрообработанный поликремниевый резонирующий стержневой магнитометр ксилофона. Acta Astronautica 2003, 52, 421–425.
- ^ Кеплингер, Ф.; Квасница, С.; Хаузер, Х.; Грёссингер, Р. Оптические измерения изгиба кантилевера, предназначенные для работы в сильных магнитных полях. IEEE Транс. Магн. 2003, 39, 3304-3306.
- ^ Кеплингер, Ф.; Квасница, С.; Яхимович, А.; Коль, Ф.; Стирер, Дж.; Хаузер, Датчик магнитного поля на основе силы Х. Лоренца с оптическим считыванием. Sens. Actuators A 2004, 110, 12-118.
- ^ Деннис, Джон Оджур и др. «Оптическая характеристика датчика магнитного поля CMOS-MEMS на основе сил Лоренца». Датчики 15.8 (2015): 18256-18269.