微機械磁場傳感器及其應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微機械磁場傳感器及其應(yīng)用，所述微機械磁場傳感器至少包括：諧振振子和依次形成于所述諧振振子表面上的絕緣層及至少一層金屬線圈。本發(fā)明采用S型折疊梁實現(xiàn)彈性梁和錨點的連接，保證了諧振振子諧振時是沿垂直于諧振振子的方向移動，相比于一般的雙端固支梁的組成的方環(huán)形而言，大大提高了諧振梁所圍成面積單位時間內(nèi)的變化量，進而增加了金屬線圈內(nèi)磁通量的變化，進一步增大了磁場的靈敏度。同時，在金屬線圈的絕緣層下添加接地鋁層，可有效避免諧振振子的信號耦合到金屬線圈。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，不需要在金屬線圈上通入電流，降低了器件的功耗；同時通過測量金屬線圈兩端的感應(yīng)電動勢來測量磁場大小，因此受溫度影響小。
【專利說明】
微機械磁場傳感器及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于微機械磁場傳感器設(shè)計與檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種磁場傳感器，特別是涉及一種工作在彎曲模態(tài)下微機械磁場傳感器及其電路結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]通過感應(yīng)地球磁場辨識方向或為艦船導(dǎo)航，特別是在航海、航天、自動化控制、軍事以及消費電子領(lǐng)域，磁場傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。磁場傳感技術(shù)向著小型化、低功耗、高靈敏度、高分辨率以及和電子設(shè)備兼容的方向發(fā)展。根據(jù)工作原理磁場傳感器可以分為:超導(dǎo)量子干涉磁場傳感器、霍爾磁場傳感器、磁通門磁力計、巨磁阻磁場傳感器以及感應(yīng)線圈磁場傳感器。
[0003]超導(dǎo)量子干涉磁場傳感器在所有磁場傳感器中靈敏度最高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價格昂貴且需要工作在低溫環(huán)境下；霍爾磁場傳感器功耗低、尺寸小，可以測量靜態(tài)或者動態(tài)磁場，但其靈敏度低，噪聲水平及靜態(tài)偏移較大；磁通門磁力計用來測量靜態(tài)或者緩慢變化的磁場，分辨率高、功耗小，但體積較大、頻率響應(yīng)較低；巨磁阻磁場傳感器靈敏度高，但是不能測量大的磁場；感應(yīng)線圈磁場傳感器是基于法拉第電磁感應(yīng)定律來探測變化的磁場，它的功耗低，結(jié)構(gòu)簡單(A.L.Herrera-May, L.A.Aguilera-Corts, P.J.Garca-Ramrez and E.Manjarrez, “Resonant magnetic field sensors based on MEMStechnology” , Sensors, vol.9, n0.10, pp.7785-7813，2009.)。
[0004]利用MEMS(Micro Electro Mechanical system,微電子機械系統(tǒng))技術(shù)制作的感應(yīng)線圈磁場傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，與CMOS IC(Complementary Metal OxideSemiconductor Integrated Circuit,互補金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路)工藝相兼容。MEMS磁場傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點。MEMS技術(shù)的發(fā)展，使芯片上的微結(jié)構(gòu)加工成為可能，同時降低了微機電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，這樣促進了磁場傳感器的發(fā)展。
[0005]目前，MEMS結(jié)構(gòu)的磁場傳感器主要工作原理是:通有電流的感應(yīng)線圈受到磁場作用的洛倫茲力后，引起支撐線圈的結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲或者扭轉(zhuǎn)，通過電容檢測或者壓阻檢測、光學(xué)檢測等方法測量出支撐線圈結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形量或者彎曲變形量，就可以檢測出磁場信號的大小。這些器件一般是將感應(yīng)線圈制作在懸臂梁、U型梁或者可以彎曲或扭轉(zhuǎn)的平板上。器件工作時，將器件放置在磁場中，并在感應(yīng)線圈上通入電流。感應(yīng)線圈就會受到洛倫茲力，洛倫茲力會引起懸臂梁、U型梁或者平板的彎曲或者扭轉(zhuǎn)。通過測量懸臂梁、U型梁或者平板彎曲量或者扭轉(zhuǎn)量的大小，就可以檢測出磁場的大小。但是，由于這些器件工作都需要給感應(yīng)線圈通入電流，因而他們的功耗比較大。
[0006]進一步，為了降低功耗和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，MEMS結(jié)構(gòu)的磁場傳感器，還可以采用工作在彎曲模態(tài)下的諧振振子結(jié)構(gòu)上加載金屬線圈來實現(xiàn)。所述諧振振子可以是單根懸臂梁、雙根懸臂梁或是方環(huán)形懸臂梁結(jié)構(gòu)。圖1a至圖1c是工作在彎曲模態(tài)的幾種諧振振子結(jié)構(gòu)的模態(tài)示意圖，其中，虛線表示諧振振子結(jié)構(gòu)在工作(諧振狀態(tài))時外部輪廓的形變趨勢，圖1a為工作在彎曲模態(tài)的方環(huán)形懸臂梁諧振振子結(jié)構(gòu)，圖1b為工作在彎曲模態(tài)的雙梁諧振振子結(jié)構(gòu)，圖1c為工作在彎曲模態(tài)的單梁諧振振子結(jié)構(gòu)。但是該磁傳感器中的懸臂梁工作在彎曲模態(tài)時，彈性梁的中點處諧振位移最大，相對而言靠近錨點的位置彈性梁諧振位移很小，導(dǎo)致彈性梁諧振時單位時間內(nèi)所圍成面積的變化量不大。另外，從檢測電路而言，感應(yīng)線圈濺射在硅襯底上的絕緣層上，采用閉環(huán)電路自激驅(qū)動磁傳感器諧振工作時，硅襯底諧振工作時信號耦合到金屬線圈，金屬線圈混有諧振振子的容性耦合信號，即在沒有磁場的情況下，只要磁傳感器諧振工作，金屬線圈兩端就有信號產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種微機械磁場傳感器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中微機械磁場傳感器的輸出信號無法消除容性耦合信號影響的問題，以及增大磁傳感器靈敏度的問題。
[0008]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種微機械磁場傳感器，所述微機械磁場傳感器至少包括:諧振振子和形成于所述諧振振子表面上的絕緣層、接地鋁層及至少一層金屬線圈；其中，
[0009]所述諧振振子包括:
[0010]具有軸對稱結(jié)構(gòu)的諧振振子結(jié)構(gòu)，包括至少一根彈性梁；
[0011]S型折疊梁，位于每個所述彈性梁的兩端，且所述S型折疊梁的一端與相鄰所述彈性梁的一端相連接；
[0012]主支撐梁，一端與所述S型折疊梁的自由端相連接；
[0013]第一錨點及第二錨點，分別與相鄰的所述主支撐梁的自由端相連接，其中，所述諧振振子結(jié)構(gòu)的第一錨點及第二錨點通過形成在其上的焊盤分別連接輸出端；
[0014]驅(qū)動電極，分別分布于各所述諧振振子結(jié)構(gòu)的相對側(cè)，且與各所述諧振振子結(jié)構(gòu)之間形成有驅(qū)動間隙，所述驅(qū)動電極通過電阻連接至直流電源，且所述驅(qū)動電極通過電容連接至交流電源；
[0015]所述諧振振子結(jié)構(gòu)及所述主支撐梁的上表面形成有絕緣層，同時，所述第一錨點與形成于其上的焊盤之間形成有絕緣層；
[0016]所述接地鋁層形成于所述諧振子結(jié)構(gòu)上的絕緣層上，且所述接地鋁層的上表面形成有絕緣層；
[0017]所述金屬線圈分別形成于所述接地鋁層上的絕緣層上，所述金屬線圈為藉由其對應(yīng)的所述絕緣層的第一錨點為始端順時針環(huán)繞的金屬線圈，其中，所述金屬線圈的始端連接于其對應(yīng)的第一錨點上的焊盤、且所述金屬線圈的末端連接于第二錨點上的焊盤。
[0018]優(yōu)選地，所述諧振振子結(jié)構(gòu)中包括一根彈性梁。
[0019]優(yōu)選地，所述微機械磁場傳感器還包括第一固支結(jié)構(gòu)，所述第一固支結(jié)構(gòu)的一端與靠近所述第一錨點的所述S型折疊梁相連接，另一端與靠近所述第二錨點的所述S型折疊梁相連接；所述第一固支結(jié)構(gòu)上形成有絕緣層，至少一層所述金屬線圈同時形成于所述諧振振子結(jié)構(gòu)及所述第一固支結(jié)構(gòu)上的絕緣層上以形成環(huán)形金屬線圈結(jié)構(gòu)。
[0020]優(yōu)選地，所述諧振振子結(jié)構(gòu)中包括兩根彈性梁。
[0021]優(yōu)選地，所述微機械磁場傳感器還包括第二固支結(jié)構(gòu)，所述第二固支結(jié)構(gòu)適于實現(xiàn)所述兩根彈性梁的耦合。
[0022]優(yōu)選地，所述諧振振子結(jié)構(gòu)中包括四根彈性梁。
[0023]優(yōu)選地，所述驅(qū)動電極為梳齒狀驅(qū)動電極。
[0024]優(yōu)選地，所述金屬線圈為一層。
[0025]優(yōu)選地，所述金屬線圈為至少兩層，各層所述金屬線圈相互串聯(lián)，且各層所述金屬線圈具有相同的繞向，各層金屬線圈之間形成有絕緣層。
[0026]優(yōu)選地，所述金屬線圈串聯(lián)的方式為連續(xù)的第偶數(shù)層和第奇數(shù)層所述金屬線圈的末端相連、以及連續(xù)的第奇數(shù)層和第偶數(shù)層所述金屬線圈的始端相連，且各該相互串聯(lián)的金屬線圈之間除了相連處外具有絕緣層。
[0027]優(yōu)選地，所述金屬線圈為一圈，所述金屬線圈為圓形或矩形。
[0028]優(yōu)選地，所述金屬線圈為至少兩圈，所述金屬線圈為圓形螺旋狀或矩形螺旋狀。
[0029]本發(fā)明還包括一種微機械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)，所述電路結(jié)構(gòu)至少包括:驅(qū)動電路、解調(diào)電路、差分電壓放大器、低通濾波器和上述方案中所述的微機械磁場傳感器。其中，
[0030]所述驅(qū)動電路的電壓包括交流電壓和直流電壓兩個部分，交流電壓通過電容連接到所述微機械磁場傳感器的驅(qū)動電極，直流電壓通過電阻連接到所述微機械磁場傳感器的驅(qū)動電極；所述驅(qū)動電路的實現(xiàn)包括兩種方式:自激閉環(huán)驅(qū)動和開環(huán)強迫驅(qū)動；
[0031]所述差分電壓放大器為雙端輸入、單端輸出結(jié)構(gòu)，所述差分電壓放大器的兩輸入端分別連接所述微機械磁場傳感器的金屬線圈的兩端；
[0032]所述解調(diào)電路可以通過解調(diào)芯片或是自建電路來實現(xiàn)，適于解調(diào)被調(diào)制的所述微機械磁場傳感器的輸出信號；所述解調(diào)電路的輸入端連接所述差分電壓放大器的輸出端；
[0033]所述低通濾波器的輸入端連接所述解調(diào)電路的輸出端，所述低通濾波器的輸出端連接外部的顯示設(shè)備。
[0034]如上所述，本發(fā)明的微機械磁場傳感器，具有以下有益效果:
[0035]I)本發(fā)明采用S型折疊梁實現(xiàn)彈性梁和錨點的連接，保證了諧振振子諧振時是沿垂直于諧振振子的方向移動，相比于一般的雙端固支梁的組成的方環(huán)形而言，大大提高了諧振梁所圍成面積單位時間內(nèi)的變化量，進而增加了金屬線圈內(nèi)磁通量的變化，進一步增大了磁場的靈敏度。
[0036]2)本發(fā)明采用彈性梁作為諧振結(jié)構(gòu)，降低了整個磁傳感器的諧振頻率，使輸出的調(diào)制電壓信號能夠很方便的通過解調(diào)芯片進行解調(diào)。
[0037]3)本發(fā)明采用梳齒狀驅(qū)動電極，梳齒狀電極的作用在于減小空氣阻尼對彈性梁的影響，進一步增大彈性梁的諧振位移。
[0038]4)在結(jié)構(gòu)層的設(shè)計上添加了接地鋁層，在進行輸出電壓信號解調(diào)時，有效的避免了諧振振子信號的串?dāng)_，保證了在沒有磁場信號的前提下，線圈兩端不會由諧振振子的串?dāng)_而產(chǎn)生電壓信號。
[0039]5)本發(fā)明提出的微機械磁場傳感器的諧振振子工作在彎曲模態(tài)，因而金屬線圈上每小段金屬切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢會相互串聯(lián)疊加，增強了輸出信號的強度；本發(fā)明的金屬線圈可以為一層或多層的螺旋狀線圈，有利于進一步增大輸出信號的強度，提高檢測的靈敏度；
[0040]6)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，不需要在金屬線圈上通入電流，降低了器件的功耗；同時通過測量金屬線圈兩端的感應(yīng)電動勢來測量磁場大小，因此受溫度影響??；而且由于本發(fā)明采用了雙層金屬線圈結(jié)構(gòu)，進一步增強了輸出信號的強度，也提高了輸出信號的靈敏度。
【附圖說明】
[0041]圖1a至圖1c顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的工作在幾種諧振振子結(jié)構(gòu)的模態(tài)示意圖，圖1a為工作在彎曲模態(tài)的方環(huán)形懸臂梁諧振振子結(jié)構(gòu)，圖1b為工作在彎曲模態(tài)的雙梁諧振振子結(jié)構(gòu)，圖1c為工作在彎曲模態(tài)的單梁諧振振子結(jié)構(gòu)。
[0042]圖2a顯示為本發(fā)明的微機械磁場傳感器在實施例一中的測試電路示意圖，其中，所述諧振振子結(jié)構(gòu)為彈性梁。
[0043]圖2b顯示為本發(fā)明的微機械磁場傳感器諧振振子的一種相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044]圖2c顯示為本發(fā)明的微機械磁場傳感器在實施例一中各結(jié)構(gòu)層的相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]圖2d顯示為本發(fā)明的微機械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)在實施例一中示意圖。
[0046]圖3a顯示為本發(fā)明的微機械磁場傳感器在實施例二中的測試電路示意圖。
[0047]圖3b顯示為本發(fā)明的微機械磁場傳感器在實施例二中其諧振振子對的相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0048]圖4a顯示為本發(fā)明的微機械磁場傳感器在實施例三中的測試電路示意圖其中。
[0049]圖4b顯示為本發(fā)明的微機械磁場傳感器在實施例三中其諧振振子對的相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0050]元件標(biāo)號說明
[0051]I 第一絕緣層
[0052]2 接地鋁層
[0053]31 諧振振子結(jié)構(gòu)
[0054]32 主支撐梁
[0055]33 第一錨點
[0056]34 S型折疊梁
[0057]35 梳齒驅(qū)動電極
[0058]36 第二錨點
[0059]37 第一固支結(jié)構(gòu)
[0060]38 第二固支結(jié)構(gòu)
[0061]6 第二絕緣層
[0062]7 第一金屬線圈
[0063]8 第三絕緣層
[0064]81 第一通孔
[0065]82 第二通孔
[0066]9 第二金屬線圈
[0067]Vp 直流電源
[0068]Vin交流電源
[0069]Vout電壓輸出端
[0070]R電阻
[0071]C電容
[0072]91驅(qū)動電路
[0073]92差分電壓放大器
[0074]93解調(diào)電路
[0075]94低通濾波器
[0076]95微機械磁場傳感器
【具體實施方式】
[0077]以下由特定的具體實施例說明本發(fā)明的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點及功效。
[0078]請參閱圖2a至圖4b。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實施的限定條件，故不具技術(shù)上的實質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實施的范疇。
[0079]實施例一
[0080]如圖2a至圖2c所示，本發(fā)明提供一種微機械磁場傳感器，所述微機械磁場傳感器至少包括:諧振振子和形成于所述諧振振子表面上的絕緣層、接地鋁層2及至少一層金屬線圈；所述諧振振子包括:諧振振子結(jié)構(gòu)31、主支撐梁32、第一錨點33、第二錨點36、S型折疊梁34和驅(qū)動電極35 ;其中，所述諧振振子結(jié)構(gòu)31包括四個彈性梁。采用彈性梁作為諧振振子結(jié)構(gòu)31，降低了整個磁傳感器的諧振頻率，使輸出的調(diào)制電壓信號能夠很方便的通過解調(diào)芯片進行解調(diào)。
[0081]所述諧振振子結(jié)構(gòu)31為軸對稱結(jié)構(gòu)，所述諧振振子結(jié)構(gòu)31的對稱軸至少包括第一對稱軸和第二對稱軸，且所述的第一對稱軸垂直于第二對稱軸。所述第一對稱軸平行于矩形板的長邊或?qū)掃?，所述第一對稱軸和第二對稱軸還可以分別為所述正方環(huán)形兩條對角線的延長線。所述諧振振子結(jié)構(gòu)31的材料可以為單晶硅、多晶硅、非晶硅或碳化硅。
[0082]所述諧振振子結(jié)構(gòu)31是指鍵合完成后，在硅片上刻出的用于濺射鋁線圈的硅基板，施加驅(qū)動電壓后諧振振子工作在諧振模態(tài)。
[0083]所述主支撐梁32為T型。
[0084]所述S型折疊梁34位于每個所述彈性梁的兩端，且所述S型折疊梁34的一端與相鄰所述彈性梁的一端相連接；所述主支撐梁32的一端與所述S型折疊梁34的自由端相連接；所述第一錨點33及所述第二錨點36與所述主支撐梁32的自由端相連接，其中，所述第一錨點33及所述第二錨點36形成有焊盤，所述諧振振子結(jié)構(gòu)31的所述第一錨點33及所述第二錨點36通過形成在其上的焊盤分別連接電壓輸出端Vciut,即采用差分方式輸出方式測得該感應(yīng)電動勢Vciut進而測量待測磁場大小。采用S型折疊梁34實現(xiàn)所述諧振振子結(jié)構(gòu)31和錨點的連接，保證了諧振振子諧振時是沿垂直于諧振振子的方向移動，相比于一般的雙端固支梁的組成的方環(huán)形而言，大大提高了諧振梁所圍成面積單位時間內(nèi)的變化量，進而增加了金屬線圈內(nèi)磁通量的變化，進一步增大了磁場的靈敏度。
[0085]所述驅(qū)動電極35分別分布于所述諧振振子結(jié)構(gòu)31的相對側(cè)，且與所述諧振振子結(jié)31之間形成有驅(qū)動間隙，所述驅(qū)動電極35通過電阻R連接至直流電源Vp，且所述驅(qū)動電極35通過電容C連接至交流電源Vin，以使所述諧振振子結(jié)構(gòu)31為單端電容激勵驅(qū)動方式(請參閱圖2a)，同時，由于采用了差分方式輸出，則兩個差分輸出信號與輸入驅(qū)動信號之間形成兩個容性耦合信號，又由于這兩個容性耦合信號大小相等，則差分方式輸出會消除輸出信號中的容性I禹合信號。
[0086]優(yōu)選地，本實施例中，如圖2a所示，所述驅(qū)動電極35為位于正方環(huán)形諧振振子結(jié)構(gòu)31的相對側(cè)，并且所述驅(qū)動電極35與諧振振子結(jié)構(gòu)31之間形成有驅(qū)動間隙，驅(qū)動電極35采用梳齒狀，如圖2b所示，所述驅(qū)動電極35為兩對，且每對分別對稱分布于該四根所述諧振振子結(jié)構(gòu)31的相對側(cè)，即每對所述驅(qū)動電極35分別對稱分布于各該四根所述諧振振子結(jié)構(gòu)31的邊相對側(cè)，但并不局限于此。所述梳齒驅(qū)動電極可以為推挽驅(qū)動結(jié)構(gòu)，在每根所述彈性梁的兩側(cè)各有一個正負驅(qū)動電極，同時施加不同極性的電壓，驅(qū)動所述彈性梁工作。采用梳齒狀驅(qū)動電極，梳齒狀電極的作用在于減小空氣阻尼對彈性梁的影響，進一步增大彈性梁的諧振位移。
[0087]所述接地鋁層2形成于所述諧振子結(jié)構(gòu)上的絕緣層上并接地，且所述接地鋁層2的上表面形成有絕緣層。在結(jié)構(gòu)層的設(shè)計上添加了接地鋁層2，在進行輸出電壓信號解調(diào)時，有效的避免了諧振振子信號的串?dāng)_，保證了在沒有磁場信號的前提下，金屬線圈兩端不會由諧振振子的串?dāng)_而產(chǎn)生電壓信號。
[0088]所述金屬線圈可以為一層、兩層或三層及以上的多層。當(dāng)所述金屬線圈為兩層或多層時，各層所述金屬線圈相互串聯(lián)，且各層所述金屬線圈具有相同的繞向，各層金屬線圈之間還形成有絕緣層，其中，所述金屬線圈串聯(lián)的方式為連續(xù)的第偶數(shù)層和第奇數(shù)層所述金屬線圈的末端相連、以及連續(xù)的第奇數(shù)層和第偶數(shù)層所述金屬線圈的始端相連，以保證各層為相同繞向，且各該相互串聯(lián)的金屬線圈之間除了相連處外具有絕緣層。以三層金屬線圈均為順時針環(huán)繞為例進行說明:第一層金屬線圈以第一錨點33為始端順時針環(huán)繞，第二層金屬線圈與第一層金屬線圈的末端相連，且所述第二層金屬線圈以末端順時針環(huán)繞，此時，第一層金屬線圈與第二層金屬線圈的繞向相同，而后，第三層金屬線圈與第二層金屬線圈的始端相連，且第三層金屬線圈以始端開始順時針環(huán)繞，此時，第一層、第二層及第三層的金屬線圈的繞向均相同，第三次層線圈的末端通過主支撐梁32與第二錨點36上的焊盤相連。
[0089]優(yōu)選地,本實施例中，以所述金屬線圈為兩層為例,此時,如圖2c所示,所述絕緣層包括第一絕緣層1、第二絕緣層6及所述第三絕緣層8 ;所述接地鋁層2位于所述第一絕緣層I與所述第二絕緣層6之間。
[0090]所述第一絕緣層I形成于所述諧彈性梁振振子結(jié)構(gòu)31及主支撐梁32和S型折疊梁34的上表面，同時，所述第一錨點33、第二錨點36與形成于其上的焊盤之間形成有所述第一絕緣層I。所述諧振振子結(jié)構(gòu)31、主支撐梁32、S型折疊梁、第一錨點33及第二錨點36形成于同一平面內(nèi)，則所述絕緣層形成于該平面的上表面上。
[0091]所述第一金屬線圈7分別形成于所述接地鋁層2上的第二絕緣層6上，所述第一金屬線圈7為其對應(yīng)的所述第二絕緣層6上沿第一錨點33開始的單匝線圈，需要指出的時是，第一金屬線圈7可以是多匝。其中，諧振振子結(jié)構(gòu)上的第二金屬線圈7為順時針環(huán)繞，第二金屬線圈9也采用順時鐘的繞向方式。由于各層的金屬線圈繞向方式相同，則兩層金屬線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢串聯(lián)。
[0092]所述第三絕緣層8形成于第一金屬線圈7之上，同時，在第一錨點33處形成第一通孔81，第一金屬線圈7始端的焊盤通過第一通孔81與第二金屬線圈層在第一錨點處的焊盤重疊，形成線圈的一端輸出。第三絕緣層8在第一金屬線圈7的另一端形成第二通孔82，第二金屬線圈9的一端通過通孔82與第一金屬線圈7實現(xiàn)串聯(lián)連接。
[0093]所述第二金屬線圈9形成于第三絕緣層8的上表面，第二金屬線圈9末端通過通孔82與第一金屬線圈7末端相連，始端通過所述主支撐梁32形成位于第二錨點36上表面的焊盤，作為線圈感應(yīng)電壓另一端的輸出。
[0094]所述第一金屬線圈7和第二金屬線圈9的材質(zhì)可以為鋁，但并不局限與此，二者的材料可以相同也可以互不相同，但二者為保證良好的電學(xué)連接則二者的材料選自金、銅或招。
[0095]需要說明的是，所述金屬線圈的圈數(shù)為一圈(未封閉)，所述金屬線圈為方形或矩形；所述金屬線圈還可為多圈，所述金屬線圈為方形螺旋狀或矩形螺旋狀，但需要保證位于諧振振子結(jié)構(gòu)的形狀與位于其上的金屬線圈的形狀保持一致。
[0096]具體地，如圖2a所示，在本實施例一中，所述金屬線圈為兩層、分別形成于所述絕緣層6、8上的正方形螺旋狀金屬線圈7和9。
[0097]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明的微機械磁場傳感器的實施方式，以下將詳細說明本發(fā)明的微機械磁場傳感器的具體工作步驟及工作原理。
[0098]本發(fā)明的工作原理如下:
[0099]本發(fā)明提出的微機械磁場傳感器在形成諧振振子結(jié)構(gòu)上加載金屬線圈來實現(xiàn)。本發(fā)明利用單端電容激勵驅(qū)動諧振振子結(jié)構(gòu)進入諧振狀態(tài)，當(dāng)傳感器位于被測磁場中時，諧振振子振動會帶動金屬線圈運動，金屬線圈切割磁感線，在金屬線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，采用差分方式輸出方式測量金屬線圈兩端的感應(yīng)電動勢進而測量被測磁場的大小。
[0100]本發(fā)明的工作步驟為:
[0101]a)將所述微機械磁場傳感器置于被測磁場中；
[0102]b)在微機械磁場傳感器的驅(qū)動電極35上同時施加由直流電源Vp和交流電源V ιη提供的相疊加的驅(qū)動信號，以使諧振振子結(jié)構(gòu)為單端電容激勵驅(qū)動方式；
[0103]c)當(dāng)施加的交流信號的頻率等于微機械磁場傳感器自身的諧振頻率時，微機械磁場傳感器就處于諧振工作狀態(tài)，諧振振子振動帶動位于其上的金屬線圈運動，金屬線圈切割磁感線，此時，測量金屬線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢從而得出被測磁場的大小。
[0104]本發(fā)明還提供一種微機械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)，在本實例一中，如圖2d所示，所述電路結(jié)構(gòu)至少包括:驅(qū)動電路91、解調(diào)電路93、差分電壓放大器92、低通濾波器94和微機械磁場傳感器95。其中，
[0105]所述微機械磁場傳感器95為本實施例中所述的微機械磁場傳感器,具體可參考本實施例中相關(guān)所述內(nèi)容，這里不再累述。
[0106]所述驅(qū)動電路91的電壓包括交流電壓和直流電壓兩個部分，交流電壓通過電容連接到所述微機械磁場傳感器95的驅(qū)動電極，直流電壓通過電阻連接到所述微機械磁場傳感器95的驅(qū)動電極；所述驅(qū)動電路91的實現(xiàn)包括兩種方式:自激閉環(huán)驅(qū)動和開環(huán)強迫驅(qū)動；優(yōu)選地，本實施例中，所述驅(qū)動電路91采用自激閉環(huán)驅(qū)動；
[0107]所述差分電壓放大器92為雙端輸入、單端輸出結(jié)構(gòu)，所述差分電壓放大器92的兩輸入端分別連接所述微機械磁場傳感器95的金屬線圈的兩端；
[0108]所述解調(diào)電路93可以通過解調(diào)芯片或是自建電路來實現(xiàn)，適于解調(diào)被調(diào)制的所述微機械磁場傳感器95的輸出信號；所述解調(diào)電路93的輸入端連接所述差分電壓放大器92的輸出端；
[0109]所述低通濾波器94的輸入端連接所述解調(diào)電路93的輸出端，所述低通濾波器94的輸出端連接外部的顯示設(shè)備(未示出)。
[0110]與傳統(tǒng)的微機械磁場傳感器相比，本發(fā)明的微機械磁場傳感器具有以下有益效果:
[0111]I)本發(fā)明采用S型折疊梁實現(xiàn)彈性梁和錨點的連接，保證了諧振振子諧振時是沿垂直于諧振振子的方向移動，相比于一般的雙端固支梁的組成的方環(huán)形而言，大大提高了諧振梁所圍成面積單位時間內(nèi)的變化量，進而增加了金屬線圈內(nèi)磁通量的變化，進一步增大了磁場的靈敏度。
[0112]2)本發(fā)明采用彈性梁作為諧振結(jié)構(gòu)，降低了整個磁傳感器的諧振頻率，使輸出的調(diào)制電壓信號能夠很方便的通過解調(diào)芯片進行解調(diào)。
[0113]3)本發(fā)明采用梳齒狀驅(qū)動電極，梳齒狀電極的作用在于減小空氣阻尼對彈性梁的影響，進一步增大彈性梁的諧振位移。
[0114]4)在結(jié)構(gòu)層的設(shè)計上添加了接地鋁層，在進行輸出電壓信號解調(diào)時，有效的避免了諧振振子信號的串?dāng)_，保證了在沒有磁場信號的前提下，線圈兩端不會由諧振振子的串?dāng)_而產(chǎn)生電壓信號。
[0115]5)本發(fā)明提出的微機械磁場傳感器的諧振振子工作在彎曲模態(tài)，因而金屬線圈上每小段金屬切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢會相互串聯(lián)疊加，增強了輸出信號的強度；本發(fā)明的金屬線圈可以為一層或多層的螺旋狀線圈，有利于進一步增大輸出信號的強度，提高檢測的靈敏度；
[0116]6)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，不需要在金屬線圈上通入電流，降低了器件的功耗；同時通過測量金屬線圈兩端的感應(yīng)電動勢來測量磁場大小，因此受溫度影響小；而且由于本發(fā)明采用了雙層金屬線圈結(jié)構(gòu)，進一步增強了輸出信號的強度，也提高了輸出信號的靈敏度。
[0117]實施例二
[0118]請參閱圖3a和圖3b,本實施例還提供一種微機械磁場傳感器,本實施例與實施例一的技術(shù)方案基本相同，不同之處主要在于:實施例一中所述諧振振子結(jié)構(gòu)為四根彈性梁及四個驅(qū)動電極，而本實施例中，所述諧振振子結(jié)構(gòu)為兩根彈性梁及兩個驅(qū)動電極；且本實施例相較于實施例一增設(shè)了第二固支結(jié)構(gòu)38。所述微機械磁場傳感器(結(jié)構(gòu)、制作方法、工作原理及有益效果)的其余相同之處請參閱實施例一的相關(guān)描述，在此不再一一贅述。
[0119]所述諧振振子結(jié)構(gòu)31為碳化硅，其第一對稱軸平行于第一驅(qū)動電極的長邊或?qū)掃?。在本實施例中，如圖3b所示，所述第一對稱軸平行于第一驅(qū)動電極的長邊，即輸出電壓由所述S型折疊梁34的兩端引出。所述第二固支結(jié)構(gòu)38適于實現(xiàn)所述兩根彈性梁的耦合。
[0120]所述驅(qū)動電極35分別分布于各該諧振振子結(jié)構(gòu)31的相對側(cè)，并且所述驅(qū)動電極35與諧振振子結(jié)構(gòu)31形成有驅(qū)動間隙，在本實施例中，如圖3b所示，所述驅(qū)動電極為兩個，且對稱分布于各該矩形板諧振振子結(jié)構(gòu)31的第一對稱軸的兩側(cè)，即所述驅(qū)動電極35分布于諧振振子結(jié)構(gòu)31的長邊相對側(cè)。
[0121]所述第一絕緣層I形成于所述諧振振子結(jié)構(gòu)31、主支撐梁32、S型折疊梁34及第二固支結(jié)構(gòu)38的上表面，同時，所述第一錨點33與形成于其上的焊盤之間形成有所述第一絕緣層I。優(yōu)選地，所述諧振振子結(jié)構(gòu)31、主支撐梁32、S型折疊梁、第一錨點33、第二錨點36及所述第二固支結(jié)構(gòu)38形成于同一平面內(nèi)，則所述第一絕緣層I形成于該平面的上表面上。
[0122]所述金屬線圈7的相關(guān)描述請參閱實施例一，不同之處在于，所述金屬線圈7的形狀為矩形螺旋狀，如圖3a所示。
[0123]本實施例二的微機械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)(未圖示)與實施例一基本相同，區(qū)別僅在于本實施例二與實施例一的微機械磁場傳感器的結(jié)構(gòu)不相同，其余相同之處請參閱實施例一中的相關(guān)描述。
[0124]實施例三
[0125]請參閱圖4a和圖4b,本實施例還提供一種微機械磁場傳感器,本實施例與實施例一的技術(shù)方案基本相同，不同之處主要在于:實施例一中所述諧振振子結(jié)構(gòu)為四根彈性梁及四個驅(qū)動電極，而本實施例中，所述諧振振子結(jié)構(gòu)為單根彈性梁及單個驅(qū)動電極；且本實施例相較于實施例一增設(shè)了第一固支結(jié)構(gòu)37。所述微機械磁場傳感器(結(jié)構(gòu)、制作方法、工作原理及有益效果)其余的相同之處請參閱實施例一的相關(guān)描述，在此不再一一贅述。
[0126]所述第一固支結(jié)構(gòu)37的一端與靠近所述第一錨點33的所述S型折疊梁34相連接，另一端與靠近所述第二錨點36的所述S型折疊梁36相連接；所述第一固支結(jié)構(gòu)37上形成有絕緣層，至少一層所述金屬線圈同時形成于所述諧振振子結(jié)構(gòu)31及所述第一固支結(jié)構(gòu)37上的絕緣層上以形成環(huán)形金屬線圈結(jié)構(gòu)。
[0127]所述第一絕緣層I形成于所述諧振振子結(jié)構(gòu)31、主支撐梁32、S型折疊梁34及第一固支結(jié)構(gòu)37的上表面，同時，所述第一錨點33與形成于其上的焊盤之間形成有所述第一絕緣層I。優(yōu)選地，所述諧振振子結(jié)構(gòu)31、及第一錨點33形成于同一平面內(nèi)，則所述第一絕緣層I形成于該平面的上表面上。
[0128]所述金屬線圈7的相關(guān)描述請參閱實施例一，不同之處在于，所述第一金屬線圈始端連接到第一錨點33結(jié)構(gòu)上的焊盤輸出電壓，經(jīng)過所述第一固支結(jié)構(gòu)37，末端通過第二通孔82連接到第二金屬線圈。
[0129]本實施例三的微機械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)(未圖示)與實施例一基本相同，區(qū)別僅在于本實施例三與實施例一的微機械磁場傳感器的結(jié)構(gòu)不相同，其余相同之處請參閱實施例一中的相關(guān)描述。
[0130]綜上所述，與傳統(tǒng)的微機械磁場傳感器相比，本發(fā)明的微機械磁場傳感器具有以下有益效果:
[0131]I)本發(fā)明采用S型折疊梁實現(xiàn)彈性梁和錨點的連接，保證了諧振振子諧振時是沿垂直于諧振振子的方向移動，相比于一般的雙端固支梁的組成的方環(huán)形而言，大大提高了諧振梁所圍成面積單位時間內(nèi)的變化量，進而增加了金屬線圈內(nèi)磁通量的變化，進一步增大了磁場的靈敏度。
[0132]2)本發(fā)明采用彈性梁作為諧振結(jié)構(gòu)，降低了整個磁傳感器的諧振頻率，使輸出的調(diào)制電壓信號能夠很方便的通過解調(diào)芯片進行解調(diào)。
[0133]3)本發(fā)明采用梳齒狀驅(qū)動電極，梳齒狀電極的作用在于減小空氣阻尼對彈性梁的影響，進一步增大彈性梁的諧振位移。
[0134]4)在結(jié)構(gòu)層的設(shè)計上添加了接地鋁層，在進行輸出電壓信號解調(diào)時，有效的避免了諧振振子信號的串?dāng)_，保證了在沒有磁場信號的前提下，線圈兩端不會由諧振振子的串?dāng)_而產(chǎn)生電壓信號。
[0135]5)本發(fā)明提出的微機械磁場傳感器的諧振振子工作在彎曲模態(tài)，因而金屬線圈上每小段金屬切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢會相互串聯(lián)疊加，增強了輸出信號的強度；本發(fā)明的金屬線圈可以為一層或多層的螺旋狀線圈，有利于進一步增大輸出信號的強度，提高檢測的靈敏度；
[0136]6)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，不需要在金屬線圈上通入電流，降低了器件的功耗；同時通過測量金屬線圈兩端的感應(yīng)電動勢來測量磁場大小，因此受溫度影響?。欢矣捎诒景l(fā)明采用了雙層金屬線圈結(jié)構(gòu)，進一步增強了輸出信號的強度，也提高了輸出信號的靈敏度。
[0137]所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0138]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項】
1.一種微機械磁場傳感器,其特征在于,所述微機械磁場傳感器至少包括:諧振振子和形成于所述諧振振子表面上的絕緣層、接地鋁層及至少一層金屬線圈；其中， 所述諧振振子包括: 具有軸對稱結(jié)構(gòu)的諧振振子結(jié)構(gòu)，包括至少一根彈性梁； S型折疊梁，位于每個所述彈性梁的兩端，且所述S型折疊梁的一端與相鄰所述彈性梁的一端相連接； 主支撐梁，一端與所述S型折疊梁的自由端相連接； 第一錨點及第二錨點，分別與相鄰的所述主支撐梁的自由端相連接，其中，所述諧振振子結(jié)構(gòu)的第一錨點及第二錨點通過形成在其上的焊盤分別連接輸出端； 驅(qū)動電極，分別分布于各所述諧振振子結(jié)構(gòu)的相對側(cè)，且與各所述諧振振子結(jié)構(gòu)之間形成有驅(qū)動間隙，所述驅(qū)動電極通過電阻連接至直流電源，且所述驅(qū)動電極通過電容連接至交流電源； 所述諧振振子結(jié)構(gòu)及所述主支撐梁的上表面形成有絕緣層，同時，所述第一錨點與形成于其上的焊盤之間形成有絕緣層； 所述接地鋁層形成于所述諧振子結(jié)構(gòu)上的絕緣層上，且所述接地鋁層的上表面形成有絕緣層； 所述金屬線圈分別形成于所述接地鋁層上的絕緣層上，所述金屬線圈為藉由其對應(yīng)的所述絕緣層的第一錨點為始端順時針環(huán)繞的金屬線圈，其中，所述金屬線圈的始端連接于其對應(yīng)的第一錨點上的焊盤、且所述金屬線圈的末端連接于第二錨點上的焊盤。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械磁場傳感器，其特征在于:所述諧振振子結(jié)構(gòu)中包括一根彈性梁。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微機械磁場傳感器，其特征在于:所述微機械磁場傳感器還包括第一固支結(jié)構(gòu)，所述第一固支結(jié)構(gòu)的一端與靠近所述第一錨點的所述S型折疊梁相連接，另一端與靠近所述第二錨點的所述S型折疊梁相連接；所述第一固支結(jié)構(gòu)上形成有絕緣層，至少一層所述金屬線圈同時形成于所述諧振振子結(jié)構(gòu)及所述第一固支結(jié)構(gòu)上的絕緣層上以形成環(huán)形金屬線圈結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械磁場傳感器，其特征在于:所述諧振振子結(jié)構(gòu)中包括兩根彈性梁。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微機械磁場傳感器，其特征在于:所述微機械磁場傳感器還包括第二固支結(jié)構(gòu)，所述第二固支結(jié)構(gòu)適于實現(xiàn)所述兩根彈性梁的耦合。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械磁場傳感器，其特征在于:所述諧振振子結(jié)構(gòu)中包括四根彈性梁。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械磁場傳感器，其特征在于:所述驅(qū)動電極為梳齒狀驅(qū)動電極。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械磁場傳感器，其特征在于:所述金屬線圈為一層。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械磁場傳感器，其特征在于:所述金屬線圈為至少兩層，各層所述金屬線圈相互串聯(lián)，且各層所述金屬線圈具有相同的繞向，各層金屬線圈之間形成有絕緣層。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微機械磁場傳感器，其特征在于:所述金屬線圈串聯(lián)的方式為連續(xù)的第偶數(shù)層和第奇數(shù)層所述金屬線圈的末端相連、以及連續(xù)的第奇數(shù)層和第偶數(shù)層所述金屬線圈的始端相連，且各該相互串聯(lián)的金屬線圈之間除了相連處外具有絕緣層。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械磁場傳感器，其特征在于:所述金屬線圈為一圈，所述金屬線圈為圓形或矩形。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械磁場傳感器，其特征在于:所述金屬線圈為至少兩圈，所述金屬線圈為圓形螺旋狀或矩形螺旋狀。13.—種微機械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電路結(jié)構(gòu)至少包括:驅(qū)動電路、解調(diào)電路、差分電壓放大器、低通濾波器和如權(quán)利要求1至13中任一項所述的微機械磁場傳感器。其中， 所述驅(qū)動電路的電壓包括交流電壓和直流電壓兩個部分，交流電壓通過電容連接到所述微機械磁場傳感器的驅(qū)動電極，直流電壓通過電阻連接到所述微機械磁場傳感器的驅(qū)動電極；所述驅(qū)動電路的實現(xiàn)包括兩種方式:自激閉環(huán)驅(qū)動和開環(huán)強迫驅(qū)動； 所述差分電壓放大器為雙端輸入、單端輸出結(jié)構(gòu)，所述差分電壓放大器的兩輸入端分別連接所述微機械磁場傳感器的金屬線圈的兩端； 所述解調(diào)電路可以通過解調(diào)芯片或是自建電路來實現(xiàn)，適于解調(diào)被調(diào)制的所述微機械磁場傳感器的輸出信號；所述解調(diào)電路的輸入端連接所述差分電壓放大器的輸出端； 所述低通濾波器的輸入端連接所述解調(diào)電路的輸出端，所述低通濾波器的輸出端連接外部的顯示設(shè)備。
【文檔編號】B81B3/00GK105988090SQ201510051986
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月30日
【發(fā)明人】熊斌, 徐華英, 徐德輝, 馬穎蕾, 王躍林
【申請人】中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所