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感知“利”器:扭转式MEMS磁场传感器

导读: 磁传感器是一类常见的传感器件,广泛应用于航空航天、地质勘探、消费电子以及汽车工业等领域。据麦姆斯咨询数据,2016年,全球磁传感器市场规模为16.4亿美元,未来几年将以每年8%的速度增长,预计2022年将增长至到26亿美元。

传感器是一类常见的传感器件,广泛应用于航空航天、地质勘探、消费电子以及汽车工业等领域。据麦姆斯咨询数据,2016年,全球磁传感器市场规模为16.4亿美元,未来几年将以每年8%的速度增长,预计2022年将增长至到26亿美元。

2016~2022年磁传感器市场预测

(引自《磁传感器市场与技术-2017版》)

目前主要的磁传感技术根据工作原理的不同,包括霍尔、AMR(各向异性磁阻传感器)、GMR(巨磁阻)、TMR(隧道磁电阻)、磁通门、磁感应(Magneto Inductive)、超导量子干涉仪(SQUID)等。

按技术原理分类的磁传感器市场

(引自《磁传感器市场与技术-2017版》)

超导量子干涉器件(SQUID)是迄今为止最灵敏的磁传感器,其分辨率可达到几个fT,此类传感器一般用于生物神经磁信号的测量,信号强度一般在pT或者更低的量级。但是,它的功耗较大(几瓦特),需要工作在低温环境中,且易受到外界电磁干扰的影响,为此需要复杂的测量设备。霍尔传感器具有成本低,可靠性高,线性度好等优点,一般用于速度与位置传感,电压电流测量等场合。霍尔传感器零偏输出很大,且易受温度影响,因此需要温度补偿电路。磁通门传感器一般用来探测直流或低频弱磁场,但是磁芯和线圈的制作工艺复杂,难于集成,并且功耗和体积较大。AMR传感器灵敏度约为半导体霍尔效应的100倍,常用于弱磁场的测量,且敏感单元可对传感器切向磁场响应,不同于霍尔传感器只能对法向的磁场响应,使其能够应用于霍尔传感器无法使用的场合。但是,AMR传感器在几个mT磁场下就会饱和,并且需要复杂的复位程序。GMR传感器的分辨率与AMR传感器的分辨率接近,但它的漂移和灵敏度受温度的影响比AMR传感器要大,此外,在强磁场(约1T)下器件会发生永久性的损坏。

为了满足磁场传感器发展对小型化,低成本,低功耗以及高灵敏度的要求,近些年研究人员提出了基于MEMS(Microelectromechanical systems)技术的磁场传感器。目前,此类器件主要是利用洛仑兹力原理,首先在器件内制作扭转式的谐振结构,然后在谐振结构上制作通电线圈,器件工作时在线圈中施加与谐振结构谐振频率相同的交流电流,当有外部磁场存在时会受到洛伦兹力的作用从而激励谐振结构处于谐振状态,然后通过光学式,电容式,压阻式等检测方法测量谐振结构的位移,进而得到被测磁场的大小。与其他类型的传感器相比,MEMS磁场传感器具有体积小,重量轻,成本低等明显优点,但是,为了获得较高的灵敏度,就必须增大线圈中的电流,如此一来便增加了器件的功耗,另外,功耗的增大会带来温度的升高,从而影响器件稳定性。此外,大位移下器件还会呈现出明显的非线性。


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