MEMS磁場センサー
Motorola Xoomに搭載されたAKM Semiconductor製 3 軸電子磁力計

MEMS磁場センサーは、磁場（磁力計）を 検出・測定するための小型の微小電気機械システム（MEMS）デバイスです。多くのMEMSデバイスはローレンツ力の影響を検出することで動作します。電圧や共振周波数の変化を電子的に測定したり、機械的変位を光学的に測定したりすることができます。温度の影響に対する補正が必要です。小型コンパスへの応用は、そのようなシンプルな応用例の一つです。

磁場センシング

磁力計は、測定する磁場の大きさに応じて、4つの一般的なタイプに分類できます[ 1 ] 。対象となるBフィールドが地球の磁場（最大値約60 μT）よりも大きい場合、センサーの感度はそれほど高くする必要はありません。地磁気ノイズ（約0.1 nT）よりも大きな地磁気を測定するには、より優れたセンサーが必要です。磁気異常検出の用途では、空間相関ノイズをキャンセルして空間分解能を向上させるために、異なる場所に設置したセンサーを使用する必要があります。地磁気ノイズ以下の磁場を測定するには、はるかに感度の高い磁場センサーを使用する必要があります。これらのセンサーは、 MRIや分子タグ付けなどの医療および生物医学の用途で主に使用されています。

磁気センシングには、ホール効果センサー、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、AMR磁力計、GMR磁力計、磁気トンネル接合磁力計、磁気光センサー、ローレンツ力ベースのMEMSセンサー、電子トンネルベースの MEMS センサー、MEMSコンパス、核歳差運動磁場センサー、光ポンピング磁場センサー、フラックスゲート磁力計、サーチコイル磁場センサー、SQUID磁力計など、さまざまなアプローチがあります。

MEMS磁気センサーの性能指数

MEMS 磁気センサーには、品質係数 (Q)、共振周波数、モード形状、応答性、解像度など、いくつかのパラメーターがあります。

品質係数は、共振器の振動中にどれだけのエネルギーを維持できるかを示す指標です。共振器を減衰させる要因としては、共振器自体の機械的減衰や外部圧力および温度による減衰など、いくつか考えられます。[ 2 ]

共振周波数とは、装置が最大振幅（または、ベルや音叉を叩いた場合のように最長振幅）で振動する周波数です。共振周波数は装置の形状によって決まります。装置の寸法、等価ヤング率、および等価密度がわかれば、共振周波数を計算できます。[ 3 ]

モード形状は共振器の振動のパターンである。[ 4 ]

応答性（分解能に寄与する）は、同一の外部条件下におけるデバイスから得られる振動の大きさを表します。複数の共振器に同一の電流と磁場を印加した場合、より大きな振動振幅を示すデバイスは、より高い応答性を持つと言われています。他の条件が同じであれば、応答性が高いデバイスはより感度が高いと言えます。圧電共振器に基づく磁力計の測定範囲はmV/T（ミリボルト/テスラ）であるため、一般的に応答性が高いほど優れています。[ 5 ]

分解能とは、機器が測定できる最小の磁場を指します。数値が小さいほど、機器の感度は高くなります。圧電共振器をベースとした磁力計の測定範囲は数nT（ナノテスラ）です。[ 5 ]

MEMSベースのセンサーの利点

MEMSベースの磁場センサーは小型であるため、測定場所の近くに設置でき、他の磁場センサーよりも高い空間分解能を実現できます。さらに、MEMS磁場センサーは磁性材料の微細加工を必要としないため、センサーのコストを大幅に削減できます。MEMSセンサーとマイクロエレクトロニクスを統合することで、磁場センシングシステム全体のサイズをさらに小型化できます。

ローレンツ力に基づくMEMSセンサー

このタイプのセンサーは、磁場中の電流導体に作用するローレンツ力によるMEMS構造の機械的運動を利用します。マイクロ構造の機械的運動は、電子的または光学的に検知されます。機械構造は、最大出力信号を得るために、しばしば共振点まで駆動されます。電子検出では、ピエゾ抵抗法と静電変換法が用いられます。光学検出では、レーザー光源またはLED光源を用いた変位測定も用いられます。以下のサブセクションでは、センサーの出力特性の違いに応じて、いくつかのセンサーについて説明します。

電圧検知

Beroulleらはシリコン基板上にU字型のカンチレバービームを作製した[ 6 ] 。支持端には2つのピエゾ抵抗器が配置され、U字型ビームに沿って電流を流す80ターンのAlコイルが設けられている。2つの「能動」抵抗器と、歪みのない別の2つの「受動」抵抗器を接続することで、ホイートストンブリッジが形成される。電流を流す導体に外部磁場が印加されると、U字型ビームの動きによって2つの「能動」ピエゾ抵抗器に歪みが生じ、ホイートストンブリッジの両端に磁束密度に比例した出力電圧が発生する。このセンサーの感度は530mVrms/T、分解能は2μTと報告されている。感度を最大化するため、励起電流の周波数はU字型ビームの共振周波数と等しくなるように設定されていることに注意されたい。

Herrera-Mayらは、同様のピエゾ抵抗読み出し方式を採用しながらも、異なる機械的動作を持つセンサーを作製した[ 7 ] 。このセンサーは、シリコン基板から作製されたマイクロプレートのねじり運動を利用している。励起電流ループには、8巻きのアルミニウムコイルが含まれている。この電流ループの配置により、前述のU字型カンチレバービームと比較して、より均一なローレンツ力分布が実現されている。報告されている感度は403 mVrms/T、分解能は143 nTである。

Kádárらも機械構造としてマイクロねじり梁を選択した[ 8 ] 。彼らの読み出し方法は異なっている。ピエゾ抵抗変換ではなく、静電変換を利用する。彼らはマイクロプレートの表面と別の外部ガラスウェハに複数の電極をパターン化した。そして、ガラスウェハをシリコン基板に接合して可変コンデンサアレイを形成する。外部磁場によって発生するローレンツ力によってコンデンサアレイに変化が生じる。報告されている感度は500 Vrms/Tで、分解能は数mTである。真空動作では分解能は1nTに達する。

エメリッヒらは、櫛形構造の単一シリコン基板上に可変コンデンサアレイを作製した。[ 9 ]報告された感度は、1mbarの圧力レベルで200nTの分解能で820Vrms/Tである。

周波数シフトセンシング

別のタイプのローレンツ力ベースの MEMS 磁場センサーは、特定の機械構造に適用されるローレンツ力による 機械的共振のシフトを利用します。

Sunierら[ 10 ]は、内側に湾曲した支持部を追加することで、前述のU字型カンチレバービームの構造を変更しました。ピエゾ抵抗センシングブリッジは、2つの加熱駆動抵抗器の間に配置されています。センシングブリッジの出力電圧の周波数応答を測定して、構造の共振周波数を決定します。このセンサーでは、アルミニウムコイルを流れる電流はDCであることに注意してください。機械構造は、実際には共振時に加熱抵抗器によって駆動されます。U字型ビームに適用されるローレンツ力は、ビームの共振周波数を変化させ、それによって出力電圧の周波数応答を変化させます。報告されている感度は60kHz/Tで分解能は1μTです。

Bahreyniら[ 11 ]はシリコン基板上に櫛歯状構造を作製した。中央のシャトルは、外部磁場が印加された際に可動構造の内部応力を変化させるために使用される2つのクランプされた導体に接続されている。これにより、櫛歯状構造の共振周波数が変化する。このセンサーは、静電変換を用いて出力信号を測定する。報告されている感度は、真空環境における高い機械的品質係数（Q = 15000 @ 2 Pa）構造のおかげで69.6 Hz/Tまで向上している。報告されている分解能は217 nTである。

光センシング

光センシングは、MEMS 構造の機械的変位を直接測定して外部磁場を見つけます。

Zanettiら[ 12 ]は木琴の梁を製作した。中心導体と木琴の梁を流れる電流は、ローレンツ力によって偏向する。直接的な機械的変位は、外部レーザー光源と検出器によって測定される。1nTの分解能を達成できる。Wickenden [ 13 ]は、この種の装置のフットプリントを100分の1に縮小しようと試みた。しかし、150μTというはるかに低い分解能しか得られなかった。

Keplingerら[ 14 ] [ 15 ]は、外部レーザー光源の代わりにLED光源を用いた光センシングを試みた。変位センシングのために、光ファイバーをシリコン基板上に異なる配置で配置した。10mTの分解能が報告されている。

John Ojur Dennis、[ 16 ] Farooq Ahmad、M. Haris Bin Md Khir、および Nor Hisham Bin Hamid が製造した CMOS-MEMS センサーは、横方向 (第 1 の共振モード) に共振するように設計されたシャトルで構成されています。外部磁場が存在すると、ローレンツ力によってシャトルが横方向に作動し、共振の振幅が光学的方法を使用して測定されます。共振シャトルの振幅の微分変化は、外部磁場の強度を示します。センサーの感度は、10 mA の電流がシャトルを通過するときに静的モードで 0.034 μm/mT であると測定され、共振時には 8 mA の電流で 1.35 μm/mT の値が出て感度が高くなることがわかります。最終的に、センサーの解像度は 370.37 μT であることがわかりました。

温度の影響

温度が上昇すると、可動構造を構成する材料のヤング率が低下します。つまり、可動構造が軟化します。同時に、熱膨張と熱伝導率が増加し、温度によって可動構造に内部応力が発生します。これらの影響により、可動構造の共振周波数がシフトし、共振周波数シフトセンシングや電圧センシングにおけるノイズが発生します。さらに、温度上昇はジョンソンノイズ（ピエゾ抵抗変換に影響）の増大や機械的変動ノイズ（光センシングに影響）の増加を引き起こします。そのため、温度変化に対して感度を維持するには、温度影響を補償するための高度な電子機器を使用する必要があります。

アプリケーション

導電性材料の欠陥を検出する

圧電共振器をベースとした磁力計は、航空機のプロペラ、エンジン、胴体や翼構造、高圧の石油・ガスパイプラインなど、安全性が極めて重要な金属構造物の欠陥検出に応用できます。磁石（通常は変動周波数の磁場を生成する電磁石）が材料に渦電流を発生させると、渦電流は材料内に別の磁場を発生させ、この磁場を磁力計が感知します。パイプラインに欠陥や亀裂がない場合、渦電流からの磁場は試験対象材料に沿って移動する際に一定のパターンを示します。しかし、材料に亀裂や穴があると渦電流が遮断され、磁場が変化します。そのため、高感度の磁力計は欠陥を感知し、その位置を特定することができます。[ 5 ]

胸腔内臓器の健康状態のモニタリング

私たちが呼吸すると、胸腔内の神経と筋肉が弱い磁場を発生させます。圧電共振器をベースとした磁力計は、nT単位の高分解能を有しており、呼吸器系の固体センシングを可能にします。[ 5 ]

参考文献

  1. ^ Lenz, J., Edelstein, AS, 「磁気センサーとその応用」IEEE Sensors J. 2006, 6, 631-649.
  2. ^ Tabrizian, R. (2016) 微細構造の減衰振動と集中要素モデリングおよびトランスデューサー (pdf スライド) 電気・コンピュータ工学科、EEL 4930 / 5934 共振型微小電気機械システムより引用
  3. ^ Tabrizian, R. (2016) 概要と導入(pdfスライド) 電気・コンピュータ工学科、EEL 4930 / 5934 共振型マイクロ電気機械システムより引用
  4. ^ Chaudhuri, RR, Basu, J., & Bhattacharyya, TK (2012). マイクロマシン共振器の設計と製造. arXiv プレプリントarXiv : 1202.3048 .
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  6. ^ベローレ、V.バートランド、Y.ラトーレ、L. Nouet、P. モノリシックピエゾ抵抗 CMOS 磁場センサー。センサーアクチュエーター A 2003, 103, 23-32
  7. ^アラバマ州エレーラメイ;ガルシア・ラミレス、ペンシルベニア州;アギレラ・コルテス、ルイジアナ州。マルティネス・カスティージョ、J.サウセダ＝カルバハル、A.ガルシア＝ゴンサレス、L. Figueras-Costa、E. 大気圧で高い品質係数を備えた共鳴磁場マイクロセンサー。 Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．マイクロエング。 2009、19、015016。
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  15. ^ Keplinger, F.; Kvasnica, S.; Jachimowicz, A.; Kohl, F.; Steurer, J.; Hauser, H. 光学読み出し機能付きローレンツ力に基づく磁場センサー。Sens. Actuators A 2004, 110, 12-118.
  16. ^ Dennis, John Ojur他「ローレンツ力に基づくCMOS-MEMS磁場センサーの光学特性評価」センサー15.8（2015）：18256-18269。
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