基于粉末MEMS磁体的微型悬臂谐振器振荡B场标记器的SQUID先驱性评估

《IEEE Sensors Letters》：Pilot SQUID Evaluation of a MEMS Cantilever Resonator With Monolithic PowderMEMS Magnets Used as a Miniaturized Oscillatory B-Field Marker

本研究针对传统线圈磁场发生器体积大、功耗高的问题，开展了一种集成了粉末MEMS磁体的微机电系统（MEMS）悬臂谐振器作为微型振荡B场标记器的先驱性评估。研究人员利用超导量子干涉器件（SQUID）在磁屏蔽室内对原型器件进行了表征，引入了磁性能因子（MPFz）作为关键指标，结果表明该器件能在228毫米距离处产生10 pT的磁场，为生物磁传感、磁测量平台等应用提供了小型化、低功耗的解决方案。

　　

在传感器技术领域，传统空气线圈长期以来被广泛用于产生磁场，应用于传感器表征和磁性物体定位等多个场景。然而，这种基于线圈的方法存在明显的局限性：它们通常体积较大、功耗高，这主要是由于线圈存在显著的电阻损耗。随着微型化、低功耗电子设备需求的日益增长，特别是在生物磁传感、工业传感和磁测量平台等应用中，传统线圈系统往往显得笨重且不实用。因此，开发一种能够克服这些缺点的微型化、低功耗的时变磁场发生器成为了一个重要的研究方向。

微机电系统（MEMS）技术展现出解决这一问题的巨大潜力。MEMS B场标记器将压电执行器与单片集成的磁体（微磁体）相结合，使其在需要小尺寸、低功耗和期望的窄带场控制的磁传感应用中极具前景。尽管初步的研究已经验证了基于MEMS的振荡B场标记器的可行性，但其定量的性能表征仍然有限。为此，发表在《IEEE Sensors Letters》上的这项研究，首次使用超导量子干涉器件（SQUID）对一款带有单片集成钕铁硼（NdFeB）磁体的MEMS悬臂谐振器进行了先驱性评估，旨在优化这种微型B场标记器的性能。

为了开展这项研究，研究人员主要应用了几项关键技术方法。首先，他们利用PowderMEMS工艺制造了单片集成在MEMS悬臂末端的NdFeB微磁体。其次，他们在柏林磁屏蔽室（BMSR-2.1）内使用304-SQUID矢量磁强计系统（VMS）对原型器件（P1-P3）产生的振荡磁通密度B_z(t)进行测量，该系统的本底噪声密度极低（2.5-3.5 fT/√Hz）。此外，他们引入了一个定量的关键指标——磁性能因子（MPF_z），用于比较不同B场标记器的性能，其定义为MPF_z= b_z? d_z³，其中b_z是测量的磁场振幅，d_z是磁体到传感器的距离。

幅度稳定性分析

研究人员对原型P1在4小时内的幅度稳定性进行了分析。器件在其谐振频率f_res= 1.34 kHz下被u_exc= 750 mV的正弦电压驱动。结果表明，在前2.5小时内振幅有2.7%的衰减，随后系统进入稳定状态，在剩余记录时间内平均b_z为240 pT，标准偏差为0.018 pT，显示出优异的幅度稳定性。

B场幅度产生

分析揭示了激励电压u_exc与测量到的磁场振幅b_z（以MPF_z度量表示）之间存在非线性关系。通过比较三个不同几何形状的原型（P1, P2, P3）的MPF_z值，证明了该指标区分不同器件性能的能力。测量值均低于理论预测值（P1低约1.54倍），表明需要重新评估计算参数和实验设置。

距离相关的B场幅度

分析考察了b_z随距离d_z（从88毫米到228毫米）的变化情况。测量在四个不同距离水平（Z1, Z5, Z7, Z9）上进行。如图3(c)所示，b_z随着d_z的增加而减小，这与简单的磁偶极子模型（公式1）的预测一致，即在228毫米处仍能产生10 pT的磁场。

发生器上方的空间B场分布

使用多通道系统最低平面的49个Z-SQUID传感器，绘制了在u_exc=750 mV驱动下b_z(X,Y)的空间分布图。结果显示在最靠近B场标记器的传感器Z1K上方存在一个明显的热点，这表明该器件在定位应用中具有良好的空间分辨率，同时也突出了精确定位传感器对于最大化信号振幅的重要性。

本研究成功地填补了对用于产生时变B场的、带有单片粉末磁体的MEMS悬臂谐振器进行定量评估的空白。结果表明，MEMS基B场标记器能够在相当远的距离产生可测量的磁场，证明了其作为时变磁场标记器的基本适用性。引入的磁性能因子MPF_z提供了一个实用的指标，既能用于直接比较不同的MEMS B场标记器，也作为设计导向的品质因数，用于最大化未来B场标记器MEMS设计可实现的振幅。尽管原型器件的有限数量限制了全面的统计分析，但这项先驱性工作为基于MEMS的B场标记器的进一步优化奠定了基础，例如通过调整几何形状、使用更硬的材料来定制位移角α，以及通过材料选择来增加磁矩m。未来的工作将涉及开发基于有限元法（FEM）的模拟和分析模型来验证B场标记器的性能，并研究长期稳定性和更高激励电压对MPF_z的影响，以推动其在生物磁诊断等紧凑型和节能应用中的发展。