MEMS磁場センサー

MEMS磁場センサーは、磁場 (磁力計) を検出および測定するための小型のマイクロ電気機械システム (MEMS) デバイスです。これらの多くは、ローレンツ力の影響を検出することで動作します。 電圧または共振周波数の変化は電子的に測定され、機械的変位は光学的に測定されます。温度の影響に対する補正が必要です。小型コンパスとして使用することは、そのような単純なアプリケーション例の 1 つです。

磁力計は、測定する磁場の大きさに応じて、4つの一般的なタイプに分類できます^{[1] 。対象となる}Bフィールドが地球の磁場（最大値約60μT）よりも大きい場合、センサーの感度はそれほど高くする必要はありません。地磁気ノイズ（約0.1nT）よりも大きい地球の磁場を測定するには、より優れたセンサーが必要です。磁気異常検出の用途では、空間相関ノイズをキャンセルして空間分解能を向上させるために、異なる場所にあるセンサーを使用する必要があります。地磁気ノイズ以下の磁場を測定するには、はるかに感度の高い磁場センサーを使用する必要があります。これらのセンサーは、 MRIや分子タグ付け などの医療および生物医学アプリケーションで主に使用されます。

磁気センシングには、ホール効果センサー、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、AMR 磁力計、GMR磁力計、磁気トンネル接合磁力計、磁気光学センサー、ローレンツ力ベースのMEMSセンサー、電子トンネルベースの MEMS センサー、MEMSコンパス、核歳差運動磁場センサー、光ポンピング磁場センサー、フラックスゲート磁力計、サーチコイル磁場センサー、SQUID 磁力計など、多くのアプローチがあります。

MEMS 磁気センサーには、品質係数 (Q)、共振周波数、モード形状、応答性、解像度など、いくつかのパラメーターがあります。

品質係数は、共振器の振動中にどれだけのエネルギーを維持できるかの尺度です。共振器自体の機械的減衰や外部の圧力や温度による減衰など、共振器を減衰させる要因はいくつか考えられます。^[2]

共振周波数は、装置が最大振幅（または、鐘や音叉を鳴らしたときのように最長振幅）で振動する周波数です。共振周波数は装置の形状によって決まります。装置の寸法、装置の等価ヤング率、装置の等価密度がわかれば、共振周波数を計算できます。^[3]

モード形状は共振器の振動のパターンである。^[4]

応答性（解像度に寄与）は、同じ外部条件のデバイスから得られる振動の大きさを表します。同じ電流と磁場を複数の共振器に適用した場合、より大きな振動振幅を示すデバイスは応答性が高いと言えます。他の条件が同じであれば、応答性が高いデバイスの方が感度が高いと言えます。圧電共振器に基づく磁力計の範囲は mV/T（ミリボルト/テスラ）なので、応答性が高いほど一般的に優れています。^[5]

分解能とは、デバイスが測定できる最小の磁場を指します。数値が小さいほど、デバイスの感度が高くなります。圧電共振器に基づく磁力計の範囲は数nT（ナノテスラ）です。^[5]

MEMS ベースの磁場センサーは小型であるため、測定場所の近くに配置でき、他の磁場センサーよりも高い空間分解能を実現できます。さらに、MEMS 磁場センサーの構築には磁性材料の微細加工は必要ありません。そのため、センサーのコストを大幅に削減できます。MEMS センサーとマイクロエレクトロニクスを統合することで、磁場センシング システム全体のサイズをさらに縮小できます。

このタイプのセンサーは、磁場内の電流を流す導体に作用するローレンツ力による MEMS 構造の機械的運動に依存しています。マイクロ構造の機械的運動は、電子的または光学的に感知されます。機械構造は、最大の出力信号を得るために、共振まで駆動されることがよくあります。電子検出では、圧電抵抗法と静電 変換法を使用できます。光学検出では、レーザー光源または LED 光源による変位測定も使用できます。次のサブセクションでは、センサーのさまざまな出力の観点からいくつかのセンサーについて説明します。

Beroulle らは、シリコン基板上にU 字型のカンチレバー ビームを製作しました。 ^[6] 2 つの圧電抵抗器が支持端に配置されています。U 字型ビームに沿って電流を流す 80 ターンの Al コイルがあります。2 つの「アクティブ」抵抗器を、歪みのない別の 2 つの「パッシブ」抵抗器に接続することで、ホイートストン ブリッジが形成されます。電流を流す導体に外部磁場が印加されると、U 字型ビームの動きによって 2 つの「アクティブ」圧電抵抗器に歪みが生じ、ホイートストン ブリッジの両端に磁場の磁束密度に比例した出力電圧が生成されます。このセンサーの報告された感度は、分解能 2 μT で 530 m Vrms/T です。感度を最大化するために、励起電流の周波数は U 字型ビームの共振周波数と同じになるように設定されています。

Herrera-Mayらは、同様の圧電抵抗読み出し方式だが機械的な動きが異なるセンサーを製作した。^[7]彼らのセンサーは、シリコン基板から製作されたマイクロプレートのねじり運動を利用している。励起電流ループには、8回巻かれたアルミニウムコイルが含まれている。電流ループの位置により、前述のU字型カンチレバービームと比較して、より均一なローレンツ力分布が可能になる。報告されている感度は403 mVrms/Tで、分解能は143 nTである。

Kádárらも機械構造としてマイクロねじり梁を選択しました。^[8]彼らの読み出しアプローチは異なります。彼らのセンサーは、圧電抵抗変換を使用する代わりに、静電変換に依存しています。彼らは、マイクロプレートの表面と別の外部ガラスウェハーにいくつかの電極をパターン化しました。次に、ガラスウェハーをシリコン基板に接着して可変コンデンサーアレイを形成します。外部磁場によって生成されたローレンツ力により、コンデンサーアレイが変化します。報告されている感度は500 Vrms/Tで、分解能は数mTです。真空操作では分解能は1nTに達します。

エメリッヒらは、櫛形構造の単一シリコン基板上に可変コンデンサアレイを作製した。^[9]報告された感度は、1mbarの圧力レベルで200nTの分解能で820Vrms/Tである。

別のタイプのローレンツ力ベースの MEMS 磁場センサーは、特定の機械構造に適用されるローレンツ力による 機械的共振のシフトを利用します。

Sunier ら^[10]は、内側に湾曲したサポートを追加することで、前述の U 字型カンチレバー ビームの構造を変更しました。圧電抵抗センシング ブリッジは、2 つの加熱アクチュエーション レジスタの間に配置されています。センシング ブリッジの出力電圧の周波数応答を測定して、構造の共振周波数を決定します。このセンサーでは、アルミニウム コイルを流れる電流は DC であることに注意してください。機械構造は、実際には共振時に加熱抵抗器によって駆動されます。U 字型ビームに適用されるローレンツ力によって、ビームの共振周波数が変化し、それによって出力電圧の周波数応答が変化します。報告されている感度は 60 kHz/T、分解能は 1 μT です。

Bahreyniら^[11]は、シリコン基板上に櫛形構造を作製した。中央のシャトルは、外部磁場が印加されたときに可動構造の内部応力を変化させるために使用される2つのクランプされた導体に接続されています。これにより、櫛指構造の共振周波数の変化が誘発されます。このセンサーは、出力信号を測定するために静電変換を使用します。報告されている感度は、真空環境での高機械的品質係数（Q = 15000 @ 2 Pa）構造のおかげで、69.6 Hz / Tに向上しています。報告されている分解能は217 nTです。

光センシングは、MEMS 構造の機械的変位を直接測定して外部磁場を検出します。

Zanettiら^[12]は木琴の梁を製作した。中心導体と木琴の梁を流れる電流は、ローレンツ力が誘導されると偏向する。直接的な機械的変位は、外部レーザー光源と検出器によって測定される。1nTの分解能に達することができる。Wickenden ^[13]は、このタイプのデバイスのフットプリントを100倍縮小しようとした。しかし、150μTというはるかに低い分解能が報告された。

Keplingerら^{[14] [15]は、}外部レーザー光源の代わりにLED光源を光センシングに使用しようとした。変位センシングのために、光ファイバーをシリコン基板上に異なる配置で配置した。10mTの分解能が報告されている。

John Ojur Dennis、^[16] Farooq Ahmad、M. Haris Bin Md Khir、および Nor Hisham Bin Hamid が製造した CMOS-MEMS センサーは、横方向 (第 1 の共振モード) に共振するように設計されたシャトルで構成されています。外部磁場が存在すると、ローレンツ力によってシャトルが横方向に作動し、共振の振幅が光学的方法を使用して測定されます。共振シャトルの振幅の微分変化は、外部磁場の強度を示します。センサーの感度は、10 mA の電流がシャトルを通過するときに静的モードで 0.034 μm/mT であると測定されますが、共振時には 8 mA の電流で 1.35 μm/mT の値でより高くなることがわかります。最後に、センサーの解像度は 370.37 μT であることがわかりました。

温度が上昇すると、可動構造の製造に使用されている材料のヤング率が低下します。つまり、可動構造が柔らかくなります。一方、熱膨張と熱伝導率が増加し、温度によって可動構造に内部応力が発生します。これらの影響により、可動構造の共振周波数がシフトし、共振周波数シフト センシングまたは電圧センシングのノイズが発生します。さらに、温度上昇により、ジョンソン ノイズが大きく(ピエゾ抵抗変換に影響)、機械的変動ノイズが増加します (光学センシングに影響)。したがって、温度変化に対して感度を維持するには、温度影響補正用の高度な電子機器を使用する必要があります。

圧電共振器に基づく磁力計は、飛行機のプロペラ、エンジン、胴体や翼の構造、高圧の石油やガスのパイプラインなど、安全性が重要な金属構造の欠陥を見つけるのに応用できます。磁石 (通常は変動する周波数の場を生成する電磁石) が材料に渦電流を発生させると、渦電流は材料に別の磁場を発生させ、磁力計で感知できます。パイプラインに欠陥や亀裂がない場合、渦電流からの磁場は、テスト対象の材料に沿って移動するときに一定のパターンを示します。しかし、材料の亀裂や穴は渦電流を遮断するため、磁場が変化し、感度の高い磁力計が欠陥を感知して位置を特定できるようになります。^[5]

私たちが呼吸すると、胸腔内の神経と筋肉が弱い磁場を作り出します。圧電共振器をベースにした磁力計は高解像度（nTの範囲）を持ち、呼吸器系の固体センシングを可能にします。^[5]