洛伦兹力磁力计

低成本MEMS传感器市场正在快速增长,部分原因是智能手机和驾驶员辅助系统的指数增长。指南针或磁强计是在这些设备中提供导航和定位服务的基本组件。虽然磁阻(MR)和霍尔效应磁强计是现有电子罗盘的主导技术,但洛伦兹力磁强计具有一些显著的优势,包括:

  • 无需任何专用磁性材料
  • 无需磁集电器以检测平行于设备的字段,以及
  • 易于与消费类电子产品中当前使用的MEMS陀螺仪和加速度计集成

由于这些优点,有强烈的研发努力开发基于MEMS的Lorenz力磁力计。在这一领域的工作旨在降低功耗和噪音[1],以及与9自由度单片惯性MEMS的集成[2]。

设计挑战

灵敏度、噪声、迟滞、线性、动态范围、可靠性和成品率都是基于MEMS的磁强计的关键参数。设计工程师需要根据这些标准优化设备性能,同时降低成本、形状系数和上市时间。

洛伦兹力磁强计本质上是多物理的。这些设备的设计必须包括谐振频率、洛伦兹力和电容输出的分析。伴随的电路设计通常需要精确的磁强计模型,以便设计交流电流驱动控制、电容读出放大器、ADC和输出sig系统设计还可能包括传感器和电路的噪声分析,以及温度稳定性的研究。

SEM图像(左),白色箭头指示从[1]的y +方向和感测电路(右)的驱动电流。与作者的许可重复使用。

图1:SEM图像(左),带有白色箭头,指示y+方向的驱动电流,以及[1]中洛伦兹力磁强计的传感电路(右)。经作者许可后重新使用。

多物理设计方法

传感频率和洛伦兹力应用
如图1所示的磁力计(称为“UC DAVIS磁力计”)使用图2中显示的微结构来感测双轴B字段。交流驱动电流通过y +方向上的结构发送。

<em>加州大学戴维斯分校(UC Davis)磁强计(上图)的MEMS模型,以及驱动电流和Bz(左下)和Bx(右下)场相互作用产生的洛伦兹力。

图2:微机电系统+加州大学戴维斯分校磁强计模型(上),以及驱动电流和Bz(左下)和Bx(右下)场相互作用产生的洛伦兹力。

为了最大限度地提高灵敏度,交流驱动电流的频率与相应的机械模式频率相匹配x-方向、平面内运动和Z-方向,平面外运动。结构的模态分析结果微机电系统+如图3所示。

<em>49.7kHz时Bz感应平面内模式(左)、<br/>和112kHz时Bx感应平面外模式(右)的MEMS</em>+模态分析。

图3。微机电系统+49.7kHz(左)下Bz感应面内模式的模态分析,
和Bx感应112kHz(右)的平面外模式。

Bz和Bx场的电容传感
Bz感应由x+和x-静电梳齿之间的差分电容提供,Bx感应由微结构下方单个电极的电容提供,如图4所示。

<em>MEM</em>S+模型显示Bz的差分电容感应(左侧,仅突出显示x+电容),以及Bx通过微结构下方的电极的单电容感应(右侧)。

图4:记忆S+模型显示Bz的差分电容感应(左侧,仅突出显示x+电容),以及Bx通过微结构下方的电极的单电容感应(右侧)。

Bz和Bx字段的感应结果如图5所示。请注意,每个感应场(左)的交流电流频率与MEMS中每个感应模式的预测频率相匹配+模态分析(右)。

MEMS预测的Bz(左)和Bx(右)电容传感输出+

图5。Bz(左)和Bx(右)的电容感应输出由微机电系统+

参考

[1] 面积有效的三轴MEMS洛伦兹力磁强计,V.Rouf等人,IEEE传感器杂志,2013年第13卷。

[2] 单片9自由度(DOF)电容式惯性MEMS平台,I.Ocak等,IEEE电子设备会议(IEDM),2014年。

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