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Title:
P-TYPE PIEZORESISTIVE RESONANT MICROSENSOR FOR MEASURING MAGNETIC FIELDS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/128693
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a p-type piezoresistive resonant microsensor which uses the Lorentz force law for measuring a wide range of magnetic fields (1 -400G) with a high quality factor (Q=842) and magnetic sensitivity (40.3 μV/G) operating at atmospheric pressure. The aim of the invention is to improve existent resonant microsensors by using an optimised 15 μm-thick structural beam-plate configuration made of silicon, with an improved Wheatstone bridge comprising boron-doped (p-type) piezoresistors, and an aluminium loop configuration around the beam-plate structure, enabling improved general operation of the microsensor with a minimum of structural components.

Inventors:
MARTINEZ CASTILLO JAIME (MX)
HERRERA MAY AGUSTIN LEOBARDO (MX)
GARCIA RAMIREZ PEDRO JAVIER (MX)
GARCIA GONZALEZ LEANDRO (MX)
SAUCEDA CARVAJAL ANGEL (MX)
Application Number:
PCT/MX2008/000053
Publication Date:
October 22, 2009
Filing Date:
April 16, 2008
Export Citation:
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Assignee:
TUBOS DE ACERO DE MEXICO S A (MX)
MARTINEZ CASTILLO JAIME (MX)
HERRERA MAY AGUSTIN LEOBARDO (MX)
GARCIA RAMIREZ PEDRO JAVIER (MX)
GARCIA GONZALEZ LEANDRO (MX)
SAUCEDA CARVAJAL ANGEL (MX)
International Classes:
G01R33/028; G01P15/08; G01P15/12; G01R33/038; G01R33/12
Domestic Patent References:
WO2002077613A22002-10-03
WO2006021858A22006-03-02
Foreign References:
US20020017138A12002-02-14
US5798641A1998-08-25
US20060076947A12006-04-13
DE19827056A11999-12-23
US5923166A1999-07-13
Other References:
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BEVERLEY EYRE ET AL: "Resonant Mechanical Magnetic Sensor in Standard CMOS", 19981201, vol. 19, no. 12, 1 December 1998 (1998-12-01), XP011018502
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HAVILAND J S: "Silicon Micro-mechanics For Solid State Sensors", 19920928; 19920928 - 19920930, 28 September 1992 (1992-09-28), pages 138 - 144, XP010259398
JUDY J W ET AL: "A lecture and hands-on laboratory course: introduction to micromachining and MEMS", PROCEEDINGS OF THE 15TH. BIENNIAL UNIVERSITY/GOVERNMENT/INDUSTRY MICROELECTRONICS. UGIM 2003. BOISE, ID, JUNE 30 - JULY 2, 2003; [UNIVERSITY/GOVERNMENT/INDUSTRY MICROELECTRONICS SYMPOSIUM. (UGIM)], NEW YORK, NY : IEEE, US, 30 June 2003 (2003-06-30), pages 151 - 156, XP010655032, ISBN: 978-0-7803-7972-5
VANCURA ET AL: "Analysis of resonating microcantilevers operating in a viscous liquid environment", SENSORS AND ACTUATORS A, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, CH, vol. 141, no. 1, 26 November 2007 (2007-11-26), pages 43 - 51, XP022361415, ISSN: 0924-4247
Attorney, Agent or Firm:
RAMOS DE MIGUEL, César (MX)
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Claims:

REIVINDICACIONES

1 .- Un microsensor resonante optimizado de silicio para Ia medición de campos magnéticos, que comprende: un sustrato de silicio de 450 μm de espesor; una placa torsional con dimensiones de 400x1 50x1 5 μm; dos placas torsionales de soporte con dimensiones de 60x40x1 5μm; cuatro vigas flexionantes con dimensiones de 120x12x1 5 μm; un puente de Wheatstone con cuatro piezoresistores de silicio con 0.83 μm de profundidad y dopado de boro tipo p; una configuración de lazo de aluminio propia de 1 μm de espesor y 6 μm de ancho alrededor de Ia estructura placa-viga por donde fluye una corriente alterna; y una capa aislante de oxido de silicio de 1 μm que separa Ia estructura del microsensor con el lazo de aluminio.

2.- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación 1 , que se opera a una presión atmosférica con un alto factor de calidad (Q=842) y una sensibilidad magnética (40.3 μV/G). 3.- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación

1 , que se opera con un voltaje constante de 3V y un valor eficaz de corriente alterna de 22.0 mA a 1 36.52 kHz.

4.- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación 1 , que se puede utilizar en Ia detección de velocidad de vehículos de transporte, o en aplicaciones médicas, o en Ia detección de corrosión o grietas en tuberías que contengan hierro, o en el monitoreo de campo magnético terrestre, o en inspección de velocidad de piezas metálicas industriales que contengan hierro, o en lecturas de firmas magnéticas o en inspección de piezas metálicas que contengan hierro en productos de consumo e industriales.

5.- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación 1 , que comprende además agujeros en Ia placa torsional .

6.- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación 1 , en donde el espesor de Ia placa torsional es de 5 μm hasta 20 μm.

7.- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación 1 , en donde Ia longitud de Ia placa torsional es de 300 μm hasta 1000 μm .

8.- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación 1 , en donde el ancho de Ia placa torsional es de 1 00 μm hasta 500 μm.

9.- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación 1 , en donde Ia placa torsional tiene bordes semicirculares.

1 0.- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación 1 , en donde Ia longitud de las vigas flexionantes oscilan desde 80 μm hasta 400 μm .

1 1 .- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación 1 , en donde el ancho de las vigas flexionantes es de 1 0 μm hasta 20 μm.

1 2.- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación 1 , en donde las vigas flexionantes contienen refuerzos de material de silico alrededor de sus extremos;

1 3.- El microsensor resonante de acuerdo con Ia reivindicación 1 , en donde el lazo de aluminio incrementa su ancho hasta 20 μm.

Description:

MICROSENSOR RESONANTE PIEZORESISTIVO TIPO P PARA LA MEDICIóN DE CAMPOS MAGNéTICOS

CAMPO DE LA INVENCIóN

La presente invención se refiere a un sensor resonante piezoresistivo tipo p, fabricado en Ia tecnología de los sistemas microelectromecánicos (MEMS), que puede detectar campos magnéticos en un amplio rango (1 a 40OG) mediante el principio de Ia fuerza de Lorentz.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

En algunas aplicaciones de laboratorio e industriales, se requiere Ia medición precisa de pequeños campos magnéticos remanentes producidos por diversas fuentes. En ambientes hostiles como, por ejemplo, de alta temperatura, ruido electromagnético, impurezas y vibraciones, se requiere de instrumentos de medición de alta precisión y sensibilidad, bajo consumo de potencia, respuesta lineal, mínimo mantenimiento y calibración.

Una opción para medir el campo magnético Io son los sensores que explotan el efecto Hall (García R. P. J., Martínez C. J. y Herrera M. A. L. (2005), "A Semi Analytical Model of a SpMt Magfet Sensitivity at Room Temperatura", XIX Eurosensor, Barcelona, España), sin

embargo, la movilidad superficial de los portadores de carga es baja, teniendo un umbral de detección en el orden de los cientos de mT. Una solución a Io anterior consiste en operar el sistema en una ambiente de baja temperatura (77 K), implicando Ia utilización de un sistema de refrigeración o bien utilizar materiales diferentes al silicio que presenten un aumento en Ia movilidad (García R. P. J. y Sandoval I. F. (2003), "Measuring magnetic fields at low temperatura", 4th Electronics Circuits and Systems Conference, Bratislava, Slovakia, p.143). Existen otros sensores magnéticos que tienen aplicaciones en

Ia detección de objetos, rastreo, sistemas antirrobo, detección de anomalías magnéticas, campos magnéticos espaciales y el mapeo cerebral humano ((Ripka P. (2001 ), "Magnetic Sensors and Magnetometers", Boston, MA., Artech House Inc), (Yee J. K., Yang H. H. y Judy J. W. (2003), "Shock Resistance of Ferromagnetic Micromechanical Magnetometers", Sensors Actuators A 103, p.242- 252) y (Tucker J., Wesoleck D. y Wickenden D. (2002), "An integrated CMOS MEMS Xylophone Magnetometer with Capacitive Sense Electronics", NanoTech 2002 (Houston, Texas), p.1 -5). Sin embargo, éstos han mostrado algunas desventajas tales como: significante desequilibrio en Ia expansión térmica de Ia estructura movible y el material magnético electrodepositado (micro- magnetómetros ferromagnéticos) (Lenz J. (1990), "Review of

Magnetic Sensors", Proc. IEEE vol 78, pp. 973-989), alto consumo de potencia (magneto-resistivo) (id.) y extensivos sistemas de soporte (SQUID) (id).

La tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS) permite dispositivos magnéticos con características tales como: pequeño tamaño, bajo consumo de potencia y producción de masa (Ciudad D., Aroca C 1 Sánchez M., López E. y Sánchez P. (2004). Modeling and fabrication of a MEMS magnetostatic magnetic sensor. Sensors Actuators A 1 15, pp. 408-416). Kadár Z., Bossche A., Sarro P. M. y Mollinger J. R. (1998) ("Magnetic-field Measurements Using an Integrated Resonant Magnetic-Field Sensor, Sensors Actuators A 70, pp. 225-232) presentó un microsensor magnético resonante viga- placa de silicio basado sobre Ia fuerza de Lorentz Ia cual funciona bien sólo en ambientes de muy baja presión, por Io que requiere empaquetamiento especial para alcanzar el vacío. Además, necesita un sistema de fabricación y control electrónico muy complejo. Este sensor registro un factor de calidad Q=700 en presiones muy bajas de 5 Pa y solamente detectó campos magnéticos menores de 30 G. Eyre B., Pister K. S. J. y Kaiser W. (1998) ("Resonant Mechanical Magnetic Sensor in Standard CMOS", IEEE Electron Device Letters 19 (2), pp. 496-498) y Eyre B y Pister K. (1997) ("Micromechanical Resonant Magnetic Sensor in Standard CMOS", The Ninth International Conference on Solid State Sensors and Actuators-Transducers'97,

Chicago, USA, 16-19 June, pp. 405-8) desarrollaron otro microsensor magnético resonante placa-viga basado en dióxido de silicio (SíO2) en un proceso comercial CMOS con un deficiente factor de calidad

(Q=10) a presión atmosférica. Además, su microsensor presentó problemas de fractura y crecimiento de grietas para campos magnéticos altos, y por ende sólo registro campos menores de 350 G.

Con Ia finalidad de suprimir estos inconvenientes, se pensó en el desarrollo de un microsensor que se pretende proteger por medio de Ia presente solicitud, que se trata de un microdispositivo resonante piezoresistivo tipo p optimizado que se utiliza para medir campos magnéticos a presión atmosférica con un incremento significativo en el factor de calidad (Q=842) y Ia sensibilidad magnética (40.3 μV/G). Además, el microsensor que se pretende proteger en Ia presente solicitud no presenta problemas de fractura para altos valores de campos magnéticos (cercanos a 400 G) que mejoran considerablemente el funcionamiento mecánico eléctrico de los microsensores resonantes actuales.

BREVE DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

Es un objeto de Ia presente invención proporcionar un sensor resonante piezoresistivo tipo p, fabricado en Ia tecnología de los sistemas microelectromecánicos (MEMS), que puede detectar campos

magnéticos en un amplio rango (1 a 400G) mediante el principio de Ia fuerza de Lorentz. Este sensor utiliza materiales semiconductores y tiene una configuración estructural formada por una microplaca torsional, cuatro microvigas flexionantes y dos torsionales, que junto con un puente de Wheatstone Ie proporcionan un aspecto peculiar y propio en comparación con los convencionales.

DESCRIPCIóN DETALLADA DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 muestra una vista isométrica superior de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 2 muestra una vista isométrica inferior de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 3 muestra una vista superior amplificada de una estructura placa-viga y puente de Wheatstone de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 4 muestra una representación esquemática del funcionamiento de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención. La Figura 5 muestra dimensiones en μm de una estructura placa-viga de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 6 ilustra un primer modo de vibración torsional de Ia estructura placa-viga obtenida por medio del software de elemento

finito ANSYS de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 7 ilustra un segundo modo de vibración de Ia estructura placa-viga de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 8 ilustra un tercer modo de vibración de Ia estructura placa-viga de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 9 ilustra una cuarta configuración modal de Ia estructura placa-viga de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 10 ilustran las diferentes etapas de un proceso de micromaquinado de volumen en obleas de silicio sobre aislante de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención. La Figura 1 1 muestra una respuesta en Volts en función de Ia frecuencia de Ia corriente alterna aplicada de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 12 muestra una respuesta en Volts de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención en función de un campo magnético B x aplicado.

La Figura 13 muestra una respuesta en Volts de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención para campos magnéticos menores de 80 G

La Figura 14 ilustra una respuesta máxima del esfuerzo de Von Mises en Ia estructura placa-viga de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención obtenido mediante un modelo de elemento finito en el software ANSYS. La Figura 15 muestra una vista isométrica superior de Ia distribución de los esfuerzos de Von Mises en Ia estructura placa-viga de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 16 muestra una vista isométrica inferior de Ia distribución de los esfuerzos de Von Mises en Ia estructura placa-viga de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 17 muestra una gráfica de los desplazamientos máximos verticales localizados en el extremo de Ia placa de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención.

La Figura 18 muestra una distribución del desplazamiento vertical en una estructura placa-viga de una modalidad del microsensor objeto de Ia presente invención obtenida con ANSYS.

DESCRIPCIóN DETALLADA DE LA INVENCIóN

La Figura 1 es una vista isométrica superior de un microsensor resonante piezoresistivo tipo p con el puente de Wheatstone objeto de Ia presente invención. El diseño del microsensor consiste de una placa torsional de silicio 1 con dimensiones de 400x150x15 μm

suspendida sobre una cavidad en el sustrato y conectada por cuatro vigas flexionantes 2 con dimensiones de 130x12x15 μm y dos vigas torsionales 3 con dimensiones de 60x40x15 μm. Un lazo de aluminio 4, por donde fluye una corriente alterna, que presenta una configuración simétrica alrededor de Ia placa torsional 1 con Ia finalidad de distribuir uniformemente los esfuerzos, Io cual reduce el pandeo inicial de Ia estructura y crecimiento de grietas durante Ia etapa de liberación de ésta. Un par de vigas flexionantes 2 incluyen dos piezoresistores activos 5 con dopamiento de boro, tipo p, que conforman una rama del puente del Wheatstone 6. La segunda rama esta formada por dos piezoresistores pasivos 7, tipo p, localizados sobre el sustrato de silicio con volumen libre de deformación 8. La alimentación de Ia corriente alterna es por medio de los dos electrodos 9. El puente de Wheatstone obtiene un desequilibrio en el instante que las vigas flexionantes sufren una deformación.

La Figura 2 muestra una vista isométrica inferior del microsensor resonante. En Ia Figura 2, se observa Ia cavidad inclinada debajo de Ia placa torsional 1 que tiene 435 μm de profundidad. Esta cavidad fue diseñada para disminuir el amortiguamiento del aire cuando Ia placa torsional 1 opere en resonancia.

La Figura 3 es una vista superior amplificada de Ia estructura placa-viga y puente de Wheatstone del microsensor resonante. Esta

Figura muestra Ia placa torsional 1 , las vigas flexionantes 2, Ia viga torsional 3, Ia conexión de los piezoresistores pasivos 5 y los pasivos 7 en el puente de Wheatstone 6.

La Figura 4 es una representación esquemática del funcionamiento del microsensor resonante propuesto. éste contiene un lazo de aluminio 4 por donde fluye una corriente alterna senoidal (I L ). La frecuencia de Ia corriente alterna debe estar muy próxima a Ia frecuencia de resonancia torsional de Ia estructura placa-viga para alcanzar Ia máxima sensibilidad magnética. Una vez que Ia estructura esta sujeta a un campo magnético con una orientación paralela B x , se origina un movimiento torsional en Ia estructura provocada por Ia fuerza de Lorentz, deformando los dos piezoresistores activos 5 ubicados en las vigas flexionantes 2. La resistencia de los piezoresistores deformados provoca un cambio en el voltaje de salida del puente de Wheatstone.

La ecuación (1 ) define Ia magnitud de Ia fuerza de Lorentz presente en Ia microestructura placa-viga cuando una corriente alterna L y un campo magnético paralelo B x son aplicados. ésta ecuación considera Ia longitud del lazo de aluminio en el extremo de Ia placa L y . La ecuación (2) indica Ia forma senoidal de Ia corriente alterna con un corriente máxima Im. y y (1 )

h = I m Sen ( (i>t ) (2)

El torque magnético (T) que actúa sobre Ia estructura placa- viga esta dado por Ia ecuación (3). Este torque es provocado por Ia fuerza de Lorentz y su valor depende de Ia semilongitud de Ia placa L x .

T = 2I m L y L x B y sen(ωt) ( 3 )

La deformación ε x en Ia dirección de las vigas flexionantes esta dado por Ia ecuación (4).

_ Tc t ι b (4)

El numerador de Ia ecuación (4) considera el torque magnético y Ia distancia c del plano neutro de Ia placa a Ia ubicación de los piezoresistores activos. El denominador de Ia ecuación (4) considera Ia rigidez flexionante de las cuatro vigas El b . El torque magnético producirá una deformación ε x en las vigas flexioanantes, y por ende un cambio en Ia resistencia de los piezoresistores activos. Esta variación es directamente proporcional al factor de galga G del piezoresitor activo y a Ia deformación ε x como Io expresa Ia ecuación (5).

R (5)

El cambio en Ia resistencia de los piezoresistores activos provoca una variación en el voltaje de salida δV del puente de Wheatstone como Io expresa Ia ecuación (6). De esta forma, Ia señal del campo magnético aplicado a Ia estructura placa-viga es transformado en una señal eléctrica por medio del puente del Wheatstone.

El cambio en el voltaje de salida del puente de Wheatstone puede ser utilizado como Ia señal de entrada de circuitos de procesamiento de señales.

La Figura 5 muestra las dimensiones en μm de Ia estructura placa-viga del microsensor resonante propuesto. Las dimensiones más pequeñas corresponden a las vigas flexionantes 2 y las mayores a Ia placa torsional 1. La Figura 6 ilustra el primer modo de vibración torsional de Ia estructura placa-viga obtenida por medio del software de elemento finito ANSYS. éste modo de vibración presenta una configuración torsional simétrica con respecto al eje torsional. La operación de Ia estructura placa-viga en este modo de vibración causará un incrementó en Ia sensibilidad magnética del microsensor debido a que los piezoresistores 5 activos tendría una deformación apreciable.

El segundo modo de vibración de Ia estructura placa-viga es ilustrado en Ia Figura 7. En ésta configuración modal, se observa una flexión simétrica de los extremos de Ia placa hacia arriba, Io cual no favorece al movimiento torsional de Ia placa. La Figura 8 muestra el tercer modo de vibración de Ia estructura placa-viga. Este modo es de traslación en Ia dirección del eje y, Io cual no es conveniente para un movimiento oscilante torsional de Ia estructura.

La Figura 9 ilustra Ia cuarta configuración modal de Ia estructura placa-viga. Está configuración indica que Ia placa sufre una torsión irregular con respecto al eje x, Io cual no favorece al movimiento oscilante torsional de Ia placa.

En base a las configuraciones modales anteriores de Ia estructura placa-viga del microsensor resonante objeto de Ia presente invención, se concluye que debe operar en el modo de vibración tipo torsional, mostrada en Ia Figura 5, para satisfacer un funcionamiento oscilante óptimo cuando un campo magnético paralelo a su estructura esté presente.

El microsensor objeto de Ia presente invención es fabricado en un proceso de micromaquinado de volumen en obleas de silicio sobre aislante (SOI, por sus siglas en inglés) de 10.16 cm de diámetro. El proceso de fabricación empieza con el crecimiento de de 18 nm de óxido térmico y con el crecimiento de una capa de 1 18 nm de nitruro

de silicio (Si 3 N 4 ) sobre un sustrato de SOI tipo n. La capa de nitruro es removida desde el lado superior de Ia oblea y colocado en un patrón en el lado inferior como se muestra en Ia parte (a) de Ia Figura 10. Después es implantado boro para formar cuatro piezoresistores tipo p con 0.83 μm de profundidad, tal como se indica en Ia parte (b) de Ia Figura 10. En Ia parte (c) de Ia Figura 10 es mostrada el crecimiento de un óxido de silicio (con 1 μm de espesor), que posteriormente forma un patrón fijo y los contactos de 120x120 μm son abiertos. A continuación, una capa de aluminio de 1 μm es depositada y se forma un patrón de ésta, Ia cual es mostrada en Ia parte (d) de Ia Figura 10. El aluminio define las líneas de metal y los contactos. Con Ia capa de nitruro actuando como una máscara, el sustrato de silicio es grabada desde Ia parte inferior utilizando hidróxido de potasio (KOH) como se muestra en Ia parte (e) Figura 10. Finalmente, Ia capa de SOI es grabada por iones reactivos para definir Ia estructura final del microsensor propuesto, como se muestra en Ia parte (f) de Ia Figura 10.

El microsensor es pegado y alambrado a un empaquetado comercial de 8 terminales. El alambre utilizado es de aluminio de 60 μm. El empaquetado es colocado en una tarjeta de circuito impreso (PCB, por sus siglas en inglés) diseñado para Ia caracterización eléctrica. La resistencia de los piezoresistores activos es de 18.8 kω

y los pasivos de 21.7 kω. La resistencia del lazo de aluminio por donde fluye Ia corriente alterna es de 18.4 ω.

En el proceso de caracterización eléctrica del microsensor resonante objeto de Ia presente invención, se utiliza un amplificador comercial de bajo ruido SRS560 de Stanford Research Systems, un osciloscopio TDS 2024 Tetronix, un generador de forma de onda 33220A Agilent, una fuente de alimentación de campo magnético, un gausímetro 475 DSP Lakeshore y una computadora portátil en donde se gráfica Ia respuesta del microsensor. También se utilizan un campo magnético variable paralelo a Ia estructura placa-viga del microsensor y cuatro valores rms (I) de corriente alterna (6.2 mA, 11.4 mA, 16.7 mA y 22.0 mA).

La Figura 11 muestra Ia respuesta en volts en función de Ia frecuencia de Ia corriente alterna aplicada (1 = 6.22 mA) del microsensor resonante. El campo magnético aplicado es de 299 G con una orientación paralela a Ia estructura placa-viga. Con esta prueba, se puede encontrar Ia frecuencia de resonancia torsional real de Ia estructura con un valor de 136.52 kHz. En base a esta gráfica, se puede encontrar un factor de calidad Q=842 a presión atmosférica para Ia estructura placa-viga. Este valor se obtiene utilizando Ia ecuación (7), en donde f r es Ia frecuencia de resonancia y Af es el cambio de frecuencia cuando Ia respuesta del sensor disminuye en 3 decibeles.

( J

15

Q = - (7)

δ/

El factor de calidad de Ia estructura del microsensor es muy superior al obtenido por Ia estructura del microsensor de Eyre et al. (1998, 1997), donde su valor fue Q=10 a presión atmosférica. Además, el microsensor de Eyre et al. (1998, 1997) presenta considerable problemas de fractura y crecimiento de grietas en Ia presencia de campos magnéticos grandes y por ende sólo registró magnitudes de campo menores de 350 G. También, Kadár et al. (1998) presenta un microsensor con un factor de calidad Q=700, pero Io obtiene con un empaquetamiento en vacío (presión de 5 Pa), un complejo proceso de fabricación y solamente el sensor de Kadár et al. (1998) detecta campos inferiores a 30 G. En cambio, el microsensor resonante objeto de Ia presente invención posee un factor de calidad mayor sin necesidad de utilizar un empaquetamiento en vacío y registra campos magnéticos en un amplio rango (1 a 400 G) sin problemas de fractura o formación de grietas.

La Figura 12 muestra Ia respuesta en volts del microsensor resonante en función del campo magnético B x aplicado. Para obtener esta gráfica, se utiliza un voltaje de corriente directa de 3 V en los contactos de entrada del puente de Wheatstone y corriente alterna con valor eficaz (rms) I de 6.2 mA, 11.4 mA, 16.7 mA y 22 mA a Ia frecuencia de resonancia de Ia estructura placa-viga (136.52 kHz). El

rango de campo magnético aplicado es de 1 a 400 G. Para campos magnéticos grandes (mayores de 70 G) y un valor eficaz de corriente alterna de 1=22.0 mA, se obtiene una sensibilidad magnética de 22.0 μV/G. En cambio, para campos pequeños (menores de 70 G) se puede encontrar una sensibilidad magnética máxima de 40.3 μV/G, como se puede observar en Ia Figura 13, Ia cual muestra Ia respuesta en volts del microsensor para campos magnéticos menores de 80 G. El voltaje inicial de Ia respuesta del microsensor es causada por el desbalance inicial del puente de Wheatstone, debido a que los piezoresistores activos y pasivos tienen diferentes valores de resistencia. Además, de ruido electrónico que se genera Ia tarjeta de circuito electrónico donde se monta el microsensor y al incremento de temperatura en las vigas flexionantes, en donde se ubican los piezoresistores activos, provocado por el incremento de Ia corriente alterna aplicada. Estos eventos causan que el voltaje inicial sea diferente de cero y que se incremente conforme se eleva el valor eficaz de Ia corriente alterna.

El microsensor resonante detecta campos magnéticos pequeños y grandes (rango de 1 a 400 G) sin presentar problemas de fractura y crecimiento de grietas. En Ia Tabla 1 , se muestran los principales resultados del microsensor objeto de Ia presente invención en comparación con los presentados por Eyre et al. (1998, 1997) y Kadár et al. (1998). La configuración placa-viga el microsensor objeto de Ia

presente invención registra los mejores resultados, siendo que solamente Ia estructura placa-viga de Kádar et al. (1998) puede obtener una mayor sensibilidad magnética (50 μV/G), pero el microsensor de Kádar et al. (1998) necesita un empaquetamiento especial para operar a muy bajas presiones (5 Pa) y sólo registra campos magnéticos menores de 30 G.

Tabla 1. Comparación de los resultados entre el microsensor resonante propuesto en esta solicitud y los presentados por Eyre et al. (1998, 1997)) y Kadár et al. (1998).

Parámetros Microsensor Microsensor Microsensor medidos Eyre et al. Kadár et al. propuesto

Factor Q 10 700 842

Máxima sensibilidad (μV/G) 20 50 40.2

Máximo campo

Magnético detectado (G) 350 30 400

Frecuencia de resonancia (kHz) 2.5 2.5 136.52

Presión de operación Atmosférica 5 Pa Atmosférica

Tipo de detección Piezoresistivo Capacitivo Piezoresistivo

(tipo-n) (tipo-p)

Material de placa-viga SiO 2 Si Si

En Ia Figura 14, se ilustra Ia respuesta máxima del esfuerzo de Von Mises en Ia estructura placa-viga del microsensor objeto de Ia

presente invención obtenido mediante un modelo de elemento finito en el software ANSYS. Se utilizan cuatro valores eficaces de corriente alterna I (6.2 mA, 1 1.4 mA, 16.7 mA y 22 mA) y un rango de campo magnético B x de 1 a 400 G. Esta respuesta muestra un comportamiento lineal con un significativo incremento en su magnitud para campos magnéticos mayores de 70 G. El máximo esfuerzo de 53.8 MPa se puede obtener con 1=22.0 mA. En Ia Figuras 15 y 16, se muestran una vista isométrica superior e inferior de Ia distribución de los esfuerzos de Von Mises en Ia estructura placa-viga del microsensor objeto de Ia presente invención. Los esfuerzos máximos se localizan en Ia conexión de las vigas flexioanantes y Ia viga torsional. Además, Ia viga torsional concentra un esfuerzo cercano a 36 MPa. Para el lazo de aluminio, los máximos esfuerzos se encuentran cercanos a 24 MPa. Estos valores son inferiores al esfuerzo de fractura del silicio cercano a 1 GPa y al de aluminio de 0.15 GPa, Io cual garantiza una operación segura de Ia estructura del microsensor resonante para campos magnéticos grandes (cercanos a 400 G).

La Figura 17 es una gráfica de los desplazamientos máximos verticales localizados en el extremo de Ia placa del microsensor. Las magnitudes de estos desplazamientos tienen un comportamiento lineal y existe un incremento significativo para Ia corriente alterna 1=22.0 mA. Para este valor, se obtuvo un desplazamiento máximo de

372.5 nm con un campo magnético B x =400G. Este valor representa un incremento de 354.4 % con respecto al valor eficaz de Ia corriente alterna 1=6.2 mA.

La Figura 18 muestra Ia distribución del desplazamiento vertical en Ia estructura placa-viga obtenida con ANSYS. Esta distribución expresa un movimiento torsional simétrico de Ia estructura. Este movimiento garantiza una operación eficiente del microsensor.