基于洛伦兹力的MEMS磁传感器的研究进展

㊀２０１７年㊀第１１期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０１７㊀Ｎｏ １１㊀收稿日期：２０１７－０６－０２基于洛伦兹力的ＭＥＭＳ磁传感器的研究进展张云琦１，张景波１，邢春香１，孙晓冰１，胡大强２，殷景志２，陈信琦３（１．长春理工大学光电信息学院，吉林长春㊀１３００１２；２．集成光电子学国家重点实验室，吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春㊀１３００１２；３．中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨㊀１５０００１）㊀㊀摘要：文中对制作ＭＥＭＳ磁传感器过程中涉及的主要设计参数㊁器件的制备工艺进行了介绍，综述了基于洛伦兹力的各种结构ＭＥＭＳ磁传感器的灵敏度㊁品质因子㊁噪声和探测极限等特性，并对其未来发展进行了展望㊂关键词：ＭＥＭＳ磁传感器；器件设计与制作；灵敏度；探测极限；洛伦兹力中图分类号：ＴＰ２１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１７）１１－０００１－０５ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＭＥＭＳＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄＳｅｎｓｏｒｓＵｓｅｄｉｎＬｏｒｅｎｔｚＦｏｒｃｅ⁃ｂａｓｅｄＺＨＡＮＧＹｕｎ⁃ｑｉ１，ＺＨＡＮＧＪｉｎｇ⁃ｂｏ１，ＸＩＮＧＣｈｕｎ⁃ｘｉａｎｇ１，ＳＵＮＸｉａｏ⁃ｂｉｎｇ１，ＨＵＤａ⁃ｑｉａｎｇ２，ＹＩＮＪｉｎｇ⁃ｚｈｉ２，ＣＨＥＮＸｉｎ⁃ｑｉ３（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＯｐｔｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００１２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００１２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｆｏｒｔｙ⁃ｎｉｎｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｍａｎｙｋｉｎｄｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｄｅｓｉｇｎｓ，ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅａｎｄｔｈｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｕｒｉｎｇＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｉｃｓｅｎｓｏｒｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｑｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ，ｎｏｉｓｅｓａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔｏｆＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｉｃｓｅｎｓｏｒｓｕｓｅｄｉｎＬｏｒｅｎｔｚｆｏｒｃｅ⁃ｂａｓｅｄｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｉｔｓｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｓ⁃ｐｅｃｔｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｉｃｓｅｎｓｏｒ；ｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔ；Ｌｏｒｅｎｔｚ０㊀引言由于磁性传感技术不会受到灰尘㊁污垢㊁油脂㊁振动以及湿度的影响，因此磁传感器在工业设备和电子仪器中有着广泛的应用，如磁共振成像㊁生产的自动控制㊁流程工业㊁煤矿勘探㊁电流测量㊁缺陷定位和铁磁材料剩余应力检测等方面［１－３］㊂为了满足不同场合的应用，已根据不同传感原理制备了相应的磁传感器，常见的有超导量子干涉装置（ＳＱＵＩＤ）㊁磁通门磁力计㊁霍尔效应传感器㊁各向异性磁阻（ＡＭＲ）传感器㊁微机电系统（ＭＥＭＳ）磁传感器㊂在这些传感器中，虽然ＳＱＵＩＤ可探测极小磁感应强度（ｆＴ），但装置需要低温冷却，并且易受电磁干扰，为此需要复杂的外围设备［４－５］；磁通门磁力计具有体积大㊁功耗大㊁运行范围小和不能检测静态磁场的特性，限制了其应用；霍尔效应传感器显示增加灵敏度需靠增加功耗实现［６］；而ＡＭＲ传感器则要求沉积磁性材料及自动校正系统，且在几ｍＴ时易出现饱和［７］；由于ＭＥＭＳ技术可以将传统的磁传感器小型化，因此基于ＭＥＭＳ的磁传感器具有体积小㊁性能高㊁成本低㊁功耗低㊁高灵敏和批量生产等优点［８－９］，其制备材料以Ｓｉ为主，消除了磁传感器制备必须采用特殊磁性材料及其对被测磁场的影响㊂本文对目前基于ＭＥＭＳ的磁传感器在制备过程中涉及的主要设计㊁制作，传感技术及器件性质进行综述，并对其未来发展进行展望㊂１㊀ＭＥＭＳ磁传感器设计及制作１．１㊀ＭＥＭＳ磁传感器设计为了获得高性能的ＭＥＭＳ磁传感器，首先要根据器件的应用对象对器件进行设计，由此确定器件的结构㊁使用的材料㊁应用的工作原理和感应技术等㊂ＭＥＭＳ设计人员可以根据模拟和建模工具选择制造传感器的最佳工艺和材料，并预测ＭＥＭＳ磁传感器的性能㊂同时设计人员必须考虑器件制作过程应遵从的材料生长㊁器件制作㊁信号调制和感应技术的实现等规则，以避免发生影响传感器性能的错误㊂在开发商用ＭＥＭＳ传感器时，必须考虑以下几点［１０－１１］：优化器㊀㊀㊀㊀㊀２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＮｏｖ ２０１７㊀件结构设计；包装设计；可靠的材料性能和标准制造工艺；合适的设计和仿真工具；减少电子噪声和寄生电容；可靠的信号处理系统；可靠的测试㊂目前常使用的ＭＥＭＳ设计工具包括ＭＥＭＳＣＡＰＴＭ［１２］㊁ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅＴＭ［１３］㊁ＩｎｔｅｌｌｉＳｕｉｔｅＴＭ［１４］和ＳａｎｄｉａＵｌｔｒａ⁃ｐｌａｎａｒＭｕｌｔｉ⁃ｌｅｖｅｌＭＥＭＳＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＳＵＭＭｉＴＶ）［１５］㊂这些设计工具具有创建传感器版图和检查设计规则的模块，并且可以模拟微加工过程的步骤，有利于减少获得高性能ＭＥＭＳ磁传感器的时间㊂１．２㊀ＭＥＭＳ磁传感器制作通常，ＭＥＭＳ磁场传感器的制造可以采用体或表面微加工工艺来实现［１６－１７］㊂由于硅具有很好的机械和电学性质而被用来作为其主要加工材料，例如，硅具有最小的机械滞后和接近１ＧＰａ的断裂应力㊂此外，硅在掺杂磷或硼后其电性能可得到明显的改善㊂体微加工工艺是采用湿法和干法蚀刻技术，通过材料的各向同性和各向异性蚀刻制备所需要的材料结构㊂表面微加工工艺是通过在衬底上进行不同材料层的沉积，图案化和蚀刻实现对ＭＥＭＳ器件的制造㊂通常，这些层被用作结构和牺牲层㊂图１分别给出了通过体加工和表面微加工工艺制备的磁传感器的ＳＥＭ［１８］㊂（ａ）Ｓｉ谐振式磁传感器㊀（ｂ）多晶硅磁传感器图１㊀体加工和表面加工获得的ＳＥＭ２㊀传感技术及ＭＥＭＳ磁传感器２．１㊀传感技术可以采用不同的传感技术制备ＭＥＭＳ磁传感器，例如压阻式㊁电容和光学［１９－２０］技术㊂这些技术能够将磁场信号分别转换成电信号或光信号㊂在电信号检测中，当电源受限或存在强电磁干扰时，会影响其应用㊂而光信号检测在强电磁场作用及长距离传输等条件下应用比电信号检测更有优势，因此常应用在极端场合㊂此外，为了获得高的分辨率和灵敏度，ＭＥＭＳ磁传感器需要配有低电子噪声和寄生电容的信号调制系统㊂２．２㊀各类ＭＥＭＳ磁传感器Ｖ．Ｋｕｍａｒ等报道通过内部热压阻振荡放大器实现的洛仑兹力谐振ＭＥＭＳ磁力计具有极高的灵敏度［２１］㊂他们采用偏置电流调谐方法，将谐振器的有效品质因子从６８０提高到１ １４ˑ１０６，已证明内部放大系数提高了１６２０倍㊂此外，谐振器偏置电流的增加除了改善器件的品质因子外，也使器件的灵敏度提高了２４００倍（从０ ９μＶ㊃ｎＴ－１到２ １０７ｍＶ㊃ｎＴ－１）㊂在直流偏置电流为７ ２４５ｍＡ时，获得最大灵敏度为２ １０７ｍＶ㊃ｎＴ－１，本底噪声为２ ８ｐＴ㊃Ｈｚ－１／２㊂Ｅ．Ｍｅｈｄｉｚａｄｅｈ等报道了基于洛伦兹力在低电阻率ｎ型ＳＯＩ衬底上制造的ＭＥＭＳ磁传感器［２２］，其主元件的ＳＥＭ和电连接分别如图２所示㊂该传感器利用了双板硅谐振器（厚度１０μｍ，其中之一具有１０μｍˑ２００ｎｍ的金线），其中间设计的２个窄梁与２个Ｓｉ板连接；当谐振器在平面振动模式下振荡时，它会受到周期性的拉伸和压缩应力，因此呈现压阻特性㊂谐谐振器的品质因子在大气压下被放大（从１１４０到１６９００）㊂此外，该传感器可通过增加谐振器振动幅度来提高其灵敏度㊂在空气中，当谐振频率为２ ６ＭＨｚ㊁品质因子为１６９００时，获得传感器灵敏度为２６２ｍＶ／Ｔ㊂（ａ）主元件的ＳＥＭ（ｂ）磁传感器的电连接图２㊀压阻式ＭＥＭＳ磁传感器主元件的ＳＥＭ和电连接Ａ．Ｌ．Ｈｅｒｒｅｒａ⁃Ｍａｙ等制备了具有简单谐振器和线性电响应的ＭＥＭＳ磁传感器［２３］㊂它由穿孔板（４７２μｍˑ３００μｍˑ１５μｍ）㊁４个弯曲梁（１８μｍˑ１５μｍˑ１５μｍ）㊁２个支撑梁（６０μｍˑ３６μｍˑ１５μｍ）和４个ｐ型压敏电阻构成的惠斯登电桥形成，见图３㊂在ＳＯＩ衬底上采用标准的体微加工工艺制造器件，通过调整激励电流控制器件的动态范围使其保持线性电响应，获得器件品质因子为４１９ ６㊁灵敏度为２３０ｍＶ㊃Ｔ㊁分辨率为２ ５μＴ，功耗为１２ｍＷ㊂该传感器适合应用于非㊀㊀㊀㊀㊀第１１期张云琦等：基于洛伦兹力的ＭＥＭＳ磁传感器的研究进展３㊀㊀破坏性的磁性测试及铁磁材料缺陷和腐蚀的检测㊂（ａ）顶视图（ｂ）惠斯登电桥图３㊀ＭＥＭＳ磁传感器主要部分的顶视图和４个压敏电阻组成的惠斯登电桥㊀㊀Ｌａｎｇｆｅｌｄｅｒ等制备了具有电容读出的ＭＥＭＳ磁场传感器［２４］，该传感器可检测与谐振结构表面垂直方向（ｚ轴）的磁场㊂它由一组固定定子和两根细梁悬挂的梭子组成，形成２个差分平行板敏感电容器Ｃ１和Ｃ２，见图４㊂具有传感器共振频率的梁，在通有电流时与磁场相互作用，从而使２个细梁受到洛伦兹力作用㊂这个力垂直于磁场和交流电流所构成的平面，导致梁和平行板产生位移，该位移可以通过差分电容的变化来检测㊂传感器在峰值驱动电流为２５０μＡ时的总灵敏度为１５０μＶ㊃μＴ－１㊁理论噪声为５５７ ２μＶ㊃Ｈｚ－１／２㊁分辨率为５２０ｎＴ㊃ｍＡ－１㊃Ｈｚ－１／２㊁品质因子约３２８㊁共振频率为２８ ３ｋＨｚ㊂图４㊀由平行板㊁固定定子和２根细梁支撑的梭子形成的ＭＥＭＳ磁场传感器的示意图Ｍ．Ｌｉ等设计了由弯曲梁谐振器（１２００μｍˑ６８０μｍˑ４０μｍ）组成的磁场传感器［２５］㊂弯曲梁谐振器与载有电流的Ｓｉ梁通过微杠杆机制耦合，谐振器借助弯曲梁的每一侧的３０个叉指电极实现静电驱动和电容感应，获得传感器的灵敏度为６６８７ｐｐｍ㊃ｍＡ－１㊃Ｔ－１㊁品质因子为５４０㊁谐振频率为２１ ９ｋＨｚ（１ｐｐｍ＝１０－６）㊂Ａｄｉｔｉ等通过采用ＳＯＩ和玻璃片的阳极键合技术制备了ＭＥＭＳ磁场传感器［２６］㊂该器件制作工艺具有以下优点：低温（ɤ４００ħ）㊁可靠㊁可重复㊁少的光刻步骤及可控电极间距离的能力㊂获得传感器功耗为０ ４５ｍＷ，分辨率为２１５ｎＴ㊃Ｈｚ－１／２㊂Ｂ．Ｐａｒｋ等设计了由硅谐振器和紧凑型激光定位系统构成的磁场传感器［２７］，如图５所示㊂该系统具有光电探测器和激光二极管，用于监测电流偏置的反射镜角位移㊂谐振器由涂覆有铝层（２５００μｍˑ２５００μｍˑ０ ８μｍ）的硅膜（３０００μｍˑ３０００μｍˑ１２μｍ）组成，膜由两根扭转弹簧（２１００μｍˑ１００μｍˑ１２μｍ）支撑，宽度为３０μｍ㊁厚度为０ ８μｍ的铝线沉积在其上㊂施加的磁场与反向镜的位移有关，当线圈偏置电流为５０ｍＡ时，获得传感器的灵敏度为６２ｍＶ㊃μＴ－１㊁共振频率为３６４Ｈｚ㊁品质因子为１１６㊁５３ｍＨｚ带宽的分辨率为０ ４ｎＴ㊁本底噪声为１ ７８ｎＴ㊃Ｈｚ－１／２㊂（ａ）具有光读出的ＭＥＭＳ磁场传感器（ｂ）传感器工作原理图图５㊀具有光读出的ＭＥＭＳ磁场传感器和传感器工作原理图Ｍ．Ｌａｒａ⁃Ｃａｓｔｒｏ等提出在印刷电路板上实现的ＭＥＭＳ磁场传感器的便携式信号调制系统［２８］，它配有能够谐磁场传感器的２个正弦信号发生器㊂磁场传感器由共振硅结构（６００μｍˑ７００μｍˑ５μｍ）㊁１个铝环（１μｍ厚）和４个ｐ型压敏电阻组成的惠斯登电桥构成㊂２个信号发生器的频率稳定度为ʃ１００ｐｐｍ，分辨率为１Ｈｚ㊂该系统中，磁场与电压有近似线性关系；大气压下灵敏度和分辨率分别为０ ３２Ｖ／Ｔ和３５ｎＴ㊂㊀㊀㊀㊀㊀４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＮｏｖ ２０１７㊀龙亮等采用ＭＥＭＳ磁扭摆和检测差分电容构成了ＭＥＭＳ磁传感器［２９］㊂磁扭摆是通过在双端固定梁的硅薄膜上制作ＣｏＮｉＭｎＰ永磁薄膜获得，磁传感器尺寸为３ ７ｍｍˑ２ ７ｍｍˑ０ ５ｍｍ，制备的ＭＥＭＳ磁传感器具有良好的线性，灵敏度为２７ ７ｆＦ／ｍＴ，最小可分辨磁场大小为３６ｎＴ㊂表１给出了近年来获得的ＭＥＭＳ磁传感器的一些主要特性［１０］㊂表１㊀ＭＥＭＳ磁场传感器的主要性质文献谐振器尺寸／μｍˑμｍ品质因子噪声探测极限灵敏度文献［２２］５００ˑ１４００１６９００２６２ｍＶ㊃Ｔ－１文献［２３］４７２ˑ３００４１９ ６３７ １ｎＶ㊃Ｈｚ－１／２１６１ｎＴ㊃Ｈｚ－１／２∗２３０ｍＶ㊃Ｔ－１文献［２４］８９ˑ８６８３２７ ９５５７ ２μＶ㊃Ｈｚ－１／２５２０ｎＴ㊃ｍＡˑＨｚ－１／２１５０ｍＶ㊃ｍＴ－１文献［２５］１２００ˑ６８０５４００ ５ｐｐｍ㊃Ｈｚ－１／２６６８７ｐｐｍ㊃ｍＡ－１㊃Ｔ－１文献［２７］３０００ˑ３０００１１６１ ７８ｎＴ㊃Ｈｚ－１／２０ ４ｎＴ（带宽为５３ｍＨｚ）６２ｍＶ㊃ｍＴ－１文献［３０］４００ˑ１５０８４２５７ ５ｎＶ㊃Ｈｚ－１／２１４３ｎＴ㊃Ｈｚ－１／２∗４０３ｍＶ㊃Ｔ－１文献［３１］６００ˑ８００１０００００２１５ ７４ｐｐｍ㊃Ｔ－１文献［３２］２８２ˑ１０９５２５００１２０ｎＴ㊃ｍＡ㊃Ｈｚ－１／２０ ８５Ｖ㊃ｍＴ－１文献［３３］１７００ˑ７５０４６０３０ｚＦ㊃Ｈｚ－１／２４０ｎＴ㊃ｍＡ㊃Ｈｚ－１／２０ ７５ｚＦ㊃ｎＴ－１㊃ｍＡ－１㊀㊀注：∗理论数据㊂３㊀展望目前基于Ｌｏｒｅｎｔｚ力的ＭＥＭＳ谐振式磁传感器主要通过压阻㊁光学和电容感测技术来检测磁场㊂这些技术可为设计人员提供研制特定应用场合的最佳传感器方法，例如，压阻感测适于采用体微加工工艺实现和简单的信号处理系统㊂但压阻感应存在电压偏移，且电阻易受温度影响，因此系统中需要提供温度补偿电路㊂电容感测主要通过表面微加工工艺实现，并将所施加的磁场转换为电输出信号㊂该技术具有很小的温度依赖性，并允许电子电路与磁传感器制作在同一芯片上㊂通常，电容感应的传感器在大气压下具有高的空气阻尼，为避免它的影响需要对器件进行真空封装才能提高其灵敏度㊂利用光学敏感技术制备的传感器由于具有抗电磁干扰的特性，因此系统中所需要电路比电容和压阻敏感技术的少，可在恶劣环境中工作，表面和体微加工工艺均适用于这种传感技术的优点㊂然而，这些感测技术都存在着由于焦耳效应而导致传感器结构发热的问题，这会产生热应力和谐振器的位移㊂为此，需要进一步对器件散热㊁谐振器机械可控性及真空封装研究，以确保获得更好的ＭＥＭＳ磁传感器性能㊂随着微纳米技术的发展㊁微机械制造技术的成熟，越来越多的传感器开始向着集成化㊁智能化和网络化方向发展，它们已成为工业生产实现智能制造的重要动力㊂其智能应用主要在如下几方面［３４］：（１）传感技术㊂构建传感器网络系统，保证对信息进行搜集㊁整合与传输，使工业生产过程得到更有效的控制㊂（２）数控生产㊂总主线模式通过在线诊断，实现对整体工业生产线的仪表控制㊂（３）自动生产和机械㊂利用自动化技术开展机械生产，可显著提高生产效率和质量㊂４㊀结束语本文综述了通过体加工和表面加工方法㊁利用压阻㊁电容和光学技术制备的基于洛伦兹力的ＭＥＭＳ磁传感器，并介绍了各种结构磁传感器的灵敏度㊁品质因子㊁噪声和探测极限等特性㊂随着纳米技术㊁集成化技术以及封装技术的不断发展，更多高性能㊁同时可监测多个物理量的智能传感器会不断出现㊂参考文献：［１］㊀ＪＯＧＳＣＨＩＥＳＬ，ＫＬＡＡＳＤ，ＫＲＵＰＰＥＲ，ｅｔａｌ．ＲｅｃｅｎｔＤｅｖｅｌ⁃ｏｐｍｅｎｔｓｏｆｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒｓｆｏｒｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａ⁃ｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ，２０１５，１５（１１）：２８６６５－２８６８９．［２］㊀ＨＥＲＲＥＲＡ⁃ＭＡＹＡＬ，ＡＧＵＩＬＥＲＡ⁃ＣＯＲＴÉＳＬＡ，ＧＡＲＣÍＡ⁃ＲＡＭÍＲＥＺＰＪ，ｅｔａｌ．ＲｅｓｏｎａｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｅｎｓｏｒｓｂａｓｅｄｏｎＭＥＭＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ，２００９，９（１０）：７７８５－７８１３．［３］㊀ＤＵＢＯＶＡ，ＫＯＬＯＫＯＬＮＩＫＯＶＳ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｍｏｒｙｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｄｅｆｅｃｔｓａｔｔｈｅｉｎｉ⁃ｔｉａｌｓｔａｇｅｏｆｔｈｅｉｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆｏｒｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｆａｉｌｕｒｅｓｏｆｐｏｗｅｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｗｅｌｄｅｄｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅｐａｒｔｓ［Ｊ］．ＷｅｌｄｉｎｇｉｎｔｈｅＷｏｒｌｄＬｅＳｏｕｄａｇｅＤａｎｓＬｅＭｏｎｄｅ，２０１４，５８（２）：２２５－２３６．［４］㊀ＡＤＯＬＰＨＩＮＬ，ＨＵＢＥＲＤＬ，ＢＲＹＡＮＨＣ，ｅｔａｌ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒ⁃ｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅ⁃ｃｏｒｅｍａｇｎｅｔｉｔｅｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｏｒｍａｇｎｅｔｉｃｉｍａｇｉｎｇｂｙＳＱＵＩＤ⁃ｒｅｌａｘｏｍｅｔｒｙ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓｉｎＭｅｄｉｃｉｎｅ＆Ｂｉｏｌｏｇｙ，２０１０，５５（１９）：５９８５－６００３．㊀㊀㊀㊀㊀第１１期张云琦等：基于洛伦兹力的ＭＥＭＳ磁传感器的研究进展５㊀㊀［５］㊀ＴＥＲＡＵＣＨＩＮ，ＮＯＧＵＣＨＩＳ，ＩＧＡＲＡＳＨＩＨ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕ⁃ｌａｔｉｏｎｏｆＤＣＳＱＵＩＤｔａｋｉｎｇＩｎｔｏａｃｃｏｕｎｔｑｕａｎｔｕｍｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ⁃ｔｉｃｏｆｊｏｓｅｐｈｓｏｎＪｕｎｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭａｇｎｅｔ⁃ｉｃｓ，２０１５，５１（３）：１－４．［６］㊀ＬＩＭ，ＲＯＵＦＶＴ，ＴＨＯＭＰＳＯＮＭＪ，ｅｔａｌ．Ｔｈｒｅｅ⁃ａｘｉｓｌｏｒｅｎｔｚ⁃ｆｏｒｃｅｍａｇｎｅｔｉｃｓｅｎｓｏｒｆｏｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｍｐａｓｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，２０１２，２１（４）：１００２－１０１０．［７］㊀ＭＡＨＡＭＡＤＡＢＡＤＩＫ，ＪＥＡＮＤＥＴＡ，ＨＩＬＬＩＯＮＭ，ｅｔａｌ．Ａｕ⁃ｔｏｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒｓｕｓｉｎｇｏｆｆｓｅｔｃｏｉｌｓ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓＪｏｕｒｎａｌＩＥＥＥ，２０１３，１３（２）：７７２－７７６．［８］㊀ＬＡＧＨＩＧ，ＤＥＬＬＥＡＳ，ＬＯＮＧＯＮＩＡ，ｅｔａｌ．ＴｏｒｓｉｏｎａｌＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｏｐｅｒａｔｅｄｏｆｆ⁃ｒｅｓｏｎａｎｃｅｆｏｒｉｎ⁃ｐｌａｎｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１５，２２９：２１８－２２６．［９］㊀ＢＡＧＨＥＲＩＮＩＡＭ，ＢＲＵＧＧＩＭ，ＣＯＲＩＧＬＩＡＮＯＡ，ｅｔａｌ．ＡｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｅａｒｔｈｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄＭＥＭＳｓｅｎｓｏｒ：Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｅｘｐｅｒ⁃ｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ，２０１５，２４：８８７－８９５．［１０］㊀ＨＥＲＲＥＲＡ⁃ＭＡＹＡＬ，ＳＯＬＥＲ⁃ＢＡＬＣＡＺＡＲＪＣ，ＶÁＺＱＵＥＺ⁃ＬＥＡＬＨ，ｅｔａｌ．ＲｅｃｅｎｔａｖａｎｃｅｓｏｆＭＥＭＳｒｅｓｏｎａ⁃ｔｏｒｓｆｏｒｌｏｒｅｎｔｚｆｏｒｅｃｅｂａｓｅｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｌｅｄｓｅｎｓｏｒｓ：ｄｅｓｉｇｎ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ，２０１６，１６（９）：１３５９．［１１］㊀ＭＡＲＡＵＳＫＡＳ，ＪＡＨＮＳＲ，ＫＩＲＣＨＨＯＦＣ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈｌｙｓｅｎｓｉｔｉｖｅｗａｆｅｒ⁃ｌｅｖｅｌｐａｃｋａｇｅｄＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆Ａｃｔｕａ⁃ｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１３，１８９（２）：３２１－３２７．［１２］㊀ＭＥＭＳＣＡＰＩｎｃ．ｈｔｔｐ：ʊｗｗｗ．ｍｅｍｓｃａｐ．ｃｏｍ．［１３］㊀ＣｏｖｅｎｔｏｒＩｎｃ．ｈｔｔｐ：ʊｗｗｗ．ｃｏｖｅｎｔｏｒ．ｃｏｍ．［１４］㊀ＩｎｔｅｌｌｉＳｅｎｓｅＩｎｃ．ｈｔｔｐ：ʊｉｎｔｅｌｌｉｓｅｎｓｅ．ｃｏｍ．［１５］㊀ｈｔｔｐ：ʊｗｗｗ．ｓａｎｄｉａ．ｇｏｖ／ｌｏｃａｔｉｏｎｓ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ．［１６］㊀ＭＩＡＮＭＵ，ＤＥＮＮＩＳＪＯ，ＫＨＩＲＭＨＭ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｏｕｔ⁃ｏｆ⁃ｐｌａｎｅＬｏｒｅｎｔｚｆｏｒｃｅａｃｔｕａｔｅｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＩＥＩＣＥＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，２０１７，１４（５）：２０１６１２５７－２０１６１２５７．［１７］㊀ＭＩＡＮＭＵ，ＤＥＮＮＩＳＪＯ，ＫＨＩＲＭＨＢＭ，ｅｔａｌ．ＯｐｔｉｃａｌａｎｄｃａｐａｃｉｔｉｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＩＣＥＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，２０１６，１３（１８）：１－７．［１８］㊀ＨＥＲＲＥＲＡ⁃ＭＡＹＡＬ，ＧＡＲＣÍＡ⁃ＲＡＭÍＲＥＺＰＪ，ＡＧＵＩＬ⁃ＥＲＡ⁃ＣＯＲＴÉＳＬＡ，ｅｔａｌ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒ⁃ｉｚａｔｉｏｎｏｆａｒｅｓｏｎａｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｌｉｎｅａｒｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１１，１６５（２）：３９９－４０９．［１９］㊀龙亮，钟少龙，徐静，等．微型光纤磁传感器的设计与制作［Ｊ］．光学精密工程，２０１３，２１（９）：２２９４－２３０２．［２０］㊀龙亮，钟少龙，吴亚明．基于电容检测ＭＥＭＳ磁传感器的设计与制作［Ｊ］．纳米技术与精密工程，２０１３，１１（３）：２２２－２３０．［２１］㊀ＫＵＭＡＲＶ，ＲＡＭＥＺＡＮＹＡ，ＭＡＨＤＡＶＩＭ，ｅｔａｌ．ＡｍｐｌｉｔｕｄｅｍｏｄｕｌａｔｅｄＬｏｒｅｎｔｚｆｏｒｃｅＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈｐｉｃｏｔｅｓｌａｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭｉｃｒｏｅｎｇｉ⁃ｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，２６（１０）：１０５０２１．［２２］㊀ＭＥＨＤＩＺＡＤＥＨＥ，ＫＵＭＡＲＶ，ＰＯＵＲＫＡＭＡＬＩＳ．Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉ⁃ｔｙｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｌｏｒｅｎｔｚｆｏｒｃｅＭＥＭＳｒｅｓｏｎａｎｔｍａｇｎｅｔｏｍ⁃ｅｔｅｒｓｖｉａｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｅｒｍａｌ⁃ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅＬｅｔｔｅｒｓ，２０１４，３５（２）：２６８－２７０．［２３］㊀ＨＥＲＲＥＲＡ⁃ＭＡＹＡＬ，ＬＡＲＡ⁃ＣＡＳＴＲＯＭ，Ｌ ＰＥＺ⁃ＨＵＥＲ⁃ＴＡＦ，ｅｔａｌ．ＡＭＥＭＳ⁃ｂａｓｅｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｓｉｍ⁃ｐｌｅｒｅｓｏｎａｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｌｉｎｅａｒｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｒｅｓｐｏｎｓｅ［Ｊ］．Ｍｉ⁃ｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，１４２：１２－２１．［２４］㊀ＬＡＮＧＦＥＬＤＥＲＧ，ＢＵＦＦＡＣ，ＦＲＡＮＧＩＡ，ｅｔａｌ．ＺＡｘｉｓｍａｇ⁃ｎｅｔｏｍｅｔｅｒｓｆｏｒＭＥＭＳｉｎｅｒｔｉａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｎｉｔｓｕｓｉｎｇａｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥ⁃ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１３，６０（９）：３９８３－３９９０．［２５］㊀ＬＩＭ，ＮＩＴＺＡＮＳ，ＨＯＲＳＬＥＹＤＡ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ⁃ｍｏｄｕｌａｔｅｄｌｏｒｅｎｔｚｆｏｒｃｅｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈＥｎｈａｎｃｅｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｖｉａｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅＬｅｔ⁃ｔｅｒｓ，２０１５，３６（１）：６２－６４．［２６］㊀ＡＤＩＴＩ，ＧＯＰＡＬＲ．ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＭＥＭＳｘｙｌｏｐｈｏｎｅｍａｇｎｅ⁃ｔｏｍｅｔｅｒｂｙａｎｏｄｉｃｂｏｎｄｉｎｇｔｅｎｉｑｕｅｕｓｉｎｇＳＯＩｗａｔｅｒ［Ｊ］．Ｍｉ⁃ｃｒｏｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，２０１７，２３（１）：８１－９０．［２７］㊀ＰＡＲＫＢ，ＬＩＭ，ＬＩＹＡＮＡＧＥＳ，ｅｔａｌ．ＬｏｒｅｎｔｚｆｏｒｃｅｂａｓｅｄｒｅｓｏｎａｎｔＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｉｃ⁃ｆｉｅｌｄｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｏｐｔｉｃａｌｒｅａｄｏｕｔ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１６，２４１：１２－１８．［２８］㊀ＬＡＲＡ⁃ＣＡＳＴＲＯＭ，ＨＥＲＲＥＲＡ⁃ＭＡＹＡＬ，ＪＵＡＲＥＺ⁃ＡＧＵ⁃ＩＲＲＥＲ，ｅｔａｌ．ＰｏｒｔａｂｌｅｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆａＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｅｎｓｏｒｆｏｒｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，２０１７，２３：２１５－２２３．［２９］㊀龙亮，钟少龙，吴亚明．基于永磁薄膜的ＭＥＭＳ磁传感器设计与制作［Ｊ］．传感器与微系统，２０１４，３３（５）：５９－６１．［３０］㊀ＨＥＲＲＥＲＡＭＡＹＡＬ，ＧＡＲＣÍＲＥＺＰＪ，ＡＧＵＩＬＥＲＥＣＯＲＴÉＳＬＡ，ｅｔａｌ．Ａｒｅｓｏｎａｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒａｔａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏ⁃ｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，１９（１）：０１５０１６．［３１］㊀ＺＨＡＮＧＷ，ＬＥＥＥＹ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ⁃ｂａｓｅｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｅｎｓ⁃ｉｎｇｕｓｉｎｇＬｏｒｅｎｔｚｆｏｒｃｅａｘｉａｌｓｔｒａｉｎｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｉｎａｄｏｕｂｌｅ⁃ｅｎｄｅｄｔｕｎｉｎｇｆｏｒｋ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１４，２１１（５）：１４５－１５２．［３２］㊀ＬＡＧＨＩＧ，ＤＥＬＬＥＡＳ，ＬＯＮＧＯＮＩＡ，ｅｔａｌ．ＴｏｒｓｉｏｎａｌＭＥＭＳｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｏｐｅｒａｔｅｄｏｆｆ⁃ｒｅｓｏｎａｎｃｅｆｏｒｉｎ⁃ｐｌａｎｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｄｅｔｅｃｔｏｎ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１５，２２９：２１８－２１６．（下转第２４页）㊀㊀㊀㊀㊀８２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＮｏｖ２０１７㊀图３㊀三维霍尔芯片图４㊀四通道电路简图心，是连接检测传感器和上位机的桥梁㊂为保证采集速度且尽可能减小控制模块尺寸，本文采用ＡｒｄｕｉｎｏＮ⁃ａｎｏＶ３．０开发平台实现检测信号的实时显示和数据分析，如图５所示㊂图５㊀ＡｒｄｕｉｎｏＮａｎｏＶ３．０开发平台ＡｒｄｕｉｎｏＮａｎｏＶ３．０是一款基于开放原始代码的超小ＳｉｍｐｌｅＩ／Ｏ平台，提供１４个数字输入端口ＴＸ㊁ＲＸ㊁Ｄ２ Ｄ１３，８个模拟输入端口Ａ０ Ａ７㊂按Ｉ２Ｃ协议，将图３所示电路板引出的数据总线ＳＤＡ与时钟总线ＳＣＬ串行，分别接入Ｉ２Ｃ模拟输入端Ａ４与Ａ５，使能端ＣＳ与ＶＣＣ接入电源端口，利用ＵＳＢ供给电路板３．３Ｖ直流电㊂开发板上的Ａｔｍｇａ型微处理器可通过模块化语言编程控制阵列式三维检测传感器工作，将磁场强度变化转换成微处理器可处理的数字信号，并与多路开关配合，实现多路漏磁信号同步采集㊂另一方面，该控制平台通过串口通信连接笔记本电脑，实现整个系统信号的采集与传输，其结构框图如图６所示㊂图６㊀系统信号传输模块结构框图２㊀系统软件编制仪器软件主要分３部分进行设计，分别为硬件驱动部分㊁应用程序部分㊁人机交互部分㊂其中硬件驱动部分运用Ｊａｖａ语言编写程序，包括三维霍尔芯片的初始化工作及仪器参数的初始化配置㊂具体采用Ｉ２Ｃ通讯协议，Ｊａｖａ语言编程控制硬件电路工作，实现芯片初始化㊁模数转换㊁各串口驱动等功能㊂同时对仪器各种参数，例如量程㊁采样频率㊁测量精度㊁报警阈值㊁仪器调零等进行初始化配置㊂应用程序部分运用Ｐｙｔｈｏｎ模块化语言编写，实现软件初始化调零㊁数字滤波㊁曲线拟合等功能，在软件层面对信号进行处理㊂人机交互部分将上述硬件驱动与应用程序结合，运用Ｐｙｔｈｏｎ语言定义整个主界面的图形和工具栏，后在主界面中嵌入各种模块和控制命令，如轴向㊁周向㊁径向磁场分量的实时变化曲线与磁场强度值的显示，设置波特率㊁采集频率㊁量程等按钮等，实现上位机软件的各种功能，方便使用者对仪器的操作和数据观察处理，系统软件程序框图如图７所示㊂图７㊀系统软件程序框图初始化系统软件后，首先根据用户需求设置系统参数，如采样频率㊁阈值㊁波特率㊁试件编号㊁量程等，点击 启动／停止 按钮，三维漏磁传感器开始数据采集及传输，上位机软件将检测结果绘制波形图，若某处信号超过设置阈值，则缺陷报警，检出缺陷，反之继续采集数据㊂再次点击 启动／停止 按钮后，检测传感器停止工作，上位机显示界面暂停信号显示，直至下一次 启动 命令㊂ 数据保存 按钮可将上位机软件接收的检测原始数据保存为Ｅｘｃｅｌ文件； 数据清零 按钮则将微型控制器Ａｒｄｕｉｎｏ中的缓存数据清除，以防多次检测数据保存混乱㊂上位机显示界面如图８所示，设计４个显示窗口分别对应四通道，每个窗口分。