اكتشاف المجال المغناطيسي في الدوائر الإلكترونية

تتطلب الكثير من التطبيقات إنشاء نطاق جديد للمقياس المغناطيسي الدقيق (MEMS)، بحيث يتميز بمجالات مغناطيسية ثابتة لثنائي القطب المرجعي لـ (CERN) مع قراءة سعوية مخصصة، كما يتم تمييز كثافة التدفق المغناطيسي من خلال أوضاع الاهتزاز الخاصة بأوضاع الاهتزاز، والتي يتم استشعارها بالسعة.

أهمية اكتشاف المجال المغناطيسي في الدوائر الالكترونية

كان التركيز التجريبي لهذا العمل على تطوير مستشعر المجال المغناطيسي (MEMS) الرنان مع قراءة بالسعة، بحيث بدأت دراسة جدوى في (CERN) لتقييم البيانات إذا كان مقياس المغناطيسية الرنيني (MEMS)، كما يمكنه تلبية المتطلبات العالية لتوصيف مكونات معينة من المجال المغناطيسي بنطاق ديناميكي يبلغ (104)، كما تم اختيار (CERN) كموقع اختبار لأن المنشأة لديها طرق مرجعية للتقييم بدقة كافية تصل إلى (10-5).

كذلك تعمل “قوة لورنتز” على تشغيل ناتئ (MEMS) ومصنع ومميز كمقياس مغناطيسي لكل من المجالات المغناطيسية الثابتة والمتناوبة، بحيث تم التركيز على كل من تحسين حساسية الرنان الميكانيكي وتوصيف المستشعر على عدة مرات من حيث الحجم، بحيث يعتمد المستشعر على تصميم هجين جديد مع اثنين من الرقائق المستقلة، وهي (السيليكون و Pyrex)، والتي يتم تركيبها فوق بعضها البعض باستخدام عملية ربط (SU-8) مخصصة.

كذلك يتم تنفيذ جميع خطوات العملية على مستوى الرقاقة باستثناء التوصيل البيني للأقطاب الكهربائية ذات الأغشية الرقيقة التي تم إنجازها باستخدام عجينة موصلة للفضة، بحيث توفر طريقة القياس الانتقائي للترددات المطبقة للتذبذبات الميكانيكية بديلاً لتقنيات قياس النطاق العريض الشائعة، وبالنسبة لمحول الطاقة الموضح في الشكل التالي (1).

كما يُفضل القياس عند الرنين، حيث يرفض إشارات التداخل ذات النطاق العريض بكفاءة بسبب التعزيز الرنيني الكبير للإشارة المرغوبة، لذلك إذا كانت مكونات التردد المتداخلة لا تتطابق مع تردد الرنين؛ فإنه يتم قمعها بشكل فعال بواسطة محول الطاقة، وبفضل التصميم الدقيق يمكن أن تصل الرنانات المصنوعة من السيليكون أحادي البلورية إلى عوامل جودة عالية ملحوظة في الطلب.

كذلك تقاس الحركة التذبذبية بواسطة التحويل السعوي، ومن المحتمل أن يتدهور استقرار هذه الهياكل بسبب حدوث آلية تليين كهروستاتيكية قوية، بحيث يتم فرض قوة كهروستاتيكية على كتلة ناتئ التأرجح بواسطة أقطاب الاستشعار وتقلل من تردد الرنين، إلى جانب الخصائص الأساسية، مثل تردد الرنين أو عرض النطاق لقمم الرنين، بحيث تم تحليل اللاخطية لتطوير مبادئ توجيهية لتحسين حساسية محول الطاقة.

ومن الناحية المثالية؛ فإنه يكون تردد الرنين مستقلاً عن سعة الاهتزاز، ولكن في الأنظمة غير الخطية مثل عندما يتعرض الكابل لقوة كهروستاتيكية تعتمد على السعة؛ فإنه يعتمد تردد الرنين على ظروف التشغيل ويمكن أن تظهر استجابة السعة ظاهرة التخلف، وبالإضافة إلى إثارة الهيكل الميكانيكي برنينه الطبيعي، بحيث من الممكن أيضاً وضع أوضاع أعلى، والتي تسمح بقمع التداخلات الصوتية.

تصنيع جهاز اكتشاف المجال المغناطيسي في الدوائر الإلكترونية

تعتمد عملية تصنيع الجهاز على تقنية السيليكون على العازل (SOI)، حيث يتم فصل طبقتين من السيليكون أحادي البلورية بطبقة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، وبالمقارنة مع استخدام رقائق السيليكون البسيطة، كما توفر هذه التقنية نقطة توقف محددة بسبب الانتقائية الكبيرة للتأثير بين السيليكون (Si) و (SiO2)، أما سمك طبقة الجهاز وطبقة المقبض (20) مايكرومتر و (350) مايكرومتر على التوالي.

أيضاً يتم تصنيع نظير الهيكل المستوي الهزاز الحر، أي الرقاقة مع أقطاب الاستشعار على رقاقة زجاجية من بيركس، وفي الطبقتين؛ فإنه يتم وضع طبقة (SU-8) على الرقاقة الزجاجية في عملية الترابط (SU-8) على مستوى الرقاقة، حيث أن هذا يخلق فاصل ارتفاع (13) مايكرومتر، وهو ما يعادل مسافة التوازن (d) بين الاستشعار والهيكل الاهتزازي، كما يتم تثبيت الرقائق فوق بعضها البعض وتم تلخيص المعلمات الهندسية لمستشعر (MEMS) في الجدول التالي:

الإعداد التجريبي الخاص باكتشاف المجال المغناطيسي في الدوائر الإلكترونية

للتوصيف؛ فإنه يتم وضع مستشعر (MEMS) في المجال الكهرومغناطيسي للثنائي القطب المرجعي عالي الاستقرار (10−5 T) لـ (CERN)، والموضح في الشكل التالي (3) مع فتحة فعالة من (L = 2.5) م ، (H = 80) مم و (W = 300) مم، حيث أن الهدف هو اختبار دقة مستشعر (MEMS) وإمكانية تطبيقه على قياس المجال المغناطيسي الانتقائي المكون من مكون.

كذلك يتم مراقبة النطاق الميداني الذي يصل إلى (1 T) بشكل مستمر باستخدام مسبار (NMR ، وذلك بنطاق(MetroLAB PT 2025) ويتم تعيينه بشكل دوري، بالإضافة إلى ذلك يتم وضع مسبار هول (FM 302 ،AS-NTM-2) بجوار مسبار الرنين المغناطيسي النووي، مما يتيح قياس مكونات المتجه المختلفة للمجال المغناطيسي.

وفيما يتعلق بتوجيه الجهاز في الشكل التالي (4)، وفيما يتعلق بالمجال المغناطيسي الخارجي لثنائي القطب؛ فإنه سيتم تفضيل عائلتين مختلفتين من أوضاع الاهتزاز، وهما أول متماثل (S1) وأول وضع مضاد للتماثل (AS1).

• مبدأ القياس: يقوم مولد الشكل الموجي القابل للبرمجة بإثارة التيار الجيبي من خلال الرصاص الموجود أعلى الهيكل، مما يسمح بالتحليل الطيفي لتذبذبات الهيكل الميكانيكي في المجال المغناطيسي المحيط بسبب قوة لورنتز، كما تشبه هذه التقنية طريقة السلك الممتد، ولكنها توفر إمكانية قياس التغيرات المكانية للمجال المغناطيسي، ونتيجة لذلك تعتبر روابط التدفق مع مجموعة من أجهزة الاستشعار الدقيقة.

• القراءة بالسعة: في حالة الاستشعار الكهروستاتيكي؛ فإنه يتم ضبط الكابل على جهد متحيز لأعلى لتوفير الكشف السعوي، بحيث يتم تشغيل التيار الجيبي عبر الرصاص بواسطة جهد تيار متردد (uAC)، والذي يتحد مع جهد التيار المستمر لأعلى ويشكل أخيرًا القوة الدافعة للقراءة الكابولية، كما تختلف السعة [C (t)] وفقاً لحركة الكابول، وبصرف النظر عن إمكانية التحكم في السلوك الديناميكي للموزع، ومن خلال جهد التحيز لأعلى؛ ستحدث التوافقيات ذات التردد الكهربائي المزدوج.

كما يتم استخدام نوع متطور من متابعين المصدر، وهو القادر على قياس تغيرات “فيمتو فاراد” في السعة مع وظيفة نقل مسطحة للترددات من (10) هرتز لغاية (1) ميجا هرتز، وأيضاً كمكبر للصوت لاستشعار اهتزازات الكابول، وعلى النقيض من مراحل الانتقال ذات المقاومة المنخفضة التي تقيم التيار خلال [C (t)]، وهو مقاومة المدخلات العالية بحوالي (50 GΩ) بالتوازي مع (1 pF) تضمن قوى دافعة متناسقة منخفضة من خلال القراءة السعوية.

وأخيراً تم فحص تصميم جديد لمقياس مغناطيسي دقيق لقياس كل من المجالات المغناطيسية الثابتة والمتناوبة، كما يتكون الجهاز من ناتئ أحادي البلورة من السيليكون يحمل موصلاً رفيعاً يحمل تياراً متناوباً، بحيث تشكل الأقطاب الكابولية والأغشية المعدنية الرقيقة سعة صفيحة تهتز، كما يمكن قراءة حركات الكابول بسهولة عن طريق الدوائر الإلكترونية، كما يستحضر المجال المغناطيسي الثابت قوة مؤثرة على الموصل تتناوب وفقًا لتردد التيار، حيث إنه موجه عمودياً على اتجاهات كل من المجال والتيار الكهربائي.

أما عندما يكون التيار الكهربائي معروفاً؛ فإن انحرافات الكابول هي مقياس لمكون كثافة التدفق المغناطيسي المقرر، والتي تشير بشكل عمودي على التيار، ومن خلال تغيير تيار القيادة؛ فإنه يمكن تكييف نطاق تشغيل مقياس المغناطيسية لتغطية أكثر من ستة أوامر من حيث الحجم.