Langfelder等制備了具有電容讀出的MEMS磁場傳感器,該傳感器可檢測與諧振結構表面垂直方向(z軸) 的磁場。它由一組固定定子和兩根細梁懸掛的梭子組成,形成2個差分平行板敏感電容器C1和C2,見圖4。具有傳感器共振頻率的梁,在通有電流時與磁場相互作用,從而使2個細梁受到洛倫茲力作用。這個力垂直于磁場和交流電流所構成的平面,導致梁和平行板產生位移,該位移可以通過差分電容的變化來檢測。傳感器在峰值驅動電流為250 μA時的總靈敏度為150 μV·μT^(-1)、理論噪聲為557. 2 μV·Hz^(-1/2)、分辨率為520 nT·mA^(-1)·Hz^(-1/2)、品質因子約328、共振頻率為28.3 kHz。
M. Li等設計了由彎曲梁諧振器(1200 μm x 680 μm x 40 μm)組成的磁場傳感器。彎曲梁諧振器與載有電流的Si梁通過微杠桿機制耦合,諧振器借助彎曲梁的每一側的30個叉指電極實現靜電驅動和電容感應,獲得傳感器的靈敏度為6687
ppm·mA^(-1)·T^(-1)、品質因子為540、諧振頻率為21.9 kHz (1 ppm = 10^(-6)) 。
Aditi等通過采用SOI和玻璃片的陽極鍵合技術制備了MEMS磁場傳感器。該器件制作工藝具有以下優點:低溫(≤400 ℃) 、可靠、可重復、少的光刻步驟及可控電極間距離的能力。獲得傳感器功耗為0.45 mW,分辨率為215 nT·Hz^(-1/2)。
B. Park等設計了由硅諧振器和緊湊型激光定位系統構成的磁場傳感器,如圖5所示。該系統具有光電探測器和激光二極管,用于監測電流偏置的反射鏡角位移。諧振器由涂覆有鋁層(2500 μm x 2500 μm x 0.8 μm)的硅膜(3000 μm x 3000 μm x 12 μm)組成,膜由兩根扭轉彈簧(2100 μm x 100 μm x 12 μm)支撐,寬度為30 μm、厚度為0. 8 μm的鋁線沉積在其上。施加的磁場與反向鏡的位移有關,當線圈偏置電流為50 mA時,獲得傳感器的靈敏度為62 mV·μT^(-1)、共振頻率為364 Hz、品質因子為116、53 mHz帶寬的分辨率為0.4 nT、本底噪聲為1.78 nT·Hz^(-1/2)。
圖5 具有光讀出的MEMS磁場傳感器和傳感器工作原理圖
M. Lara-Castro等提出在印刷電路板上實現的MEMS磁場傳感器的便攜式信號調制系統,它配有能夠諧磁場傳感器的2個正弦信號發生器。磁場傳感器由共振硅結構(600 μm x 700 μm x 5 μm) 、1個鋁環(1 μm厚)和4個p型壓敏電阻組成的惠斯登電橋構成。2個信號發生器的頻率穩定度為±100 ppm,分辨率為1 Hz。該系統中,磁場與電壓有近似線性關系;大氣壓下靈敏度和分辨率分別為0.32 V/T和35 nT。
龍亮等采用MEMS磁扭擺和檢測差分電容構成了MEMS磁傳感器。磁扭擺是通過在雙端固定梁的硅薄膜上制作CoNiMnP永磁薄膜獲得,磁傳感器尺寸為3.7 mm x 2.7 mm x 0.5 mm,制備的MEMS磁傳感器具有良好的線性,靈敏度為27.7 fF/mT,最小可分辨磁場大小為36 nT。
3、展望
目前基于Lorentz力的MEMS諧振式磁傳感器主要通過壓阻、光學和電容感測技術來檢測磁場。這些技術可為設計人員提供研制特定應用場合的最佳傳感器方法,例如,壓阻感測適于采用體微加工工藝實現和簡單的信號處理系統。但壓阻感應存在電壓偏移,且電阻易受溫度影響,因此系統中需要提供溫度補償電路。電容感測主要通過表面微加工工藝實現,并將所施加的磁場轉換為電輸出信號。該技術具有很小的溫度依賴性,并允許電子電路與磁傳感器制作在同一芯片上。通常,電容感應的傳感器在大氣壓下具有高的空氣阻尼,為避免它的影響需要對器件進行真空封裝才能提高其靈敏度。利用光學敏感技術制備的傳感器由于具有抗電磁干擾的特性,因此系統中所需要電路比電容和壓阻敏感技術的少,可在惡劣環境中工作,表面和體微加工工藝均適用于這種傳感技術的優點。然而,這些感測技術都存在著由于焦耳效應而導致傳感器結構發熱的問題,這會產生熱應力和諧振器的位移。為此,需要進一步對器件散熱、諧振器機械可控性及真空封裝研究,以確保獲得更好的MEMS磁傳感器性能。
隨著微納米技術的發展、微機械制造技術的成熟,越來越多的傳感器開始向著集成化、智能化和網絡化方向發展,它們已成為工業生產實現智能制造的重要動力。其智能應用主要在如下幾方面:
(1) 傳感技術。構建傳感器網絡系統,保證對信息進行搜集、整合與傳輸,使工業生產過程得到更有效的控制。
(2) 數控生產。總主線模式通過在線診斷,實現對整體工業生產線的儀表控制。
(3) 自動生產和機械。利用自動化技術開展機械生產,可顯著提高生產效率和質量。
4、結束語
本文綜述了通過體加工和表面加工方法、利用壓阻、電容和光學技術制備的基于洛倫茲力的MEMS磁傳感器,并介紹了各種結構磁傳感器的靈敏度、品質因子、噪聲和探測極限等特性。隨著納米技術、集成化技術以及封裝技術的不斷發展,更多高性能、同時可監測多個物理量的智能傳感器會不斷出現。