Рынок недорогих МЭМС-датчиков растет быстрыми темпами, частично благодаря экспоненциальному росту на смартфоны и систем помощи водителю. Компас или магнитометр является важным компонентом для использования в этих устройствах функции навигации и определения местоположения. В то время как магниторезистивные (MR) магнитометры и магнитометры на эффекте Холла являются доминирующими технологиями в существующих электронных компасах, магнитометры силы Лоренца имеют некоторые заметные преимущества, включая:

• Нет необходимости в каких-либо специализированных магнитных материалах
• Нет необходимости в магнитных концентраторах для измерения полей, параллельных устройству, и
• Простая интеграция с МЭМС гироскопами и акселерометрами, которые в настоящее время используются в бытовой электронике

Благодаря этим преимуществам увеличиваются научно-исследовательские работы по разработке практических магнитометров силы Лоренца на основе МЭМС. Работа в этой области направлена на снижение энергопотребления и шума [1], а также на интеграцию с монолитными инерциальными МЭМС с 9 степенями свободы [2].

Задачи проектирования

Чувствительность, шум, гистерезис, линейность, динамический диапазон, надежность и производительность - все это важные параметры для магнитометров на основе МЭМС. Инженеры-конструкторы должны оптимизировать работу устройства в соответствии с этими критериями, одновременно снижая стоимость, форм-фактор и время выхода на рынок.

Магнитометры силы Лоренца мультифизические по своей природе. Конструкция этих устройств должна включать анализ резонансных частот, силы Лоренца и емкостного выхода. Сопутствующая схема обычно требует точной модели магнитометра для того, чтобы спроектировать управление переменным током, усилитель измерения емкости, АЦП и обработку выходного сигнала. Конструкция системы может также включать в себя анализ шума для датчика и схемы, а также исследование температурной стабильности.

Рисунок 1: Изображение под микроскопом (слева), стрелками, указывающими ток возбуждения в направлении y+, и схемой измерения (справа) магнитометра силы Лоренца из [1]. Использовано повторно с разрешения автора.

Методология мультифизического проектирования

Частота срабатывания и приложение силы Лоренца

Магнитометр, показанный на Рисунке 1 (также называемый «магнитометр UC Davis»), использует микроструктуру, показанную на Рисунке 2, для измерения двухосного поля B. Переменный ток передается через структуру в направлении y+.

Рисунок 2: Модель MEMS+ магнитометра UC Davis (вверху), и сила Лоренца за счет взаимодействия тока управления и полей Bz (внизу слева), и Bx (внизу справа)

Для увеличения реакции, частоты сигнала переменного тока согласованы с частотами механических колебаний, соответствующими направлению x, движению в плоскости и направлению z, движению вне плоскости. Результаты модального анализа в MEMS + показаны на рисунке 3.

Рисунок 3: Модальный анализ MEMS+ для режима измерения Bz в плоскостном режиме на частоте 49,7 кГц (слева) и режима измерения Bx вне плоскостного режима на частоте 112 кГц (справа).

Емкостное измерение полей Bz и Bx

Измерение Bz обеспечивается дифференциальной емкостью между пальцами электростатической гребенки x + и x-, а измерение Bx обеспечивается емкостью на одном электроде под микроструктурой, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4: Модель MEMS +, показывающая измерение дифференциальной емкости для Bz (слева, выделен только конденсатор x +) и измерение одиночной емкости для Bx через электрод под микроструктурой (справа).

Результаты измерения для полей Bz и Bx показаны на рисунке 5. Обратите внимание, что частота переменного тока для каждого поля измерения (слева) соответствует рассчитанной частоте для каждого режима измерения в модальном анализе MEMS+ (справа).

Рисунок 5: Емкостной выходной сигнал для Bz (слева) и Bx (справа), рассчитанный MEMS+

Источники

1. Area-Efficient Three Axis MEMS Lorentz Force Magnetometer, V. Rouf et al, IEEE Sensors Journal, Vol 13, 2013.
2. A Monolithic 9 Degree of Freedom (DOF) Capacitive Inertial MEMS Platform, I. Ocak, et al, IEEE Electron Devices Meeting (IEDM), 2014.

Источник: https://www.coventor.com/mems-solutions/magnetometers/