從可穿戴健康監(jiān)測到先進制造機器人和人體運動追蹤等智能系統(tǒng)的普及，正推動多功能、小型化智能傳感器和執(zhí)行器技術(shù)的需求不斷增長。智能單功能和多功能傳感器/執(zhí)行器、混合微納器件的開發(fā)正在持續(xù)演進?，F(xiàn)有報道的研究大多數(shù)都集中在單個器件的協(xié)作以實現(xiàn)雙/多功能傳感器和執(zhí)行器。開發(fā)具有多功能的單片智能微器件仍然是當前研究面臨的一項挑戰(zhàn)。為了滿足此類系統(tǒng)的需求，優(yōu)異的靈敏度、低成本、低能耗、高輸出位移、高集成能力、低交叉靈敏度和良好的線性度等關(guān)鍵性能指標至關(guān)重要。在此背景下，基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的傳感器和執(zhí)行器，已成為智能化、多功能傳感/驅(qū)動應用的理想解決方案。
基于MEMS技術(shù)的微型機械和電氣元件經(jīng)歷了飛速發(fā)展，憑借其優(yōu)異的性能特性，現(xiàn)已廣泛集成到汽車電子、消費電子、工業(yè)控制和生物醫(yī)療等多個領(lǐng)域。其中，磁傳感器已成為一個特別重要的細分領(lǐng)域，它們能夠以前所未有的精度和靈敏度檢測并測量磁場。MEMS磁傳感器已廣泛應用于多種新興應用，包括汽車（例如車輪速度傳感、電子助力轉(zhuǎn)向）、消費電子（例如電子羅盤（指南針）、移動設備定位）、工業(yè)自動化（例如電流傳感、位置檢測）和生物醫(yī)學應用（例如生物磁場檢測）等。此外，在導航、生物磁學和考古學等應用中，弱磁場（fT～μT）檢測已成為重點方向之一。
目前，霍爾效應傳感器和磁阻傳感器等固態(tài)傳感器主導了磁傳感市場。然而，以足夠的精度檢測極低磁場對這些傳感器來說仍然是一項挑戰(zhàn)。此外，大多數(shù)商用磁傳感器基于非洛倫茲力原理，采用霍爾效應、各向異性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）或隧道磁阻（TMR）等原理工作。這些器件需要依賴磁材料，帶來了若干限制。此外，當前技術(shù)還面臨著集成方面的挑戰(zhàn)，與CMOS工藝的兼容性，對于創(chuàng)建緊湊型片上系統(tǒng)（SoC）至關(guān)重要，這方面仍然有待開發(fā)。
近年來，洛倫茲力磁傳感器（LFM）有望成為解決此類問題的方案之一。它們固有的高靈敏度、寬頻帶和無需磁性材料的結(jié)構(gòu)設計，使其能夠檢測微小的磁通密度，并且不會產(chǎn)生任何不希望的磁滯效應。此外，它們簡單且可擴展的設計可以與其它MEMS器件集成，從而制造出微型化、輕量化且高分辨率的多功能器件?；贛EMS技術(shù)的洛倫茲力磁傳感器利用洛倫茲力相互作用的原理工作，即載流導體在磁場中受到垂直于電流和磁場的力，可通過多種傳感技術(shù)檢測，例如電容測量和光學測量等。最近，有文獻報道了基于MEMS的熱式洛倫茲力磁傳感器，具有nT級別的分辨率和~1 V/T的靈敏度。不過，盡管性能顯著，其可調(diào)性有限和高功耗等挑戰(zhàn)仍然存在。盡管如此，如果傳感器能夠針對特定應用檢測磁場，同時在需要時又能最小化或消除與磁場的相互作用，那么它的多功能性有望得到增強。能夠根據(jù)應用需求調(diào)節(jié)靈敏度和功耗是一項突出優(yōu)勢，有助于將無源傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軅鞲衅飨到y(tǒng)。
此外，將傳感器和執(zhí)行器集成到緊湊的多功能MEMS器件中，已成為下一代智能系統(tǒng)的關(guān)鍵目標，尤其對于需要動態(tài)可重構(gòu)性、高靈敏度和低功耗的應用。傳統(tǒng)MEMS磁傳感器和執(zhí)行器通常設計為分立組件，其中磁傳感依賴于磁場敏感材料，而執(zhí)行器的工作機制則要求不同的結(jié)構(gòu)或材料。這種模塊化設計，雖然有利于獨立性能優(yōu)化，但常常會引入封裝復雜性、互連寄生效應，還增加了系統(tǒng)的占位面積。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，在此背景下，卡利法大學機械與核工程學院的研究人員介紹了一種智能MEMS器件，它具有雙向功能可調(diào)性，既可以作為基于洛倫茲力的磁傳感器，也可以作為磁場不敏感的執(zhí)行器運行。該器件展現(xiàn)了傳感器-執(zhí)行器集成（SAI）框架定義的智能特性。相關(guān)研究成果已經(jīng)以“Smart resonant micro-sensor and micro-actuator: high-performance, wide range bi-axial magnetic sensitive/ insensitive micro-device for multifunctional sensing applications”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
本研究所提出的MEMS諧振器的工作原理和負載效應
在智能化方面，它通過電熱和洛倫茲機制實現(xiàn)了多功能傳感與執(zhí)行的一體化。同時，無需結(jié)構(gòu)修改或外部電路，它就能通過功率驅(qū)動實現(xiàn)執(zhí)行器和傳感器功能之間的模式切換，具備自適應和功能重構(gòu)能力。這使其成為新興的機械智能化微系統(tǒng)。
彎曲微梁的熱誘導共振偏移和執(zhí)行器工作
這種智能MEMS器件的關(guān)鍵使能技術(shù)是一種功率可調(diào)的電熱驅(qū)動機制，該機制可以調(diào)節(jié)彎曲微梁的內(nèi)部軸向應力。這種應力調(diào)控，當與施加磁場下的洛倫茲力相互作用時，會產(chǎn)生器件共振頻率的動態(tài)偏移。通過選擇性地驅(qū)動不同的熱驅(qū)動路徑，系統(tǒng)能夠智能地在“高磁靈敏度模式”和“穩(wěn)定機械位移模式”之間切換。這種切換不是通過結(jié)構(gòu)改變，而是通過內(nèi)部多物理場耦合實現(xiàn)。其諧振器的固有設計能夠智能化、有針對性地激活執(zhí)行器，從而在各種輸入功率水平上實現(xiàn)寬泛的傳感器選擇性。
熱調(diào)諧對MEMS諧振器性能和磁敏感性的影響
在其設計方案中，研究人員仔細考量并解決了磁傳感（基于洛倫茲力和機械共振）與電熱驅(qū)動之間潛在的工藝兼容性問題。該研究采用單芯片多功能設計，克服了多芯片異質(zhì)集成中的相關(guān)問題。該設計具有一個單芯片夾持引導彎曲微梁，連接到一個直形微執(zhí)行器和兩個V形微執(zhí)行器，便于應用雙軸熱軸向負載-洛倫茲力相互作用，實現(xiàn)更優(yōu)的磁場傳感。
結(jié)論
總結(jié)而言，本研究介紹了一種基于智能可調(diào)諧諧振器的高性能MEMS磁傳感和執(zhí)行一體化器件，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢。該器件通過軸向誘導熱應力和洛倫茲力的協(xié)同作用，調(diào)節(jié)彎曲微梁的共振頻率。這種力的協(xié)同作用可調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)的剛度，導致諧振頻率發(fā)生可測量的偏移。通過量化這種頻率偏移，可以準確確定施加磁場的大小和方向。所提出的器件在寬泛的磁場強度內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性度，顯著增強了其適用性。
本研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于智能可調(diào)性，通過獨特的設計集成了多種驅(qū)動機制，這一特性使其可以根據(jù)驅(qū)動配置調(diào)整靈敏度曲線，為應對不同的傳感和執(zhí)行需求提供了靈活性。這種可定制化靈敏度和功耗的能力，使其區(qū)別于已有報道的現(xiàn)有器件。此外，該器件在常壓下能有效工作，無需真空封裝。這一優(yōu)勢簡化了系統(tǒng)集成并降低了制造成本，使其適用于更廣泛的應用。因此，這種智能MEMS傳感和執(zhí)行一體化器件代表了智能傳感技術(shù)發(fā)展的重要突破，為下一代應用提供了一種兼具多功能和高效性的先進平臺。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-01041-y
