एमईएमएस चुंबकीय क्षेत्र सेंसर

एमईएमएस चुंबकीय क्षेत्र सेंसर चुंबकीय क्षेत्र (मैग्नेटोमीटर) का पता लगाने और मापने के लिए एक छोटे मापदंड का माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रणाली (एमईएमएस) उपकरण होता है। इनमें से कई लोरेंत्ज़ बल के प्रभावों का पता लगाकर काम करते हैं: वोल्टेज या अनुनाद में परिवर्तन को इलेक्ट्रॉनिक रूप से मापा जा सकता है, या एक यांत्रिक विस्थापन को वैकल्पिक रूप से मापा जा सकता है। तापमान प्रभाव के लिए क्षतिपूर्ति आवश्यक होती है। लघु कम्पास के रूप में इसका उपयोग एक सरल उदाहरण अनुप्रयोग हो सकता है।

चुंबकीय क्षेत्र संवेदन
मैग्नेटोमीटर को चार सामान्य प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है यह मापे गए क्षेत्र के परिमाण पर निर्भर करता है। यदि लक्षित बी-क्षेत्र पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र (अधिकतम मान लगभग 60 μT) से बड़ा होता है, तो सेंसर को बहुत संवेदनशील होने की आवश्यकता नहीं होती है। भू-चुंबकीय ध्वनि (लगभग 0.1 nT) से बड़े पृथ्वी क्षेत्र को मापने के लिए उच्चतर सेंसर की आवश्यकता होती है। चुंबकीय विसंगति डिटेक्टर के अनुप्रयोग के लिए, उच्चतर स्थानिक रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने के लिए स्थानिक-सहसंबद्ध ध्वनि को रद्द करने के लिए विभिन्न स्थानों पर सेंसर का उपयोग करना पड़ता है। भू-चुंबकीय ध्वनि के नीचे के क्षेत्र को मापने के लिए, अधिक संवेदनशील चुंबकीय क्षेत्र सेंसर को नियोजित गाकरना हो। ये सेंसर मुख्य रूप से एमआरआई और अणु टैगिंग जैसे चिकित्सा और बायोमेडिकल अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं।

चुंबकीय सेंसिंग के लिए कई दृष्टिकोण होते हैं, जिनमें हॉल प्रभाव सेंसर, मैग्नेटो-डायोड, मैग्नेटो-ट्रांजिस्टर, चुम्बकत्व प्रतिरोध मैग्नेटोमीटर, विशाल चुंबकत्व मैग्नेटोमीटर, चुंबकीय सुरंग जंक्शन मैग्नेटोमीटर, मैग्नेटो-ऑप्टिकल सेंसर, लोरेंत्ज़ बल आधारित माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम सेंसर, इलेक्ट्रॉन टनलिंग आधारित एमईएमएस सेंसर, एमईएमएस कंपास, न्यूक्लियर प्रीसेशन मैग्नेटिक फील्ड सेंसर, ऑप्टिकली पंप मैग्नेटिक फील्ड सेंसर, फ्लक्सगेट मैग्नेटोमीटर, खोज कुंडल मैग्नेटिक फील्ड सेंसर और स्क्विड मैग्नेटोमीटर सम्मिलित होते हैं।

एमईएमएस चुंबकीय सेंसर की योग्यता के आंकड़े
एमईएमएस चुंबकीय सेंसर के कई पैरामीटर होते हैं: गुणवत्ता कारक (Q), अनुनाद आवृत्ति, मोड आकार, प्रतिक्रिया और संकल्प इसके उदहारण है।

गुणवत्ता कारक इस बात का माप है कि अनुनादक के कंपन के समय कितनी ऊर्जा बनाए रखी जा सकती है। ऐसे कई कारक हो सकते हैं जो रेज़ोनेटर को गीला कर सकते हैं, जैसे कि रेज़ोनेटर की यांत्रिक नमी या बाहरी दबाव और तापमान में नमी होती है।

अनुनाद आवृत्ति वह आवृत्ति होती है जिस पर उपकरण उच्चतम आयाम (या सबसे लंबे समय तक, बजती घंटी या ट्यूनिंग कांटा के रूप में) के साथ कंपन करता है। अनुनाद आवृत्ति उपकरण की ज्यामिति द्वारा नियंत्रित होती है। जब हम उपकरण के आयाम, उपकरण के समतुल्य यंग मापांक और उपकरण के समतुल्य घनत्व को जानते हैं तो हम अनुनाद आवृत्ति की गणना कर सकते हैं।

मोड आकार अनुनादक के कंपन का प्रारूप होता है।

उत्तरदायित्व (जो संकल्प में योगदान देता है) दोलन के आकार का वर्णन करता है जिसे हम समान बाहरी स्थिति वाले उपकरणों से प्राप्त कर सकते हैं। यदि हम एक ही धारा और B क्षेत्र को कई अनुनादकों पर प्रयुक्त करते हैं, तो बड़े कंपन आयाम दिखाने वाले उपकरणों को उच्च प्रतिक्रियाशीलता कहा जाता है। अन्य सभी चीजें समान होने पर, एक उच्च प्रतिक्रियाशील उपकरण अधिक संवेदनशील होता है। पीज़ोइलेक्ट्रिक रेज़ोनेटर पर आधारित मैग्नेटोमीटर की सीमा mV/T (मिलीवोल्ट/टेस्ला) होती है, इसलिए उच्च प्रतिक्रिया सामान्यतः पर उच्चतर होती है।

रिज़ॉल्यूशन से तात्पर्य सबसे छोटे चुंबकीय क्षेत्र से होता है जिसे कोई उपकरण माप सकता है। संख्या जितनी छोटी होगी, उपकरण उतना ही अधिक संवेदनशील होगा। पीजोइलेक्ट्रिक रेज़ोनेटर पर आधारित मैग्नेटोमीटर की कुछ रेंज nT (नैनोटेस्ला) होती है।

एमईएमएस-आधारित सेंसर के लाभ
एमईएमएस-आधारित चुंबकीय क्षेत्र सेंसर छोटा होता है, इसलिए इसे माप स्थान के समीप स्थापित किया जा सकता है और इस तरह अन्य चुंबकीय क्षेत्र सेंसर की तुलना में उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन प्राप्त किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, एमईएमएस चुंबकीय क्षेत्र सेंसर के निर्माण के लिए चुंबकीय सामग्री के सूक्ष्म निर्माण की आवश्यकता नहीं होती है। इसलिए, सेंसर की लागत को अत्यधिक कम किया जा सकता है। एमईएमएस सेंसर और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स का एकीकरण पूरे चुंबकीय क्षेत्र संवेदन प्रणाली के आकार को और कम कर सकता है।

लोरेंत्ज़-बल-आधारित एमईएमएस सेंसर
इस प्रकार का सेंसर चुंबकीय क्षेत्र में धारा ले जाने वाले कंडक्टर पर काम करने वाले लोरेंत्ज़ बल के कारण एमईएमएस संरचना की यांत्रिक गति पर निर्भर करता है। सूक्ष्म संरचना की यांत्रिक गति को इलेक्ट्रॉनिक या ऑप्टिकल रूप से अनुभव किया जाता है। अधिकतम आउटपुट संकेत प्राप्त करने के लिए यांत्रिक संरचना को अधिकांशतः इसके अनुनाद पर संचालित किया जाता है। इलेक्ट्रॉनिक पहचान में पीजोरेसिस्टिव और इलेक्ट्रोस्टैटिक ट्रांसड्यूसर विधियों का उपयोग किया जा सकता है। लेजर स्रोत या एलईडी स्रोत के साथ विस्थापन माप का उपयोग ऑप्टिकल डिटेक्टर में भी किया जा सकता है। सेंसर के लिए अलग-अलग आउटपुट के संदर्भ में निम्नलिखित उपखंडों में कई सेंसरों पर चर्चा की जाएगी।

वोल्टेज सेंसिंग
बेरौले एट अल. ने एक सिलिकॉन सब्सट्रेट पर यू-आकार का कन्टीलीवर बीम निर्मित किया था। समर्थन सिरों पर दो पीजो-प्रतिरोधक रखे गए हैं। यू-आकार बीम के साथ एक 80-टर्न अल कुंडल प्रवाहित होता है। व्हीटस्टोन पुल दो सक्रिय प्रतिरोधकों को अन्य दो निष्क्रिय प्रतिरोधकों के साथ जोड़कर निर्मित किया जाता है, जो तनाव से मुक्त होते हैं। जब धारा ले जाने वाले कंडक्टर पर एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है, तो यू-आकार की किरण की गति दो सक्रिय पीजो-प्रतिरोधकों में तनाव उत्पन्न करती है और इस तरह व्हीटस्टोन ब्रिज पर एक आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करती है जो चुंबकीय क्षेत्र प्रवाह घनत्व के लिए आनुपातिक होता है। इस सेंसर के लिए रिपोर्ट की गई संवेदनशीलता 2 μT रिज़ॉल्यूशन के साथ 530 m Vrms/T होती है। ध्यान दें कि संवेदनशीलता को अधिकतम करने के लिए एक्साइटिंग धारा की आवृत्ति यू-आकार किरण की गुंजयमान आवृत्ति के सामान्तर निर्धारित की जाती है।

हेरेरा-मे एट अल. समान पीजोरेसिस्टिव रीड-आउट दृष्टिकोण के साथ परन्तु विभिन्न यांत्रिक गति के साथ एक सेंसर का निर्माण किया जाता है। उनका सेंसर सिलिकॉन सब्सट्रेट से निर्मित माइक्रो-प्लेट की टॉर्सनल गति पर निर्भर करता है। उत्तेजित धारा लूप में एल्यूमीनियम कॉइल के 8 मोड़ होते हैं। धारा लूप का स्थान उपरोक्त यू-आकार ब्रैकट बीम की तुलना में अधिक समान लोरेंत्ज़ बल वितरण को सक्षम बनाता है। रिपोर्ट की गई संवेदनशीलता 143 nT रिज़ॉल्यूशन के साथ 403 mVrms/T होता है।

कादर एट अल. ने यांत्रिक संरचना के रूप में माइक्रो-टोरसन बीम को भी चयन किया जाता है। उनकी पढ़ने की विधि भिन्न होती है। पीज़ोरेसिस्टिव ट्रांसडक्शन का उपयोग करने के अतिरिक्त, उनका सेंसर इलेक्ट्रोस्टैटिक ट्रांसडक्शन पर निर्भर करता है। उन्होंने माइक्रो-प्लेट और एक अन्य बाहरी ग्लास वेफर की सतह पर कई इलेक्ट्रोड का प्रारूप तैयार किया जाता है। फिर एक परिवर्तनीय संधारित्र सरणी बनाने के लिए ग्लास वेफर को सिलिकॉन सब्सट्रेट के साथ जोड़ा जाता है। बाहरी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा उत्पन्न लोरेंत्ज़ बल के परिणामस्वरूप संधारित्र सरणी में परिवर्तन होता है। रिपोर्ट की गई संवेदनशीलता कुछ mT के रिज़ॉल्यूशन के साथ 500 Vrms/T है। वैक्यूम संचालन के साथ रिज़ॉल्यूशन 1 nT तक पहुंच सकता है।

एमेरिच एट अल.कंघी-आकृति संरचना के साथ एकल सिलिकॉन सब्सट्रेट पर परिवर्तनीय संधारित्र सरणी का निर्माण किया जाता है। रिपोर्ट की गई संवेदनशीलता 1mbar के दबाव स्तर पर 200 एनटी रिज़ॉल्यूशन के साथ 820 Vrms/T होती है।

फ़्रीक्वेंसी शिफ्ट सेंसिंग
एक अन्य प्रकार का लोरेंत्ज़ बल आधारित एमईएमएस चुंबकीय क्षेत्र सेंसर कुछ यांत्रिक संरचनाओं पर प्रयुक्त होने वाले लोरेंत्ज़ बल के कारण यांत्रिक अनुनाद के बदलाव का उपयोग करता है।

सुनीयर एट अल. एक घुमावदार अवलंब जोड़कर उपरोक्त यू-आकार कैंटिलीवर बीम की संरचना को बदलें। पीज़ोरेसिस्टिव सेंसिंग ब्रिज दो हीटिंग सक्रियण प्रतिरोधक के मध्य स्थापित किया जाता है। संरचना की गुंजयमान आवृत्ति निर्धारित करने के लिए सेंसिंग ब्रिज के आउटपुट वोल्टेज की आवृत्ति प्रतिक्रिया को मापा जाता है। ध्यान दें कि इस सेंसर में, एल्युमीनियम कॉइल से प्रवाहित होने वाली धारा डीसी होती है। यांत्रिक संरचना वास्तव में इसकी अनुनाद पर हीटिंग अवरोधक द्वारा संचालित होती है। यू-आकार के बीम पर लगाने वाला लोरेंत्ज़ बल बीम की गुंजयमान आवृत्ति को बदल देगा और इस तरह आउटपुट वोल्टेज की आवृत्ति प्रतिक्रिया को बदल देगा। रिपोर्ट की गई संवेदनशीलता 1 μT के रिज़ॉल्यूशन के साथ 60 kHz/T होती है।

बहरेनी एट अल. सिलिकॉन सब्सट्रेट के शीर्ष पर एक कोंब आकृति संरचना का निर्माण किया जाता है। केंद्रीय शटल दो क्लैम्प्ड-क्लैम्प्ड कंडक्टरों से जुड़े होते हैं जिनका उपयोग बाहरी चुंबकीय क्षेत्र प्रयुक्त होने पर चलती संरचना के आंतरिक तनाव को परिवर्तित के लिए किया जाता है। यह कंघी उंगली संरचना की गुंजयमान आवृत्ति में परिवर्तन को प्रेरित करता है। यह सेंसर आउटपुट संकेत को मापने के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक ट्रांसडक्शन का उपयोग करता है। निर्वात वातावरण में उच्च यांत्रिक गुणवत्ता कारक (क्यू = 15000 @ 2 पा) संरचना के कारण रिपोर्ट की गई संवेदनशीलता 69.6 हर्ट्ज/टी तक सुधरी है। रिपोर्ट किया गया रिज़ॉल्यूशन 217 nT होता है।

ऑप्टिकल सेंसिंग
ऑप्टिकल सेंसिंग बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को अन्वेषण के लिए एमईएमएस संरचना के यांत्रिक विस्थापन को सीधे मापने के लिए होता है।

ज़ानेटी एट अल. ने एक जाइलोफोन बीम का निर्माण किया था। केंद्र कंडक्टर और जाइलोफोन बीम मारा के माध्यम से बहने वाली धारा लोरेंत्ज़ बल प्रेरित होने पर विक्षेपित हो जाती है। प्रत्यक्ष यांत्रिक विस्थापन को बाहरी लेजर स्रोत और एक डिटेक्टर द्वारा मापा जाता है। 1 nT के रिज़ॉल्यूशन तक पहुंचा जा सकता है। विकेंडेन इस प्रकार के उपकरण के पदचिह्न को 100 गुना तक कम करने का प्रयास किया था। परन्तु 150 μT का बहुत कम रिज़ॉल्यूशन मापा गया था।

केपलिंगर एट अल. बाहरी लेजर स्रोत का उपयोग करने के अतिरिक्त ऑप्टिकल सेंसिंग के लिए एक एलईडी स्रोत का उपयोग करने का प्रयास कर रहे थे। विस्थापन संवेदन के लिए विभिन्न व्यवस्थाओं के साथ ऑप्टिकल फाइबर को सिलिकॉन सब्सट्रेट पर संरेखित किया गया था। एक संकल्प 10 mT बताया गया है।

जॉन ओजुर डेनिस, फारूक अहमद, एम. हारिस बिन मोहम्मद खिर और नोर हिशाम बिन हामिद निर्मित सीएमओएस-एमईएमएस सेंसर में एक शटल होता है जिसे पार्श्व दिशा (अनुनाद का पहला मोड) में गूंजने के लिए डिज़ाइन किया जाता है। बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में, लोरेंत्ज़ बल शटल को पार्श्व दिशा में सक्रिय करता है और प्रतिध्वनि के आयाम को एक ऑप्टिकल विधि का उपयोग करके मापा जाता है। प्रतिध्वनि शटल के आयाम में अंतर परिवर्तन बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की उर्जा को प्रदर्शित करता है। सेंसर की संवेदनशीलता स्थिर मोड में 0.034 μm/mT निर्धारित की जाती है जब 10 mA की धारा शटल से निकलती है, जबकि यह 8 mA धारा पर 1.35 μm/mT के मान के साथ अनुनाद पर अधिक पाई जाती है। अंत में, सेंसर का रिज़ॉल्यूशन 370.37 μT पाया जाता है।

तापमान प्रभाव
जब तापमान बढ़ता है, तो चलती संरचना को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री का यंग मापांक कम हो जाता है, या अधिक सरलता से, चलती संरचना नरम हो जाती है। इस बीच, तापीय विस्तार और तापीय चालकता में वृद्धि होती है, जिससे तापमान चलती संरचना में आंतरिक तनाव उत्पन्न करता है। इन प्रभावों के परिणामस्वरूप चलती संरचना की गुंजयमान आवृत्ति में बदलाव हो सकता है जो गुंजयमान आवृत्ति शिफ्ट सेंसिंग या वोल्टेज सेंसिंग के लिए ध्वनि के समान होती है। इसके अतिरिक्त, तापमान वृद्धि से बड़ा जॉनसन-नाइक्विस्ट ध्वनि उत्पन्न होता है (पीज़ोरेसिस्टिव ट्रांसडक्शन को प्रभावित करेगा) और यांत्रिक उतार-चढ़ाव ध्वनि में वृद्धि होती है (जो ऑप्टिकल सेंसिंग को प्रभावित करता है)। इसलिए, तापमान प्रभाव क्षतिपूर्ति के लिए उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग तापमान परिवर्तन के रूप में संवेदनशीलता बनाए रखने के लिए किया जाता है।

विद्युत प्रवाहकीय सामग्री के दोषों का पता लगाएं
पीज़ोइलेक्ट्रिक रेज़ोनेटर पर आधारित मैग्नेटोमीटर का उपयोग सुरक्षा-महत्वपूर्ण धातु संरचनाओं, जैसे हवाई जहाज प्रोपेलर, इंजन, धड़ और पंख संरचनाओं, या उच्च दबाव वाले तेल या गैस पाइपलाइनों में दोषों काअन्वेषण के लिए किया जा सकता है। जब एक चुंबक (सामान्यतः पर एक अलग-अलग आवृत्ति क्षेत्र बनाने वाला विद्युत चुंबक) सामग्री में एड़ी धाराएं बनाता है, तो एड़ी धाराएं सामग्री में एक और चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती हैं जिसे मैग्नेटोमीटर द्वारा देखा जा सकता है। यदि पाइपलाइन में कोई दोष या दरार नहीं होती है, तो एड़ी धारा से चुंबकीय क्षेत्र एक निरंतर प्रतिरूप दिखाता है क्योंकि यह परीक्षण की जा रही सामग्री के साथ चलता है। परन्तु सामग्री में एक दरार या गड्ढा भंवर धारा को बाधित करता है, इसलिए चुंबकीय क्षेत्र परवर्तित होता जाता है, जिससे एक संवेदनशील मैग्नेटोमीटर को दोष को समझने और स्थानीयकृत करने की अनुमति मिलती है।

वक्ष गुहा के अंगों के स्वास्थ्य की जांच करना
जब हम सांस लेते हैं, तो हमारी वक्ष गुहा की नसें और मांसपेशियां एक अशक्त चुंबकीय क्षेत्र निर्मित करती हैं। पीज़ोइलेक्ट्रिक रेज़ोनेटर पर आधारित मैग्नेटोमीटर में उच्च रिज़ॉल्यूशन (एनटी की सीमा में) होता है, जो हमारे श्वसन तंत्र की ठोस-अवस्था को समझने की अनुमति देता है।

संदर्भ
Dennis, John Ojur, et al. "Optical characterization of Lorentz force based CMOS-MEMS magnetic field sensor." Sensors 15.8 (2015): 18256-18269.