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指南针传感器磁场运动传感器技术发展新方向

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现在的手机和其他多数移动设备都装有追踪地理位置的传感器。移动设备中安装的数字指南针、陀螺仪和加速度计分布于各种各样的基于位置的服务程序中,同时也应用于一些控制移动设备的新方式中,如通过微晃和轻弹动作控制设备。现在,一种新的传感器制造方法的出现将使这一技术的实施成本更廉价、设备更小巧。

西班牙Baolab Microsystems公司使用一种更加简单的制造方法制造出了新型的数字指南针。明年,这一技术将应用于GPS设备上。该公司还制造加速度计和陀螺仪原型设备,并计划在一个芯片上整合这三种类型的传感器。

数字指南针的传统制造方法是互补金属氧化物半导体(CMOS)制造法。该法也是制作微芯片和电控电路的最普遍方法。但这一方法制造的指南针包含的一些结构,如磁场集中器,需要在芯片制作完成后再添加上去,从而增加了芯片的复杂性和成本。“基本的差异是我们制造的指南针完全是在标准的互补金属氧化物半导体制造法之内完成的。

这种新法能够实现是因为指南针利用了洛伦兹力(Lorentzforce)现象。而大多数商业数字指南针利用的是另一种不同的现象——霍尔效应(Hall Effect),通过使电流贯穿导体并测量因地球磁场产生的电压上的变化使指南针工作。

相反,洛伦兹力是当电流通过导体材料时,磁场产生的力。一个移动设备可将洛伦兹力施加在一个物体上,通过测量这个物体的位移决定地球磁场的方位。

Baolab公司制造的芯片是在一个传统的硅芯片上蚀刻出一个纳米级的微机电系统(MEMS)。在这个纳米级微机电系统设备中有一个由弹性元件悬吊着的铝片。当一个移动设备驱使一束电流通过这个铝片时,存在的任何磁场都会产生洛伦兹力,作用于铝片上并影响其共振。位于铝片两侧的两个金属片会检测到铝片发生的变化。移动设备通过测量两个金属片上产生的微小的电容变化,就能够在一个方向上测量磁场。使用一组三个这样的传感器,移动设备就能够确定地球磁场的方向和方位。

英国南安普顿大学纳米组的纳米电子学教授Hiroshi Mizuta说,“与传统传感器相比,这种微机电系统和互补金属氧化物半导体相结合的技术将提高传感器的敏感度,并缩小传感器芯片的体积,降低芯片的成本。”Baolab公司的每个纳米微机电系统传感器的长度都不足90微米,而将三种类型的传感器集成在一个3毫米长的芯片上是可能实现的。


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