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MEMS 磁强计,MEMS 磁強計,MEMS Magnetic Field Sensor
来源: | 作者:LiLi | 发布时间: 2024-02-18 | 373 次浏览 | 分享到:

磁强计(Magnetic Field Sensor)也称磁场传感器(Magnetometer),是一种测量环境磁感应强度与方向的传感器。目前主要的 MEMS 磁强计包括磁阻式磁强计、磁通门式磁强计、霍尔效应式磁强计、隧道效应式磁强计和谐振式洛伦兹力磁强计等。

磁通门式磁强计包含一个高磁导率的软磁材料制成的铁芯。在同时受到交变和恒定两种磁场作用情况下,缠绕在铁芯上的检测线圈感生的电压中含有偶次谐波分量,特别是二次谐波;谐波电压与磁场强度正相关,所以可以通过测量检测线圈的谐波电压来检测磁场强度。

霍尔效应式磁强计是基于霍尔效应进行测量的。将一个导体置于磁场中并通电,磁场对导体中的电子会产生一个横向作用力,从而在导体两端产生电压差,测量该电压差,即可得到待测磁场的强度。霍尔效应式磁强计具有探头体积小、灵敏度高、线性度好等特点。

磁阻式磁强计有半导体磁阻式和薄膜磁阻式两种类型。半导体磁阻式磁强计是用Insb 或 GaAs 等材料制作而成的测量磁场大小和方向的传感器,它是利用半导体材料在磁场作用下电阻发生变化这一特性工作的。而薄膜磁阻式磁强计的核心结构是用 NiFe 或 NiCo 合金制作的,利用薄膜磁阻材料的各向异性磁阻效应工作。

隧道效应式磁强计具有深腔结构,腔内有薄膜和硅尖。利用静电力将薄膜拉至与硅尖 1nm 的距离,在偏置电压的作用下,薄膜与硅尖之间会产生微安级隧道电流。而薄膜上具有线圈结构,其中通有交流电,在待测磁场作用下,线圈中会产生洛伦兹力使薄膜上下振动。当薄膜和硅尖之间的距离随着薄膜的振动而变化时,遂穿电流值也将随之变化,通过测量此电流的变化,便能够获得外界磁场强度。

谐振式洛伦兹力磁强计结构上具有激励线圈。通入交流电流的激励线圈在磁场中受到交变的洛伦兹力作用,从而使结构处于谐振状态,测量结构振动幅度的大小可以间接获得外界磁场强度。当电流频率与扭梁的固有振荡频率一致时,系统会产生谐振,此时输出振幅达到最大值,并且与外界磁场强度成比例。多数的洛伦兹力磁强计通过压阻或电容检测方法来测量振幅。由于 MEMS 谐振结构具有较高的Q值,因此该磁强计的灵敏度较高。而且,此类磁强计不需要磁性材料,加工工艺过程较为简单,成品率相对较高。

磁场探测是 MEMS 传感领域的重要方向之一。近年来,随着原子磁强计等新概念的出现和发展,推动着相关 MEMS 磁强计技术的不断进步;同时, MEMS微加工方法使得磁强计的体积大大减小,成本也降低许多,使其具有了更广阔