智能谐振式MEMS传感和执行一体化器件：高性能、多功能、宽范围
2025-10-16 14:39:06   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

从可穿戴健康监测到先进制造机器人和人体运动追踪等智能系统的普及，正推动多功能、小型化智能传感器和执行器技术的需求不断增长。智能单功能和多功能传感器/执行器、混合微纳器件的开发正在持续演进。现有报道的研究大多数都集中在单个器件的协作以实现双/多功能传感器和执行器。开发具有多功能的单片智能微器件仍然是当前研究面临的一项挑战。为了满足此类系统的需求，优异的灵敏度、低成本、低能耗、高输出位移、高集成能力、低交叉灵敏度和良好的线性度等关键性能指标至关重要。在此背景下，基于微机电系统（MEMS）的传感器和执行器，已成为智能化、多功能传感/驱动应用的理想解决方案。

基于MEMS技术的微型机械和电气元件经历了飞速发展，凭借其优异的性能特性，现已广泛集成到汽车电子、消费电子、工业控制和生物医疗等多个领域。其中，磁传感器已成为一个特别重要的细分领域，它们能够以前所未有的精度和灵敏度检测并测量磁场。MEMS磁传感器已广泛应用于多种新兴应用，包括汽车（例如车轮速度传感、电子助力转向）、消费电子（例如电子罗盘（指南针）、移动设备定位）、工业自动化（例如电流传感、位置检测）和生物医学应用（例如生物磁场检测）等。此外，在导航、生物磁学和考古学等应用中，弱磁场（fT～µT）检测已成为重点方向之一。

目前，霍尔效应传感器和磁阻传感器等固态传感器主导了磁传感市场。然而，以足够的精度检测极低磁场对这些传感器来说仍然是一项挑战。此外，大多数商用磁传感器基于非洛伦兹力原理，采用霍尔效应、各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）或隧道磁阻（TMR）等原理工作。这些器件需要依赖磁材料，带来了若干限制。此外，当前技术还面临着集成方面的挑战，与CMOS工艺的兼容性，对于创建紧凑型片上系统（SoC）至关重要，这方面仍然有待开发。

近年来，洛伦兹力磁传感器（LFM）有望成为解决此类问题的方案之一。它们固有的高灵敏度、宽频带和无需磁性材料的结构设计，使其能够检测微小的磁通密度，并且不会产生任何不希望的磁滞效应。此外，它们简单且可扩展的设计可以与其它MEMS器件集成，从而制造出微型化、轻量化且高分辨率的多功能器件。基于MEMS技术的洛伦兹力磁传感器利用洛伦兹力相互作用的原理工作，即载流导体在磁场中受到垂直于电流和磁场的力，可通过多种传感技术检测，例如电容测量和光学测量等。最近，有文献报道了基于MEMS的热式洛伦兹力磁传感器，具有nT级别的分辨率和~1 V/T的灵敏度。不过，尽管性能显著，其可调性有限和高功耗等挑战仍然存在。尽管如此，如果传感器能够针对特定应用检测磁场，同时在需要时又能最小化或消除与磁场的相互作用，那么它的多功能性有望得到增强。能够根据应用需求调节灵敏度和功耗是一项突出优势，有助于将无源传感器转变为智能传感器系统。

此外，将传感器和执行器集成到紧凑的多功能MEMS器件中，已成为下一代智能系统的关键目标，尤其对于需要动态可重构性、高灵敏度和低功耗的应用。传统MEMS磁传感器和执行器通常设计为分立组件，其中磁传感依赖于磁场敏感材料，而执行器的工作机制则要求不同的结构或材料。这种模块化设计，虽然有利于独立性能优化，但常常会引入封装复杂性、互连寄生效应，还增加了系统的占位面积。

据麦姆斯咨询介绍，在此背景下，卡利法大学机械与核工程学院的研究人员介绍了一种智能MEMS器件，它具有双向功能可调性，既可以作为基于洛伦兹力的磁传感器，也可以作为磁场不敏感的执行器运行。该器件展现了传感器-执行器集成（SAI）框架定义的智能特性。相关研究成果已经以“Smart resonant micro-sensor and micro-actuator: high-performance, wide range bi-axial magnetic sensitive/ insensitive micro-device for multifunctional sensing applications”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

本研究所提出的MEMS谐振器的工作原理和负载效应

在智能化方面，它通过电热和洛伦兹机制实现了多功能传感与执行的一体化。同时，无需结构修改或外部电路，它就能通过功率驱动实现执行器和传感器功能之间的模式切换，具备自适应和功能重构能力。这使其成为新兴的机械智能化微系统。

弯曲微梁的热诱导共振偏移和执行器工作

这种智能MEMS器件的关键使能技术是一种功率可调的电热驱动机制，该机制可以调节弯曲微梁的内部轴向应力。这种应力调控，当与施加磁场下的洛伦兹力相互作用时，会产生器件共振频率的动态偏移。通过选择性地驱动不同的热驱动路径，系统能够智能地在“高磁灵敏度模式”和“稳定机械位移模式”之间切换。这种切换不是通过结构改变，而是通过内部多物理场耦合实现。其谐振器的固有设计能够智能化、有针对性地激活执行器，从而在各种输入功率水平上实现宽泛的传感器选择性。

热调谐对MEMS谐振器性能和磁敏感性的影响

在其设计方案中，研究人员仔细考量并解决了磁传感（基于洛伦兹力和机械共振）与电热驱动之间潜在的工艺兼容性问题。该研究采用单芯片多功能设计，克服了多芯片异质集成中的相关问题。该设计具有一个单芯片夹持引导弯曲微梁，连接到一个直形微执行器和两个V形微执行器，便于应用双轴热轴向负载-洛伦兹力相互作用，实现更优的磁场传感。

结论

总结而言，本研究介绍了一种基于智能可调谐谐振器的高性能MEMS磁传感和执行一体化器件，与现有技术相比具有显著优势。该器件通过轴向诱导热应力和洛伦兹力的协同作用，调节弯曲微梁的共振频率。这种力的协同作用可调节微结构的刚度，导致谐振频率发生可测量的偏移。通过量化这种频率偏移，可以准确确定施加磁场的大小和方向。所提出的器件在宽泛的磁场强度内表现出良好的线性度，显著增强了其适用性。

本研究的关键创新在于智能可调性，通过独特的设计集成了多种驱动机制，这一特性使其可以根据驱动配置调整灵敏度曲线，为应对不同的传感和执行需求提供了灵活性。这种可定制化灵敏度和功耗的能力，使其区别于已有报道的现有器件。此外，该器件在常压下能有效工作，无需真空封装。这一优势简化了系统集成并降低了制造成本，使其适用于更广泛的应用。因此，这种智能MEMS传感和执行一体化器件代表了智能传感技术发展的重要突破，为下一代应用提供了一种兼具多功能和高效性的先进平台。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01041-y

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