Un sensor de campo magnético MEMS es un dispositivo de sistemas microelectromecánicos (MEMS) de pequeña escala para detectar y medir campos magnéticos ( magnetómetro ). Muchos de ellos funcionan detectando los efectos de la fuerza de Lorentz : un cambio en el voltaje o la frecuencia de resonancia se puede medir electrónicamente, o un desplazamiento mecánico se puede medir ópticamente. Es necesaria una compensación por los efectos de la temperatura. Su uso como brújula miniaturizada puede ser un ejemplo de aplicación sencillo.
Los magnetómetros se pueden clasificar en cuatro tipos generales [1] según la magnitud del campo medido. Si el campo B objetivo es mayor que el campo magnético terrestre (valor máximo alrededor de 60 μT), no es necesario que el sensor sea muy sensible. Para medir un campo terrestre mayor que el ruido geomagnético (alrededor de 0,1 nT), se necesitan mejores sensores. Para la aplicación de la detección de anomalías magnéticas , se deben utilizar sensores en diferentes ubicaciones para cancelar el ruido correlacionado espacialmente con el fin de lograr una mejor resolución espacial . Para medir el campo debajo del ruido geomagnético, se deben utilizar sensores de campo magnético mucho más sensibles. Estos sensores se utilizan principalmente en aplicaciones médicas y biomédicas, como resonancia magnética y etiquetado de moléculas.
Existen muchos enfoques para la detección magnética, incluido el sensor de efecto Hall , el magnetodiodo, el magnetotransistor, el magnetómetro AMR , el magnetómetro GMR , el magnetómetro de unión de túnel magnético , el sensor magnetoóptico, el sensor MEMS basado en la fuerza de Lorentz , el sensor MEMS basado en túneles de electrones , MEMS brújula , sensor de campo magnético de precesión nuclear, sensor de campo magnético bombeado ópticamente, magnetómetro fluxgate , sensor de campo magnético de bobina de búsqueda y magnetómetro SQUID .
Los sensores magnéticos MEMS tienen varios parámetros: factor de calidad (Q), frecuencia de resonancia, forma del modo, capacidad de respuesta y resolución.
El factor de calidad es una medida de cuánta energía se puede mantener durante la vibración del resonador. Puede haber varios factores que pueden amortiguar el resonador, como la amortiguación mecánica del propio resonador o la amortiguación debida a la presión y temperatura exteriores. [2]
La frecuencia de resonancia es la frecuencia a la que el dispositivo vibra con la amplitud más alta (o la más larga, como una campana o un diapasón). La frecuencia de resonancia se rige por la geometría del dispositivo. Podemos calcular la frecuencia de resonancia cuando conocemos la dimensión del dispositivo, el módulo de Young equivalente del dispositivo y la densidad equivalente del dispositivo. [3]
La forma del modo es el patrón de vibración del resonador. [4]
La capacidad de respuesta (que contribuye a la resolución) describe el tamaño de la oscilación que podemos obtener de dispositivos con la misma condición externa. Si aplicamos la misma corriente y el mismo campo B a varios resonadores, se dice que los dispositivos que muestran mayores amplitudes de vibración tienen una mayor capacidad de respuesta. En igualdad de condiciones, un dispositivo de mayor capacidad de respuesta es más sensible. El rango de magnetómetros basados en resonadores piezoeléctricos es mV/T (milivoltios/Tesla), por lo que una mayor capacidad de respuesta generalmente es mejor. [5]
La resolución se refiere al campo magnético más pequeño que un dispositivo puede medir. Cuanto menor sea el número, más sensible será el dispositivo. La gama de magnetómetros basados en resonadores piezoeléctricos es de unos pocos nT (nanoTesla). [5]
Un sensor de campo magnético basado en MEMS es pequeño, por lo que puede colocarse cerca del lugar de medición y así lograr una resolución espacial más alta que otros sensores de campo magnético. Además, la construcción de un sensor de campo magnético MEMS no requiere la microfabricación de material magnético. Por tanto, el coste del sensor se puede reducir considerablemente. La integración de sensores MEMS y microelectrónica puede reducir aún más el tamaño de todo el sistema de detección de campo magnético.
Este tipo de sensor se basa en el movimiento mecánico de la estructura MEMS debido a la fuerza de Lorentz que actúa sobre el conductor portador de corriente en el campo magnético. El movimiento mecánico de la microestructura se detecta electrónica u ópticamente. La estructura mecánica a menudo es llevada a su resonancia para obtener la máxima señal de salida. En la detección electrónica se pueden utilizar métodos de transducción piezoresistiva y electrostática . En la detección óptica también se puede utilizar la medición de desplazamiento con fuente láser o fuente LED . En las siguientes subsecciones se analizarán varios sensores en términos de diferentes salidas para el sensor.
Béroulle et al. [6] han fabricado una viga en voladizo en forma de U sobre un sustrato de silicio. En los extremos del soporte se colocan dos piezorresistencias. Hay una bobina de Al de 80 vueltas que pasa corriente a lo largo del haz en forma de U. Un puente de Wheatstone se forma conectando las dos resistencias "activas" con otras dos resistencias "pasivas", que están libres de tensión. Cuando se aplica un campo magnético externo al conductor que transporta corriente, el movimiento del haz en forma de U inducirá tensión en las dos piezorresistencias "activas" y, por lo tanto, generará un voltaje de salida a través del puente de Wheatstone que es proporcional al campo magnético. Densidad de flujo. La sensibilidad informada para este sensor es de 530 m Vrms/T con una resolución de 2 μT. Tenga en cuenta que la frecuencia de la corriente de excitación se establece para que sea igual a la frecuencia de resonancia del haz en forma de U para maximizar la sensibilidad.
Herrera-May et al. [7] fabrican un sensor con un enfoque de lectura piezoresistivo similar pero con un movimiento mecánico diferente. Su sensor se basa en el movimiento de torsión de una microplaca fabricada con sustrato de silicio. El circuito de corriente excitante contiene 8 vueltas de bobina de aluminio. La ubicación del bucle actual permite una distribución de fuerza de Lorentz más uniforme en comparación con la viga en voladizo en forma de U antes mencionada. La sensibilidad informada es de 403 mVrms/T con una resolución de 143 nT.
Kádár et al. [8] también eligió la viga microtorsional como estructura mecánica. Su enfoque de lectura es diferente. En lugar de utilizar transducción piezoresistiva, su sensor se basa en transducción electrostática. Modelaron varios electrodos en la superficie de la microplaca y otra oblea de vidrio externa. Luego, la oblea de vidrio se une al sustrato de silicio para formar una matriz de condensadores variable . La fuerza de Lorentz generada por el campo magnético externo da como resultado el cambio de la matriz de capacitores. La sensibilidad informada es de 500 Vrms/T con una resolución de unos pocos mT. La resolución puede alcanzar 1 nT con funcionamiento en vacío.
Emmerich et al. [9] fabricaron la matriz de condensadores variables sobre un único sustrato de silicio con estructura en forma de peine. La sensibilidad informada es de 820 Vrms/T con una resolución de 200 nT a un nivel de presión de 1 mbar.
Otro tipo de sensor de campo magnético MEMS basado en la fuerza de Lorentz utiliza el cambio de resonancia mecánica debido a la fuerza de Lorentz que se aplica a ciertas estructuras mecánicas.
Sunier et al. [10] cambie la estructura de la viga en voladizo en forma de U antes mencionada agregando un soporte curvo. El puente sensor piezoresistivo se coloca entre dos resistencias de accionamiento de calefacción. Se mide la respuesta de frecuencia del voltaje de salida del puente sensor para determinar la frecuencia de resonancia de la estructura. Tenga en cuenta que en este sensor, la corriente que fluye a través de la bobina de aluminio es CC. En realidad, la estructura mecánica es impulsada por la resistencia calefactora en su resonancia. La fuerza de Lorentz que se aplica al haz en forma de U cambiará la frecuencia de resonancia del haz y, por lo tanto, cambiará la respuesta de frecuencia del voltaje de salida. La sensibilidad informada es de 60 kHz/T con una resolución de 1 μT.
Bahreyni et al. [11] fabricaron una estructura en forma de peine encima del sustrato de silicio. La lanzadera central está conectada a dos conductores sujetos con abrazaderas que se utilizan para cambiar la tensión interna de la estructura en movimiento cuando se aplica un campo magnético externo. Esto inducirá el cambio de la frecuencia de resonancia de la estructura del dedo del peine. Este sensor utiliza transducción electrostática para medir la señal de salida. La sensibilidad informada mejora a 69,6 Hz/T gracias a la estructura de alto factor de calidad mecánica (Q = 15000 @ 2 Pa) en el entorno de vacío. La resolución informada es 217 nT.
La detección óptica consiste en medir directamente el desplazamiento mecánico de la estructura MEMS para encontrar el campo magnético externo.
Zanetti et al. [12] fabricó un haz de xilófono. La corriente que fluye a través del conductor central y el haz del xilófono se desviará a medida que se induce la fuerza de Lorentz. El desplazamiento mecánico directo se mide mediante una fuente láser externa y un detector. Se puede alcanzar la resolución de 1 nT. Wickenden [13] había intentado reducir 100 veces el tamaño de este tipo de dispositivo. Pero se informó de una resolución mucho menor, de 150 μT.
Keplinger et al. [14] [15] intentaban utilizar una fuente LED para la detección óptica en lugar de utilizar una fuente láser externa. Se alinearon fibras ópticas sobre el sustrato de silicio con diferentes disposiciones para la detección de desplazamiento. Se informa una resolución de 10 mT.
John Ojur Dennis, [16] Farooq Ahmad, M. Haris Bin Md Khir y Nor Hisham Bin Hamid fabricaron un sensor CMOS-MEMS que consta de una lanzadera diseñada para resonar en dirección lateral (primer modo de resonancia). En presencia de un campo magnético externo, la fuerza de Lorentz acciona la lanzadera en dirección lateral y la amplitud de resonancia se mide mediante un método óptico. El cambio diferencial en la amplitud de la lanzadera resonante muestra la fuerza del campo magnético externo. Se determina que la sensibilidad del sensor en modo estático es de 0,034 μm/mT cuando una corriente de 10 mA pasa a través de la lanzadera, mientras que es mayor en resonancia con un valor de 1,35 μm/mT a una corriente de 8 mA. Finalmente, la resolución del sensor es 370,37 μT.
Cuando la temperatura aumenta, el módulo de Young del material utilizado para fabricar la estructura móvil disminuye o, más simplemente, la estructura móvil se ablanda. Mientras tanto, la expansión térmica y la conductividad térmica aumentan, y la temperatura induce una tensión interna en la estructura en movimiento. Estos efectos pueden dar como resultado el cambio de la frecuencia resonante de la estructura en movimiento, lo que es equivalente al ruido para la detección del cambio de frecuencia resonante o la detección de voltaje. Además, el aumento de temperatura generará un mayor ruido de Johnson (afectará la transducción piezoresistiva) y aumentará el ruido de fluctuación mecánica (que afecta la detección óptica). Por lo tanto, se debe utilizar electrónica avanzada para la compensación del efecto de la temperatura para mantener la sensibilidad a medida que cambia la temperatura.
Los magnetómetros basados en resonadores piezoeléctricos se pueden aplicar para encontrar fallas en estructuras metálicas críticas para la seguridad, como hélices de aviones, motores, estructuras de fuselaje y alas, o oleoductos o gasoductos de alta presión. Cuando un imán (generalmente un electroimán que crea un campo de frecuencia variable) crea corrientes parásitas en el material, las corrientes parásitas generan otro campo magnético en el material que puede ser detectado por el magnetómetro. Si no hay fallas o grietas en la tubería, el campo magnético de la corriente parásita muestra un patrón constante a medida que se mueve a lo largo del material que se está probando. Pero una grieta o un hoyo en el material interrumpe la corriente parásita, por lo que el campo magnético cambia, lo que permite que un magnetómetro sensible detecte y localice el defecto. [5]
Cuando respiramos, los nervios y músculos de nuestra cavidad torácica crean un campo magnético débil. Los magnetómetros basados en resonadores piezoeléctricos tienen alta resolución (en el rango de nT), lo que permite la detección en estado sólido de nuestro sistema respiratorio. [5]
Dennis, John Ojur y otros. "Caracterización óptica del sensor de campo magnético CMOS-MEMS basado en fuerzas de Lorentz". Sensores 15.8 (2015): 18256-18269.