ES2303491A1 - Detector de campo magnetico, mecanico y miniaturizable y su funcionamiento. - Google Patents
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Abstract
Detector de campo magnético, mecánico y miniaturizable y su funcionamiento. Dispositivo miniaturizable para la detección y medida de campo magnético. Su funcionamiento se basa en la fuerza que ejerce un gradiente de campo fijo sobre un material magnético imanado por el campo a medir. El material magnético forma parte de una estructura mecánica de modo que la medida de la flexión de la estructura permite la determinación de la intensidad de campo magnético aplicado. Este dispositivo puede trabajar de forma estática o en resonancia mecánica y es de fácil fabricación con las tecnologías empleadas, de forma estándar, en la realización de MEMS (sensores mecánicos miniaturizados). Existen diversos tipos de magnetómetros mecánicos miniaturizables, pero éste está constituido de material magnético, lo que permite obtener un gran momento magnético, y con ello una mayor sensibilidad, y que hace innecesaria la refrigeración del sistema a temperaturas criogénicas.
Description
Detector de campo magnético, mecánico y
miniaturizable y su funcionamiento.
El dispositivo es un detector de campo magnético
aplicable en dispositivos en los que se requiere una medida del
campo magnético y en los que las dimensiones es un factor critico.
Éste es un caso habitual en aplicaciones en las que los detectores
deben ser introducidos en dispositivos móviles con restricciones de
espacio: aplicaciones militares, aeronáuticas, navales, etc.
Existe una gran variedad de detectores de campo
magnético. En muchas aplicaciones, donde las dimensiones son
criticas, se requiere además un mínimo de sensibilidad. Un problema
en la actualidad es la obtención de sensores magnéticos
miniaturizados capaces de medir campos magnéticos del orden de 1
nT.
Las sondas Hall, por ejemplo, tienen dimensiones
reducidas pero son apropiadas para campos magnéticos relativamente
intensos. Los fluxgates, en cambio, se emplean para la
detección de campos de baja intensidad, como por ejemplo en
satélites, pero no es posible la reducción de su tamaño por debajo
del centímetro.
Existen otros sensores de dimensiones reducidas
llamados SQUID que emplean materiales superconductores. Este
hecho exige el uso de temperaturas criogénicas lo que encarece su
uso e impide su utilización en la mayor parte de las
aplicaciones.
En los últimos años, con el desarrollo de la
microtecnología, se ha abierto el camino a la realización de
sensores mecánicos miniaturizados (MEMS) de alta sensibilidad
y reducido coste de fabricación. Utilizando esta tecnología se han
realizado diversos detectores de campo magnético y sistemas
magnetométricos mecánicos basados en fuerzas de torsión o flexión
provocadas por el campo a medir. Estas fuerzas tienen origen
diverso: fuerza de Lorentz, orientación en el campo magnético de
material magnético duro, magnetostricción, etc.
Empleando las tecnologías asociadas a los
MEMS, también se han desarrollado nuevas técnicas
magnetométricas con el objetivo de estudiar diversas propiedades
magnéticas en materiales: efecto Haas-van Alphen,
anisotropía magnetocristalina, etc. Es el caso de la magnetometría
de torque o fuerza, descrita por J.S. Brooks, M.J. Naughton Y.P. Ma,
P.M. Chaikin and R.V. Chamberlin. (1987) y por M.J. Naughton, H.P.
Ulmet, A. Narjis, S, Askenazy, M.V. Chaparala, A.P. Hope. (1997),
también llamada en ocasiones magnetometría de lengüeta. En ella se
fija un gradiente de campo conocido y se estudia la imanación de la
muestra, en forma de lengüeta, bajo la aplicación de campos de alta
intensidad y a temperaturas criogénicas.
Esta invención describe un dispositivo
miniaturizable para la detección y medida de campo magnético. Su
funcionamiento se basa en la fuerza que ejerce un gradiente de
campo fijo sobre un material magnético imanado por el campo a
medir.
El material magnético forma una estructura
mecánica de modo que la medida de su flexión permite la
determinación de la intensidad del campo magnético aplicado y que
puede trabajar de forma estática o en resonancia mecánica.
Es un dispositivo de fácil fabricación con las
tecnologías empleadas, de forma estándar, en la realización de
MEMS (sensores magnéticos miniaturizados).
Existen diversos tipos de magnetómetros
mecánicos miniaturizables, pero éste está constituido de material
magnético, lo que permite obtener un gran momento magnético, y con
ello una mayor sensibilidad, y que hace innecesaria la refrigeración
del sistema a temperaturas criogénicas.
Además de la mejora en la reducción de
dimensiones, los sistemas MEMS son muy baratos de fabricar
dada su compatibilidad con las tecnologías de fabricación de
componentes electrónicos. A ello hay que añadir que son fáciles de
producir en cadena. Por ello su aplicación no se reduce simplemente
a sistemas con limitación de espacio.
El detector desarrollado emplea la flexión de
una estructura mecánica debido a la imanación de un material
integrado en la estructura en presencia de un gradiente de campo
magnético fijo. A diferencia de las técnicas magnetométricas de
torque o fuerza, en el detector de campo magnético se mide el campo
que provoca la imanación del material y no las propiedades de este
último.
Además, el detector de campo magnético que se
presenta debe estar formado por material ferromagnético blando o
superparamagnético y no requiere de temperaturas criogénicas. La
ventaja principal respecto de otros magnetómetros mecánicos, como
los anteriormente mencionados, se encuentra en la facilidad de
crear grandes gradientes de campo magnético, por lo que es fácil
realizar detectores muy sensibles.
El detector está formado por una estructura (1),
lengüeta o puente, de material ferromagnético blando o
superparamagnético y un gradiente vertical, de campo horizontal
transversal a la lengüeta, permanente; que está sobre un soporte
(2), y anclada en los puntos de anclaje de la estructura magnética
al soporte (3). En la lengüeta uno de los extremos está en
voladizo.
Tanto la lengüeta como el puente son estructuras
mecánicas muy utilizadas en la fabricación de MEMS. La
lengüeta es una tira de material anclada por uno de sus extremos al
soporte. El puente es una tira de material con cuatro puntos de
anclaje, que pueden ser torsionados, distribuidos de forma
simétrica respecto de los ejes de simetría de la lengüeta
longitudinal y transversal.
Cuando la estructura se imana, debido a la
presencia del campo magnético transversal a la estructura, se
ejerce una fuerza magnética (F_{z}) que provoca su pandeo hasta
que las fuerzas elásticas equilibran las magnéticas:
F_{z} = -
\mu_{0} m \frac{\partial H_{t}}{\partial
z}
En esta expresión llamamos, (\mu_{0}) a la
permeabilidad del vacío, (z) a la dirección perpendicular a la
estructura en la que ésta se puede flexionar, (m) al momento dipolar
magnético del material imanado y H_{t} al campo transversal a la
lengüeta que se fija y cuyo gradiente en la dirección (z) debe ser
lo mayor posible. Si en la posición de la lengüeta el campo H_{t}
es nulo, no así su gradiente, se satisface:
m = MV =
\chi_{m}
VH
En esta fórmula, (V) es el volumen de material
magnético y (\chi_{m}) su susceptibilidad magnética.
La medida de la flexión del material magnético
producida por la fuerza (F_{m}) permite la medida del campo
magnético aplicado transversalmente a la lengüeta (H). Una medida
de la flexión de la estructura mecánica proporciona la medida del
campo magnético debido a que la flexión y la intensidad del campo
están correlacionadas.
Para aumentar la sensibilidad se puede hacer
resonar la estructura mecánica del detector. De esta forma, la
estructura resuena mecánicamente y la medida de la amplitud de la
oscilación proporciona una medida del campo.
Una posibilidad es hacerlo resonar mecánicamente
gracias a la aplicación de un campo magnético alterno longitudinal
con igual frecuencia que la de la resonancia mecánica de la
estructura.
Otra posibilidad es hacerlo resonar
mecánicamente mediante la aplicación de un campo magnético alterno
transversal de muy poca intensidad, menor que la del campo que se
quiere medir, y con igual frecuencia que la de resonancia mecánica
de la estructura.
En ambos casos, a pesar de que el campo a
detectar sea constante, la imanación transversal de la lengüeta es
variable. La fuerza magnética varía de forma que la lengüeta, o
puente, oscila mecánicamente a su frecuencia de resonancia. La
lengüeta tiene que tener la suficiente rigidez como para oscilar con
una frecuencia de resonancia bien definida.
En caso de que se aplique un campo magnético
variable, el bobinado que origina el campo se puede integrar en la
propia estructura mecánica. El uso de bobinados para crear campos
magnéticos en el detector no afecta a sus posibilidades de
miniaturización. Para ello integrar el bobinado hay que definir
pistas paralelas de material conductor en ambas superficies de la
estructura. La terminación de cada pista de una de las caras se une
con el principio de una pista de las pistas de la cara opuesta, de
forma que al aplicar una diferencia de potencial entre el extremo
inicial de la primera pista y el extremo final de la última, se
establezca una corriente que pase por todas las pistas
conductoras.
Además de para hacer resonar la estructura, se
puede integra un bobinado, de la forma descrita, para crear un
campo magnético constante transversal de puesta a cero del sensor.
Esto es útil dada la dificultad de situar la estructura magnética
exactamente en el punto de campo magnético cero.
La sensibilidad es mayor cuanto mayor sea la
permeabilidad magnética del material magnético y mayor sea el
gradiente de campo magnético empleados. En el caso resonante, la
magnetostricción del material magnético puede limitar la
sensibilidad del detector.
Fig. 1: Esquema de las estructuras mecánicas que
pueden ser empleadas en la realización del detector magnético: A)
lengüetas, y B) puentes.
Fig. 2: Ejemplo de detector realizado con una
lengüeta de material magnético blando y dos imanes permanentes (4)
y (5).
El detector anterior en sus diferentes versiones
se puede realizar mediante tecnologías planares convencionales y
las tecnologías usuales en la fabricación de dispositivos
micro-electro-mecánicos
(MEMS).
La estructura mecánica con material magnético
blando se puede realizar mediante las tecnologías estándar
empleadas en la fabricación de MEMS. Los diversos materiales
se depositan sobre silicio mediante técnicas de vacío como ablación
catódica, evaporación, etc. Para definir las formas adecuadas de
las estructuras se usan técnicas litográficas. Para eliminar
material se puede usar diversas técnicas como RIE, ataques
químicos, etc.
El material magnético se puede depositar
mediante sputtering. Se puede emplear permalloy por
ser muy blando magnéticamente y de magnetostricción muy pequeña.
Para controlar las constantes elásticas de la estructura, y con ello
la frecuencia de resonancia, se puede crecer sobre el material
magnético, o debajo de él, una capa de otro material no
magnético.
Para dejar la lengüeta de material magnético en
voladizo, se puede atacar químicamente el silicio del substrato
mediante ataques químicos anisotrópicos. Esto no es problemático
debido a que los materiales magnéticos amorfos, por lo general, son
muy resistentes a los ataques químicos. Las dimensiones de la
lengüeta pueden ser, por ejemplo: longitud 100 \mum, ancho 20
\mum y el 200 nm de espesor del material magnético.
El gradiente de campo magnético fijo se puede
generar de diversas formas. Hay que tener en cuenta que se requiere
un gradiente de campo pero evitando crear un campo que sature
magnéticamente la muestra, lo que harta inservible el dispositivo.
Se pueden emplear imanes permanentes. Puede trabajar tanto en
resonancia mecánica como fuera de ella.
El gradiente de campo magnético se consigue
mediante dos imanes permanentes, a los lados de la estructura
magnética, de forma que se pueden tener zonas con un gran gradiente
de campo pero puntualmente campo magnético nulo. En esta caso, de
imanación vertical, dirección (z), pero con sentido de la imanación
invertido. Esta distribución de los imanes genera un campo (H) con
un gran gradiente vertical (z) pero de intensidad nula en la
posición de la lengüeta.
Los imanes permanentes se pueden realizar
mediante la deposición de material magnético duro. La mejor opción
es seguir usando la técnica de sputtering y, como material
magnético duro, hacer uso de Samario-Cobalto o
Neodimio-Hierro-Boro.
Otra posibilidad es utilizar un único imán
permanente evitando la imanación mediante un campo magnético
adicional. Para generar el campo se puede integrar un bobinado en
la estructura mecánica con el objeto de desimanar transversalmente
el material mediante el paso de una intensidad de corriente
adecuada.
Para detectar la flexión de la lengüeta se puede
emplear cualquiera de las técnicas habitualmente empleadas en este
tipo de estructuras: ópticamente iluminando con un láser,
capacitivamente, mediante galgas extensiométricas, etc.
Se ha realizado un prototipo a gran escala (cm)
mediante el uso de cintas de permalloy en forma de lengüeta.
Se han empleado dos imanes permanentes de ferrita según la
distribución mostrada en la Fig. 2.
Las medidas estáticas realizadas han sido
medidas mediante la iluminación del extremo móvil de la lengüeta
con un láser pulsado y su detección con un amplificador
lock-in. A pesar de ser prototipos excesivamente
grandes se alcanzaron, a temperatura ambiente, una sensibilidad de
10 V/T y un campo mínimo detectable de 40 nT. La respuesta del
detector al campo magnético aplicado es lineal.
Detección de campos magnéticos en sistemas donde
se requieren dispositivos miniaturizados y/o de bajo coste. La
restricción de espacio es habitual encontrarla en dispositivos
móviles como, por ejemplo, en los satélites.
Claims (9)
1. Detector de campo magnético, mecánico y
miniaturizable caracterizado por estar formado por una
estructura (1), con material ferromagnético blando o
superparamagnético, anclada a un soporte (2) mediante puntos de
anclaje que se pueden torsionar (3) y que está sometida a un
gradiente vertical de campo magnético transversal a la estructura
sin que el material se sature magnéticamente.
2. Detector de campo magnético, mecánico y
miniaturizable según reivindicación 1 caracterizado porque
la estructura es una lengüeta donde uno de los extremos está en
voladizo y se puede flexionar.
3. Detector de campo magnético, mecánico y
miniaturizable según reivindicación 1 caracterizado porque
la estructura es un puente, es decir, que la estructura con material
magnético tiene cuatro puntos de anclaje, que pueden torsionarse,
distribuidos de forma simétrica respecto de los ejes de simetría
longitudinal y transversal de la estructura.
4. Detector de campo magnético, mecánico y
miniaturizable según reivindicaciones 1 a 3 caracterizado
porque, cuando la estructura se imana con un momento magnético,
debido a la presencia del campo magnético H transversal a la
estructura, que se quiere medir, se ejerce una fuerza magnética que
provoca su pandeo, hasta que las fuerzas elásticas equilibran las
magnéticas.
5. Detector de campo magnético, mecánico y
miniaturizable según reivindicaciones 1 a 4 caracterizado
porque se mide el campo magnético H a partir de la medida de la
flexión de la estructura, debido a que la intensidad del campo
magnético H y la flexión están correlacionadas.
6. Detector de campo magnético, mecánico y
miniaturizable según reivindicaciones 1 a 3 caracterizado
porque la estructura resuena mecánicamente por la aplicación de un
campo magnético alterno, diferente del que se quiere medir, de igual
frecuencia que la de resonancia mecánica.
7. Detector de campo magnético, mecánico y
miniaturizable según reivindicaciones 1, 2, 3 y 6
caracterizado porque, cuando la estructura resuena
mecánicamente, se mide el campo magnético H a partir de la medida de
la amplitud de la oscilación de la estructura, debido a que la
intensidad del campo magnético H y la oscilación están
correlacionadas.
8. Detector de campo magnético, mecánico y
miniaturizable según reivindicaciones 1, 2, 3 y 6
caracterizado porque el campo magnético alterno, diferente
del que se quiere medir y con igual frecuencia que la de la
resonancia mecánica de la estructura, es longitudinal.
9. Detector de campo magnético, mecánico y
miniaturizable según reivindicaciones 1, 2, 3 y 6
caracterizado porque el campo magnético alterno, diferente
del campo que se quiere medir y con igual frecuencia que la de
resonancia mecánica de la estructura, es transversal y es de menor
intensidad que el campo a medir.
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2007
- 2007-12-21 ES ES200703420A patent/ES2303491A1/es active Pending
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