MEMS 자기장 센서

MEMS magnetic field sensor
Motorola Xoom 내부, AKM Semiconductor에 의한 3축 전자자기계

MEMS 자기장 센서는 자기장(Magnetometer)을 검출하고 측정하기 위한 소형 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 장치다.이들 중 다수는 로렌츠 힘의 영향을 감지하여 작동한다. 전압 또는 공명 주파수의 변화는 전자적으로 측정되거나 기계적 변위를 광학적으로 측정할 수 있다.온도 효과에 대한 보상이 필요하다.소형화된 나침반으로서의 그것의 사용은 그러한 간단한 예시 적용일 수 있다.

자기장 감지

자력계는 측정된 장의 크기에 따라 4가지 일반[1] 유형으로 분류할 수 있다.목표 B-장이 지구 자기장(최대값 약 60μT)보다 크면 센서가 매우 민감할 필요가 없다.지자기장 소음(약 0.1nT)보다 큰 접지장을 측정하려면 더 나은 센서가 필요하다.자기 이상 감지를 적용하기 위해서는 공간 관련 소음을 취소하기 위해 서로 다른 위치에 있는 센서를 사용해야 한다.지자기소음 아래의 전지를 측정하기 위해서는 훨씬 더 민감한 자기장 센서를 사용해야 한다.이러한 센서는 주로 MRI와 분자 태깅과 같은 의료 및 생물의학 용도에 사용된다.

자기 감지에는 홀 효과 센서, 자기 다이오드, 자기 트랜지스터, AMR 자기계, GMR 자기계, 자기 터널 자기계, 자기광학 센서, 로렌츠 힘 기반 MEMS 센서, 전자 터널링 기반 MEMS 센서, MEMS 컴퍼스, 핵 프리세션 자기장 센서 등 여러 가지 접근법이 있다.심판 자기장 센서, 플럭스게이트 자기장계, 검색 코일 자기장 센서 및 SQUID 자기장계.

MEMS 마그네틱 센서의 장점 수치

MEMS 자기 센서에는 품질 계수(Q), 공명 주파수, 모드 형태, 반응도 및 분해능의 몇 가지 매개변수가 있다.

품질 계수는 공명기의 진동 시 얼마나 많은 에너지를 유지할 수 있는지를 나타내는 척도다.공명기 자체의 기계적 댐핑 또는 외부 압력 및 온도에서 댐핑과 같이 공명기를 감쇠시킬 수 있는 몇 가지 요인이 있을 수 있다.[2]

공명 주파수는 장치가 가장 높은 진폭으로 진동하는 주파수(또는 가장 긴 진폭으로, 타격 벨 또는 튜닝 포크로 진동하는 주파수)이다.공명 주파수는 장치의 기하학적 구조에 의해 제어된다.우리는 장치의 치수, 장치의 등가 영의 계량, 그리고 장치의 등가 밀도를 알 때 공명 주파수를 계산할 수 있다.[3]

모드 형태는 공명기의 진동 패턴이다.[4]

반응도(해결도에 기여함)는 외부 조건이 동일한 장치로부터 얻을 수 있는 진동 크기를 설명한다.여러 공명기에 동일한 전류와 B 필드를 적용하면 진동 진폭이 더 큰 장치는 반응성이 더 높다고 한다.다른 모든 것들이 같다면, 더 높은 반응도 장치가 더 민감하다.압전 공진기를 기반으로 하는 자기계 측정기의 범위는 mV/T(밀리볼트/테슬라)이므로 일반적으로 높은 반응도가 좋다.[5]

분해능은 기기가 측정할 수 있는 가장 작은 자기장을 말한다.숫자가 작을수록 장치에 민감하게 반응한다.압전 공진기를 기반으로 한 자력계의 범위는 몇 개의 nT(나노 테슬라)이다.[6]

MEMS 기반 센서의 장점

MEMS 기반의 자기장 센서는 크기가 작아 측정 위치에 가깝게 배치해 다른 자기장 센서보다 높은 공간 분해능을 얻을 수 있다.또한 MEMS 자기장 센서를 구성하려면 자성 물질의 미세조립이 필요하지 않다.따라서 센서 비용을 크게 줄일 수 있다.MEMS 센서와 마이크로 일렉트로닉스의 통합은 전체 자기장 감지 시스템의 크기를 더욱 줄일 수 있다.

로렌츠 포스 기반 MEMS 센서

이 유형의 센서는 자기장의 전류 운반 도체에 작용하는 로렌츠 힘 때문에 MEMS 구조의 기계적 움직임에 의존한다.마이크로 구조의 기계적 움직임은 전자적 또는 광학적으로 감지된다.기계적 구조는 최대 출력 신호를 얻기 위해 공명으로 구동되는 경우가 많다.전자 검출에는 피에조레지션 및 정전기 전도 방법을 사용할 수 있다.광학 검출에는 레이저 소스 또는 LED 소스로의 변위 측정도 사용할 수 있다.센서의 출력이 서로 다른 여러 센서를 다음 하위 섹션에서 논의한다.

전압 감지

베룰 [7]외실리콘 기질에 U자 모양의 캔틸레버 빔을 조작했다.지지대 끝에는 피에조 저항기가 두 개 놓여 있다.U자형 빔을 따라 80 턴 알 코일 통과 전류가 흐른다.휘트스톤 다리는 두 개의 "활성" 저항기와 다른 두 개의 "패시브" 저항기를 연결함으로써 형성되는데, 이 저항기에는 무리가 없다.전류 운반 도체에 외부 자기장이 적용되는 경우, U자형 빔의 동작은 두 "활성" 피에조 저항기에 부담을 유발하여 자기장 플럭스 밀도에 비례하는 Wheatstone 브리지 전체에 출력 전압을 발생시킨다.이 센서에 대해 보고된 감도는 530m Vrms/T이며 분해능 2μT이다.흥미진진한 전류의 주파수는 감도를 극대화하기 위해 U자형 빔의 공명 주파수와 동일하도록 설정되어 있다는 점에 유의한다.

Herrera-May 외 [8]연구진은 유사한 피에조지스트적 읽기-아웃 접근 방식을 사용하지만 다른 기계적 움직임으로 센서를 제작한다.그들의 센서는 실리콘 기질로 제작된 마이크로 플레이트의 비틀림 움직임에 의존한다.신나는 전류 루프에는 8바퀴의 알루미늄 코일이 들어 있다.전류 루프의 위치는 앞서 언급한 U자형 캔틸레버 빔에 비해 더 균일한 로렌츠 힘 분포를 가능하게 한다.보고된 민감도는 403 mVrms/T이며 분해능은 143 nT이다.

카다르 외 연구진도 미세 비틀림 빔을 기계 구조로 선택했다.[9]그들의 판독 접근법은 다르다.그들의 센서는 피에조리스틱 전도를 사용하는 대신 정전기 전도에 의존한다.그들은 마이크로 플레이트의 표면과 또 다른 외부 유리 웨이퍼에 여러 개의 전극을 무늬로 만들었다.그런 다음 유리 웨이퍼를 실리콘 기판과 접합하여 가변 캐패시터 어레이를 형성한다.외부 자기장에 의해 발생하는 로렌츠 힘은 콘덴서 어레이의 변화를 초래한다.보고된 민감도는 500 Vrms/T이며 분해능은 몇 mT이다.진공 운전으로 분해능이 1nT에 도달할 수 있다.

Emmmerich 외.[10]는 결합형 구조로 단일 실리콘 기질에 가변형 콘덴서 어레이를 조립했다.보고된 감도는 820 Vrms/T이며, 압력 레벨 1mbar에서 분해능 200nT이다.

주파수 시프트 감지

로렌츠 힘 기반 MEMS 자기장 센서의 또 다른 유형은 특정 기계적 구조에 적용되는 로렌츠 힘에 의한 기계적 공명의 이동을 이용한다.

수니어 등은 앞서 언급한 U자형 캔틸레버 빔의 구조를 커브인 지지대를 추가하여 변경한다.[11]피에조리스틱 감지 브리지는 두 개의 가열 작동 저항기 사이에 놓여 있다.감지 브리지 출력 전압의 주파수 응답을 측정하여 구조물의 공명 주파수를 결정한다.이 센서에서 알루미늄 코일을 통과하는 전류는 DC라는 점에 유의하십시오.기계 구조는 실제로 공진시 발열 저항기에 의해 구동된다.U자형 빔에 가해지는 로렌츠 힘은 빔의 공명 주파수를 변화시켜 출력 전압의 주파수 응답을 변화시킬 것이다.보고된 감도는 분해능 1μT로 60 kHz/T이다.

바레이니 외 연구진은 실리콘 기판 위에 빗살 모양 구조를 조작했다.[12]센터 셔틀은 외부 자기장이 적용될 때 이동 구조의 내부 응력을 변화시키는 데 사용되는 두 개의 클램핑된 도체에 연결된다.이것은 빗 손가락 구조의 공명 주파수의 변화를 유도할 것이다.이 센서는 정전기 전도를 사용하여 출력 신호를 측정한다.보고된 감도는 진공 환경에서 높은 기계적 품질 계수(Q = 15000 @ 2Pa) 구조 덕분에 69.6Hz/T로 개선된다.보고된 해상도는 217nT이다.

광학 감지

광학적 감지는 MEMS 구조의 기계적 변위를 직접 측정하여 외부 자기장을 찾는 것이다.

자네티 등은 실로폰 빔을 조작했다.[13]중심 도체와 실로폰 빔 마라를 통해 흐르는 전류는 로렌츠 힘이 유도됨에 따라 굴절될 것이다.직접 기계적 변위는 외부 레이저 소스와 검출기로 측정한다.1nT의 해상도에 도달할 수 있다.위켄덴은[14] 이런 종류의 장치의 발자국을 100배까지 줄이려고 노력했었다.그러나 훨씬 낮은 분해능인 150μT가 보고되었다.

케플링어 등은 외부 레이저 소스를 사용하는 대신 광학 감지에 LED 소스를 사용하려 하고 있었다.[15][16]광섬유는 변위 감지를 위한 서로 다른 배열로 실리콘 기질에 정렬되었다.분해능 10 mT를 보고한다.

CMOS-MEMS 센서를 조작한 [17]존 오주르 데니스, 파루크 아흐마드, M. 하리스 빈 MD Khir, Nor Hisham Bin Hamid는 측면 방향으로 공명하도록 설계된 셔틀(공명 첫 번째 모드)으로 구성된다.외부 자기장이 존재하는 상태에서 로렌츠 힘은 측면 방향으로 셔틀을 작동시키고 공명의 진폭을 광학적 방법으로 측정한다.공명 셔틀의 진폭의 차등 변화는 외부 자기장의 강도를 보여준다.센서의 감도는 10 mA의 전류가 셔틀을 통과할 때 0.034 μm/mT로 정해지는 반면, 8 mA 전류에서 1.35 μm/mT의 값으로 공명 시 더 높은 것으로 확인된다.마지막으로 센서의 분해능은 370.37μT인 것으로 확인된다.

온도 효과

온도가 올라가면 움직이는 구조를 짜는 데 사용되는 영의 재료 계수가 감소하거나, 더 간단히 말하면 움직이는 구조가 부드러워진다.한편, 열팽창과 열전도율은 증가하며, 온도는 이동 구조물의 내부 응력을 유도한다.이러한 영향은 공진 주파수 이동 감지 또는 전압 감지를 위한 노이즈와 동등한 이동 구조의 공진 주파수의 이동을 초래할 수 있다.또한 온도 상승은 존슨 노이즈를 더 크게 발생시키고(피에조지스트적 전도에 영향을 미침) 기계적 변동 노이즈를 증가시킨다(광학 감지에 영향을 미친다).따라서 온도 변화에 따른 민감도를 유지하기 위해 온도 효과 보정을 위한 첨단 전자장치를 사용해야 한다.

적용들

전기 전도성 소재의 결함 감지

압전 공명기에 기초한 자기계량기는 비행기 프로펠러, 엔진, 동체 및 날개 구조물, 또는 고압 오일 또는 가스 파이프라인과 같은 안전에 중요한 금속 구조물의 결함을 발견하는 데 적용할 수 있다.자석(일반적으로 전자석이 다양한 주파수장을 생성함)이 물질에 와전류를 생성하면, 와전류는 물질에 또 다른 자기장을 생성하며, 이는 자력계에 의해 감지될 수 있다.송유관에 흠집이나 균열이 없는 경우, 에디 전류에서 나오는 자기장은 시험 대상 물질을 따라 움직이면서 일정한 패턴을 보인다.그러나 물질의 균열이나 피트가 에디 전류를 방해하기 때문에 자기장이 바뀌어서 민감한 자력계가 결함을 감지하고 국소화할 수 있다.[18]

흉강 장기 건강 모니터링

우리가 숨을 쉴 때 흉곽의 신경과 근육은 약한 자기장을 만들어 낸다.압전 공명기에 기초한 자기계에는 고해상도(nT 범위 내)가 있어 우리 호흡기의 고체 상태 감지가 가능하다.[19]

참조

데니스, 존 오주르 등"로렌츠 힘에 기반한 CMOS-MEMS 자기장 센서의 광학적 특성."센서 15.8(2015): 18256-18269.

  1. ^ Lenz, J, Edelstein, A.S. "자기 센서와 그 응용 프로그램." IEEE 센서 J. 2006, 6,31-649.
  2. ^ Tabrizian, R. (2016) 마이크로 구조의 감쇠 진동 및 덩어리 요소 모델링 및 변환기(pdf 슬라이드) 전기 및 컴퓨터 엔지니어링 부서에서 검색, EIGER 4930 / 5934 공명 마이크로 전자 기계 시스템
  3. ^ Tabrizian, R. (2016) 개요 및 소개(pdf 슬라이드) 전기 및 컴퓨터 엔지니어링 부서에서 검색된 ELER 4930 / 5934 공명형 마이크로 전자 기계 시스템
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  5. ^ 헤레라-메이, A. L. 솔러-발카자르, J. C. 바스케스-릴, H. 마르티네스-카스티요, J. 비구아레스-주니가, M. O. & 아길레라-코르테스, L. A.로렌츠 힘 기반 자기장 센서용 MEMS 공명기의 최근 발전:설계, 애플리케이션 및 당면 과제.센서, 16(9), 1359
  6. ^ 헤레라-메이, A. L. 솔러-발카자르, J. C. 바스케스-릴, H. 마르티네스-카스티요, J. 비구아레스-주니가, M. O. & 아길레라-코르테스, L. A.로렌츠 힘 기반 자기장 센서용 MEMS 공명기의 최근 발전:설계, 애플리케이션 및 당면 과제.센서, 16(9), 1359
  7. ^ Beroulle, V.; Bertrand, Y.; L.; Nouet, P. Monolic Piezoresistive CMOS 자기장 센서.센스 액추에이터 A 2003, 103, 23-32
  8. ^ Herrera-May, A.L.; García-Ramírez, P.J.; Aguilera-Cortés, L.A.; Martínez-Castillo, J.; Sauceda-Carvajal, A.; García-González, L.; Figueras-Costa, E. A resonant magnetic field microsensor with high quality factor at atmospheric pressure.J. 마이크로맥.미생.2009, 19, 015016.
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  10. ^ 에메리히, H.; 숄프탈러, M. 자기장 측정은 새로운 표면 마이크로매칭 자기장 센서로 한다.IEEE 탠스.일렉트로닉 데브 2000, 47, 972-977
  11. ^ Sunier, R.; Vancura, T.; Li, Y.; Kay-Uwe, K.; Baltes, H.; Brand, O. 공명 자기장 센서 주파수 출력.J. 마이크로일렉트로메치.2006년 8월 15일 1098-1107
  12. ^ 바레이니, B.; 샤파이, C.공명 마이크로마찰드 자기장 센서IEEE 센서 J. 2007, 7, 1326-1334.
  13. ^ L.J. 자네티, T.A. 포테미라, 오레슬러, D.A. 로어, B.J. 앤더슨, 기븐스, R.B.;워싱턴 D.K. 위켄덴; 오샨데르, T.J., Kistenmacher; Jenkins, R.E. 미니어처 자기장 센서로 실로폰 공명기를 기반으로 한다.Constellation 클래스 임무를 위한 과학 폐쇄 및 활성화 기술; Angelopoulos, V, P.V., Eds.캘리포니아 대학교:1998년 미국, 버클리, 149-151페이지.
  14. ^ 위켄덴, 디케이, 챔피언 J.L., 오샨데르, R.B., 기븐스, 램, J.L.; 미라글리오타, J.A.;오레슬러, D.A.; Kistenmacher, T.J. Micromachine polysilicon 공명형 실로폰 막대 자기계.액타 우주비행사 2003, 52, 421-425.
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