Sensor de campo magnético MEMS - MEMS magnetic field sensor

Magnetômetro eletrônico de três eixos por AKM Semiconductor , dentro do Motorola Xoom

Um sensor de campo magnético MEMS é um dispositivo de sistemas microeletromecânicos de pequena escala (MEMS) para detectar e medir campos magnéticos ( magnetômetro ). Muitos deles operam detectando os efeitos da força de Lorentz : uma mudança na tensão ou frequência de ressonância pode ser medida eletronicamente, ou um deslocamento mecânico pode ser medido opticamente. A compensação pelos efeitos da temperatura é necessária. Seu uso como uma bússola miniaturizada pode ser um exemplo de aplicação simples.

Sensor de campo magnético

Os magnetômetros podem ser classificados em quatro tipos gerais, dependendo da magnitude do campo medido. Se o campo B visado for maior do que o campo magnético terrestre (valor máximo em torno de 60 μT), o sensor não precisa ser muito sensível. Para medir o campo terrestre maior do que o ruído geomagnético (cerca de 0,1 nT), sensores melhores são necessários. Para a aplicação da detecção de anomalias magnéticas , sensores em diferentes locais devem ser usados ​​para cancelar o ruído espacialmente correlacionado, a fim de alcançar uma melhor resolução espacial . Para medir o campo abaixo do ruído geomagnético, sensores de campo magnético muito mais sensíveis devem ser empregados. Esses sensores são usados ​​principalmente em aplicações médicas e biomédicas, como ressonância magnética e marcação de moléculas.

Existem muitas abordagens para a detecção magnética, incluindo o sensor de efeito Hall , magneto-diodo, magneto-transistor, AMR magnetómetro , GMR magnetómetro, túnel junção magnética magnetómetro, do sensor magneto-óptica, força de Lorentz com base MEMS sensor, Electron Tunneling MEMS baseados em sensores, MEMS bússola , sensor de campo magnético de precessão nuclear, sensor de campo magnético com bomba óptica, magnetômetro fluxgate , sensor de campo magnético de bobina de busca e magnetômetro SQUID .

Figuras de mérito do sensor magnético MEMS

Os sensores magnéticos MEMS têm vários parâmetros: fator de qualidade (Q), frequência de ressonância, forma do modo, responsividade e resolução.

O fator de qualidade é uma medida de quanta energia pode ser mantida durante a vibração do ressonador. Pode haver vários fatores que podem amortecer o ressonador, como amortecimento mecânico do próprio ressonador ou amortecimento da pressão e temperatura externas.

A frequência de ressonância é a frequência na qual o dispositivo vibra com a maior amplitude (ou a mais longa, como um sino ou diapasão). A frequência de ressonância é governada pela geometria do dispositivo. Podemos calcular a frequência de ressonância quando sabemos a dimensão do dispositivo, o módulo de Young equivalente do dispositivo e a densidade equivalente do dispositivo.

A forma do modo é o padrão de vibração do ressonador.

A responsividade (que contribui para a resolução) descreve o tamanho da oscilação que podemos obter de dispositivos com a mesma condição externa. Se aplicarmos a mesma corrente e campo B a vários ressonadores, diz-se que os dispositivos que mostram amplitudes de vibração maiores têm uma responsividade maior. Todas as outras coisas sendo iguais, um dispositivo de maior responsividade é mais sensível. A faixa de magnetômetros baseados em ressonadores piezoelétricos é mV / T (milivolts / Tesla), portanto, maior responsividade é geralmente melhor.

Resolução refere-se ao menor campo magnético que um dispositivo pode medir. Quanto menor o número, mais sensível é o dispositivo. A gama de magnetômetros baseados em ressonador piezoelétrico é de poucos nT (nanoTesla).

Vantagens dos sensores baseados em MEMS

Um sensor de campo magnético baseado em MEMS é pequeno, então pode ser colocado próximo ao local de medição e, assim, atingir uma resolução espacial mais alta do que outros sensores de campo magnético. Além disso, a construção de um sensor de campo magnético MEMS não requer a microfabricação de material magnético. Portanto, o custo do sensor pode ser bastante reduzido. A integração do sensor MEMS e da microeletrônica pode reduzir ainda mais o tamanho de todo o sistema de detecção de campo magnético.

Sensor MEMS baseado em força de Lorentz

Este tipo de sensor depende do movimento mecânico da estrutura MEMS devido à força de Lorentz atuando no condutor de corrente no campo magnético. O movimento mecânico da microestrutura é detectado eletronicamente ou opticamente. A estrutura mecânica é freqüentemente conduzida à sua ressonância para obter o sinal de saída máximo. Métodos de transdução eletrostática e piezoresistivos podem ser usados ​​na detecção eletrônica. A medição de deslocamento com fonte de laser ou fonte de LED também pode ser usada na detecção óptica . Vários sensores serão discutidos nas subseções a seguir em termos de diferentes saídas para o sensor.

Detecção de tensão

Beroulle et al. fabricaram uma viga cantilever em forma de U em um substrato de silício. Dois piezo-resistores são colocados nas extremidades do suporte. Há uma bobina de alumínio de 80 voltas passando a corrente ao longo do feixe em forma de U. Uma ponte de Wheatstone é formada conectando os dois resistores "ativos" com outros dois resistores "passivos", que são livres de tensão. Quando há um campo magnético externo aplicado ao condutor de corrente, o movimento do feixe em forma de U irá induzir tensão nos dois piezo-resistores "ativos" e, assim, gerar uma tensão de saída através da ponte de Wheatstone que é proporcional ao campo magnético densidade de fluxo. A sensibilidade relatada para este sensor é 530 m Vrms / T com uma resolução de 2 μT. Observe que a frequência da corrente de excitação é definida para ser igual à frequência de ressonância do feixe em forma de U para maximizar a sensibilidade.

Herrera-May et al. fabricar um sensor com abordagem de leitura piezoresistiva semelhante, mas com movimento mecânico diferente. Seu sensor depende do movimento de torção de uma microplaca fabricada em substrato de silício. O circuito de corrente excitante contém 8 voltas de bobina de alumínio. A localização do loop de corrente permite uma distribuição de força Lorentz mais uniforme em comparação com a viga cantilever em forma de U mencionada. A sensibilidade relatada é de 403 mVrms / T com resolução de 143 nT.

Kádár et al. também escolheu a viga microtorsional como estrutura mecânica. Sua abordagem de leitura é diferente. Em vez de usar transdução piezoresistiva, seu sensor depende da transdução eletrostática. Eles padronizaram vários eletrodos na superfície da microplaca e outra placa de vidro externa. O wafer de vidro é então ligado ao substrato de silício para formar uma matriz de capacitores variável . A força de Lorentz gerada pelo campo magnético externo resulta na mudança do conjunto de capacitores. A sensibilidade relatada é 500 Vrms / T com uma resolução de alguns mT. A resolução pode chegar a 1 nT com operação a vácuo.

Emmerich et al. fabricou a matriz de capacitores variável em um único substrato de silício com estrutura em forma de pente. A sensibilidade relatada é de 820 Vrms / T com resolução de 200 nT no nível de pressão de 1mbar.

Sensor de mudança de frequência

Outro tipo de sensor de campo magnético MEMS baseado na força de Lorentz utiliza a mudança de ressonância mecânica devido à força de Lorentz aplicada a certas estruturas mecânicas.

Sunier et al. alterar a estrutura da viga cantilever em forma de U mencionada, adicionando um suporte curvado para dentro. A ponte de detecção piezoresistiva é colocada entre dois resistores de acionamento de aquecimento. A resposta de frequência da tensão de saída da ponte de detecção é medida para determinar a frequência de ressonância da estrutura. Observe que, neste sensor, a corrente que flui pela bobina de alumínio é CC. A estrutura mecânica é realmente acionada pelo resistor de aquecimento em sua ressonância. A força de Lorentz aplicada ao feixe em forma de U mudará a frequência ressonante do feixe e, portanto, a resposta de frequência da tensão de saída. A sensibilidade relatada é 60 kHz / T com resolução de 1 μT.

Bahreyni et al. fabricou uma estrutura de figura de pente em cima do substrato de silício. A lançadeira central é conectada a dois condutores presos, usados ​​para mudar a tensão interna da estrutura móvel quando o campo magnético externo é aplicado. Isso induzirá a mudança da frequência ressonante da estrutura do dedo do pente. Este sensor usa transdução eletrostática para medir o sinal de saída. A sensibilidade relatada é melhorada para 69,6 Hz / T graças à estrutura do alto fator de qualidade mecânica (Q = 15000 @ 2 Pa) no ambiente de vácuo. A resolução relatada é de 217 nT.

Sensor óptico

O sensoriamento óptico mede diretamente o deslocamento mecânico da estrutura MEMS para encontrar o campo magnético externo.

Zanetti et al. fabricou um feixe de xilofone. A corrente que está fluindo através do condutor central e do feixe de xilofone mara será desviada conforme a força de Lorentz é induzida. O deslocamento mecânico direto é medido por uma fonte externa de laser e um detector. A resolução de 1 nT pode ser alcançada. Wickenden havia tentado reduzir a pegada desse tipo de dispositivo em 100 vezes. Mas uma resolução muito menor de 150 μT foi relatada.

Keplinger et al. estavam tentando usar uma fonte de LED para sensoriamento óptico em vez de usar uma fonte externa de laser. As fibras ópticas foram alinhadas no substrato de silício com diferentes arranjos para o sensor de deslocamento. Uma resolução de 10 mT é relatada.

O sensor CMOS-MEMS fabricado por John Ojur Dennis, Farooq Ahmad, M. Haris Bin Md Khir e Nor Hisham Bin Hamid consiste em um ônibus espacial projetado para ressoar na direção lateral (primeiro modo de ressonância). Na presença de um campo magnético externo, a força de Lorentz atua a lançadeira na direção lateral e a amplitude de ressonância é medida usando um método óptico. A mudança diferencial na amplitude da lançadeira ressonante mostra a força do campo magnético externo. A sensibilidade do sensor é determinada no modo estático em 0,034 μm / mT quando uma corrente de 10 mA passa pelo vaivém, enquanto é considerada maior na ressonância com um valor de 1,35 μm / mT na corrente de 8 mA. Finalmente, a resolução do sensor é de 370,37 μT.

Efeitos de temperatura

Quando a temperatura aumenta, o módulo de Young do material usado para fabricar a estrutura móvel diminui, ou mais simplesmente, a estrutura móvel amolece. Enquanto isso, a expansão térmica e a condutividade térmica aumentam, com a temperatura induzindo um estresse interno na estrutura móvel. Esses efeitos podem resultar na mudança da frequência ressonante da estrutura móvel, que é equivalente ao ruído para detecção de deslocamento de frequência ressonante ou detecção de voltagem. Além disso, o aumento da temperatura gerará um ruído Johnson maior (afetará a transdução piezoresistiva ) e aumentará o ruído de flutuação mecânica (que afeta o sensoriamento óptico). Portanto, a eletrônica avançada para compensação do efeito da temperatura deve ser usada para manter a sensibilidade conforme a temperatura muda.

Formulários

Detectar falhas de material eletricamente condutor

Os magnetômetros baseados em ressonadores piezoelétricos podem ser aplicados para encontrar falhas em estruturas metálicas críticas para a segurança, como hélices de avião, motores, fuselagem e estruturas de asa, ou oleodutos ou gasodutos de alta pressão. Quando um ímã (geralmente um eletroímã criando um campo de frequência variável) cria correntes parasitas no material, as correntes parasitas geram outro campo magnético no material que pode ser detectado pelo magnetômetro. Se não houver nenhuma falha ou rachadura na tubulação, o campo magnético da corrente parasita mostra um padrão constante à medida que se move ao longo do material sendo testado. Mas uma rachadura ou buraco no material interrompe a corrente parasita, então o campo magnético é alterado, permitindo que um magnetômetro sensível detecte e localize a falha.

Monitoramento da saúde dos órgãos da cavidade torácica

Quando respiramos, os nervos e músculos de nossa cavidade torácica criam um campo magnético fraco. Os magnetômetros baseados em ressonadores piezoelétricos têm alta resolução (na faixa de nT), permitindo a detecção de estado sólido do nosso sistema respiratório.

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