德甲买球官方:基于洛伦兹力的MEMS磁传感器设计及制作

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0.磁传感器技术分类(来源:《磁传感器市场与技术-2017版》)由于磁传感器技术受灰尘、污垢、油脂、振动和湿度的影响,磁传感器广泛应用于工业设备和电子仪器中,如磁共振光学、生产自动控制、过程工业、煤矿勘探、电流测量、铁磁材料的漏点定位和残余变形检测等。为了满足不同场合的应用,根据不同的传感原理制作了合适的磁传感器,如超导量子干涉器件(SQUID)、磁通门磁力仪、霍尔效应传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器和微机电系统(MEMS)磁传感器。在这些传感器中,SQUID虽然能观察到超过磁感应强度(fT)的情况,但器件必须在低温下加热,易受电磁干扰,所以必须是简单的外围设备;磁通门磁力仪具有体积大、功耗大、工作范围小、不能检测静磁场的特点,这使得它可以应用于;霍尔效应传感器表明,降低灵敏度取决于降低功耗。

而AMR传感器拒绝沉积磁性材料和自动校正系统,在几mT时容易出现饱和状态;由于微机电系统技术可以使传统的磁传感器小型化,基于微机电系统的磁传感器具有体积小、性能低、成本低、功耗低、灵敏度高、可批量生产等优点。并且其制造材料大多是硅,这避免了需要使用类似的磁性材料来制造磁传感器及其对测量磁场的影响。

本文综述了基于微机电系统的磁传感器的主要设计、制造、传感技术和器件特性,并对其未来发展进行了展望。磁传感器市场(来源:《磁传感器市场与技术-2017版》)磁传感器供应链和主要制造商(来源:《磁传感器市场与技术-2017版》 )1。微机电系统磁传感器设计与制作1.1微机电系统磁传感器设计要获得高性能的微机电系统磁传感器,首先要根据其应用对象设计器件,然后确定其结构、材料、工作原理和传感器技术。

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微机电系统设计人员可以根据仿真和建模工具自由选择生产传感器的最佳工艺和材料,并预测微机电系统磁传感器的性能。同时,设计人员必须考虑器件制作过程中不应该观察到的材料生长、器件制作、信号调制和传感器技术的规律,以防止影响传感器性能的错误再次发生。开发者在使用MEMS传感器时,必须考虑以下几点:(1)优化器件结构设计;纸箱设计;可靠的材料性能和标准的生产工艺;合适的设计和建模工具;增加电子噪声和寄生电容;可信信号处理系统;可信的测试。目前常用的MEMS设计工具有MEMSCAP、CoventorWare、IntelliSuite、Sandia超平面多级技术(Summit)。

这些设计工具有创建传感器布局和检查设计规则的模块,可以模拟微加工过程的步骤,不利于增加获得高性能MEMS磁传感器的时间。1.2微机电系统磁传感器的制造一般来说,微机电系统磁传感器的制造可以通过体或表面微加工技术来构造。硅因其优异的机械和电气性能而被用作其主要加工材料。

例如,硅具有更大的机械延迟和类似的1GPa的脱落变形。此外,掺杂磷或硼的硅的电性能可以显著改善。体微加工技术通过各向同性和各向异性材料,利用湿法和干法延伸技术转移和印刷必要的材料结构。表面微加工技术是通过在衬底上沉积、构图和转移不同的材料层来生产微机电系统器件。

一般来说,这些层用于建筑和英雄牺牲层。图1显示了通过体加工和表面微加工制造的磁传感器的扫描电镜。图1通过体加工和面加工得到的SEM2、传感技术和MEMS磁传感器2.1,可以使用不同的传感技术制作MEMS磁传感器,如压阻、电容和光学技术。这些技术需要将磁场信号转换成
然而,在强电磁场和长距离传输的条件下,光信号检测比电信号检测具有更多的优势,因此经常被用于极端的场合。

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此外,为了获得低分辨率和灵敏度,微机电系统磁传感器必须配备具有低电子噪声和寄生电容的信号调制系统。2.2各种MEMS磁传感器V.Kumar报道内部热压波动放大器搭建的洛伦兹力共振MEMS磁力仪具有极高的灵敏度。

他们利用偏流回波法将谐振器的有效品质因数从680提高到1.14×10^6,这证明内部放大因数提高了1620倍。此外,谐振器偏置电流的减小不仅提高了器件的品质因数,而且将器件的灵敏度提高了2400倍(从0.9 V NT (-1)到2.107mV nT^(-1-1)).)当直流偏置电流为7.245mA时,灵敏度为2.107mV nT^(-1 1,本底噪声为2.8 Pt Hz-1/2。

Mehdizadeh等人报道了基于洛伦兹力在低电阻率n型SOI衬底上制作的MEMS磁传感器。其主要部件的扫描电镜和电气连接如图2右图所示。传感器采用双板硅谐振器(厚度10m,其中一个有10 mx200nm的金线),其中中间设计的两个宽光束与两个硅板相连;当谐振器在平面振动模式下波动时,不会受到周期性剪切和传输变形,因此呈现压阻特性。

谐振器的品质因数在大气压下(从1140到16900)按比例调整。此外,可以通过减小谐振器的振动幅度来提高传感器的灵敏度。在空气中,当谐振频率为2.6MHz,品质因数为16900时,传感器灵敏度为262 mV/t,图2压阻式MEMS磁传感器主要部件的SEM和电气连接埃雷拉-梅制作了谐振器非常简单、线性电调用的MEMS磁传感器。

它由多孔板(472mx300mx15m)、4根斜梁(18mx15mx15m)、2根支撑梁(60mx36mx15m)和4个包括p型压阻的惠斯通电桥组成,如图3所示。采用标准体微加工工艺在SOI衬底上制作器件,通过调节激励电流来控制器件的动态范围,以保持线性电调用。器件的品质因数为419.6,灵敏度为230毫伏,分辨率为2。

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