基于MEMS磁传感器设计及制作（二）
Langfelder等制备了具有电容读出的MEMS磁场传感器，该传感器可检测与谐振结构表面垂直方向（z轴） 的磁场。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4。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。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。传感器在峰值驱动电流为250 μA时的总灵敏度为150 μV·μT^（-1）、理论噪声为557. 2 μV·Hz^（-1/2）、分辨率为520 nT·mA^（-1）·Hz^（-1/2）、品质因子约328、共振频率为28.3 kHz。
M. Li等设计了由弯曲梁谐振器（1200 μm x 680 μm x 40 μm）组成的磁场传感器。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6687
ppm·mA^（-1）·T^（-1）、品质因子为540、谐振频率为21.9 kHz （1 ppm = 10^（-6）） 。
Aditi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。该器件制作工艺具有以下优点：低温（≤400 ℃） 、可靠、可重复、少的光刻步骤及可控电极间距离的能力。获得传感器功耗为0.45 mW，分辨率为215 nT·Hz^（-1/2）。
B. 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，如图5所示。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。谐振器由涂覆有铝层（2500 μm x 2500 μm x 0.8 μm）的硅膜（3000 μm x 3000 μm x 12 μm）组成，膜由两根扭转弹簧（2100 μm x 100 μm x 12 μm）支撑，宽度为30 μm、厚度为0. 8 μm的铝线沉积在其上。施加的磁场与反向镜的位移有关，当线圈偏置电流为50 mA时，获得传感器的灵敏度为62 mV·μT^（-1）、共振频率为364 Hz、品质因子为116、53 mHz带宽的分辨率为0.4 nT、本底噪声为1.78 nT·Hz^（-1/2）。
图5 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，它配有能够谐磁场传感器的2个正弦信号发生器。磁场传感器由共振硅结构（600 μm x 700 μm x 5 μm） 、1个铝环（1 μm厚）和4个p型压敏电阻组成的惠斯登电桥构成。2个信号发生器的频率稳定度为±100 ppm，分辨率为1 Hz。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0.32 V/T和35 nT。
龙亮等采用MEMS磁扭摆和检测差分电容构成了MEMS磁传感器。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3.7 mm x 2.7 mm x 0.5 mm，制备的MEMS磁传感器具有良好的线性，灵敏度为27.7 fF/mT，最小可分辨磁场大小为36 nT。
3、展望
目前基于Lorentz力的MEMS谐振式磁传感器主要通过压阻、光学和电容感测技术来检测磁场。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。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。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。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。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。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。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。为此，需要进一步对器件散热、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。
随着微纳米技术的发展、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、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。其智能应用主要在如下几方面：
（1） 传感技术。构建传感器网络系统，保证对信息进行搜集、整合与传输，使工业生产过程得到更有效的控制。
（2） 数控生产。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。
（3） 自动生产和机械。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。
4、结束语
本文综述了通过体加工和表面加工方法、利用压阻、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、品质因子、噪声和探测极限等特性。随着纳米技术、集成化技术以及封装技术的不断发展，更多高性能、同时可监测多个物理量的智能传感器会不断出现。
