專利名稱：微機(jī)械磁場傳感器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)械磁場傳感器設(shè)計(jì)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擴(kuò)張模態(tài)下微機(jī)械磁場傳感器及其電路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
通過感應(yīng)地球磁場辨識方向或?yàn)榕灤瑢?dǎo)航，特別是在航海、航天、自動化控制、軍事以及消費(fèi)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(jì)、巨磁阻磁場傳感器以及感應(yīng)線圈磁場傳感器。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(jì)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, no. 10, pp. 7785-7813，2009·)。利用MEMS (Micro Electro Mechanical system,微電子機(jī)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(bǔ)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(qiáng)大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。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(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，這樣促進(jìn)了磁場傳感器的發(fā)展。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；另外這些器件一般工作在彎曲模態(tài)或者扭轉(zhuǎn)模態(tài)，因而它們工作的諧振頻率較低。進(jìn)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，還可以采用工作在擴(kuò)張模態(tài)(為體模態(tài)的一種情況)下的諧振振子結(jié)構(gòu)上加載金屬線圈來實(shí)現(xiàn)。所述諧振振子可以是方形板、圓環(huán)板或者圓形板結(jié)構(gòu)。圖Ia至圖Ic是工作在體模態(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Ia為工作在Square Extensional (SE)模態(tài)的方形板諧振振子結(jié)構(gòu)，圖Ib為工作在RadialExtensional (RE)模態(tài)的圓形板諧振振子結(jié)構(gòu)，圖Ic為工作在Radial Extensional (RE)模態(tài)的圓環(huán)板諧振振子結(jié)構(gòu)。但是該磁場傳感器中的微機(jī)械磁場傳感器是靜電驅(qū)動的器件，由于輸入信號與輸出端口之間存在寄生電容，因此測量的輸出信號中包含有由容性耦合引起的容性耦合信號?，F(xiàn)有技術(shù)中，一般通過減小輸入信號與輸出端口之間寄生電容，從而減小容性耦合的影響。然而，這種方法只能減小容性耦合信號，并不能完全消除它，換言之，在輸出信號中仍然存在容性耦合信號，無法得到單純的磁場輸出信號。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種微機(jī)械磁場傳感器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中微機(jī)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。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種微機(jī)械磁場傳感器，所述微機(jī) 械磁場傳感器至少包括諧振振子對和依次形成于其表面上的絕緣層及金屬線圈；其中，所述諧振振子對包括兩個具有軸對稱結(jié)構(gòu)的諧振振子結(jié)構(gòu)，各該諧振振子結(jié)構(gòu)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；主支撐梁，位于所述第一對稱軸上，兩個諧振振子結(jié)構(gòu)通過各自的主支撐梁相互耦合連接；第一錨點(diǎn)，與所述主支撐梁的自由端相連接，其中，二諧振振子結(jié)構(gòu)的第一錨點(diǎn)通過形成在其上的焊盤分別連接輸出端或一個第一錨點(diǎn)接輸出端且另一個第一錨點(diǎn)接地；驅(qū)動電極，分別分布于各該諧振振子結(jié)構(gòu)的相對側(cè)，且與各該諧振振子結(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，其中，各該諧振振子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電極分別連接至相位相反幅值相等的交流電源；所述絕緣層形成于所述諧振振子對的諧振振子結(jié)構(gòu)及主支撐梁的上表面，同時，所述第一錨點(diǎn)與形成于其上的焊盤之間形成有絕緣層；所述金屬線圈分別形成于各該諧振振子結(jié)構(gòu)上的絕緣層上，所述金屬線圈為藉由其對應(yīng)的所述絕緣層中心為始端由內(nèi)向外環(huán)繞的金屬線圈，其中，二諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬線圈為同向環(huán)繞；各該金屬線圈的始端通過第一連接橋連接于其對應(yīng)的第一錨點(diǎn)上的焊盤、且各該金屬線圈的末端通過第二連接橋相互連接于耦合連接的主支撐梁上的第一絕緣層上，或者各該金屬線圈的末端通過第二連接橋連接于其對應(yīng)的第一錨點(diǎn)上的焊盤、且各該金屬線圈的始端通過第一連接橋相互連接于耦合連接的主支撐梁上的第一絕緣層上；各該第一連接橋與位于其下的各該金屬線圈之間形成有絕緣層。可選的，所述諧振振子對還包括一端連接于相互耦合連接的所述主支撐梁上的第一耦合梁、及連接于所述第一耦合梁另一端的第二錨點(diǎn)，其中，所述第二錨點(diǎn)通過形成在其上的焊盤接地，所述第一耦合梁上表面、及所述第二錨點(diǎn)與形成于其上的焊盤之間形成有絕緣層。
可選的，各該金屬線圈的末端通過第二連接橋經(jīng)過相互耦合連接的主支撐梁及第一耦合梁上的第一絕緣層連接于所述第二錨點(diǎn)上的焊盤；或者各該金屬線圈的始端通過第一連接橋經(jīng)過相互耦合連接的主支撐梁及第一耦合梁上的第一絕緣層連接于所述第二錨點(diǎn)上的焊盤。
可選的，所述諧振振子結(jié)構(gòu)為矩形板、圓形板或圓環(huán)形板。
可選的，所述第一耦合梁為直拉梁或彎曲折疊梁。
可選的，所述諧振振子對還包括第二耦合梁，所述第二耦合梁也連接于所述位于第一對稱軸上且相互連接的主支撐梁上，且所述第二耦合梁連接有第三錨點(diǎn)；其中，所述第二耦合梁與所述第一耦合梁分別分布于所述第一對稱軸兩側(cè)。
可選的，所述第二耦合梁為直拉梁或彎曲折疊梁。
可選的，所述諧振振子結(jié)構(gòu)為矩形板時，所述第一對稱軸平行于矩形板的長邊或?qū)掃叀?br> 可選的，所述諧振振子結(jié)構(gòu)為正方形板時，所述第一對稱軸和第二對稱軸分別為正方形板兩對角線的延長線。
可選的，所述諧振振子對還包括位于所述第二對稱軸上且一端連接于所述諧振振子結(jié)構(gòu)的旁支撐梁、以及連接于所述旁支撐梁另一端的第四錨點(diǎn)。
可選的，所述金屬線圈為多層，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。
可選的，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。
可選的，所述金屬線圈與位于其下的絕緣層之間形成有支撐所述金屬線圈懸空于所述絕緣層之上的金屬支撐柱。
可選的,所述金屬線圈為一圈,所述金屬線圈為圓形或矩形。
可選的，所述金屬線圈為多圈，所述金屬線圈為圓形螺旋狀或矩形螺旋狀。
本發(fā)明還提供一種微機(jī)械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu),所述電路結(jié)構(gòu)至少包括鎖相環(huán)電路、差分運(yùn)算放大器、所述的微機(jī)械磁場傳感器、電壓放大器及電壓跟隨器，其中，所述鎖相環(huán)電路包括壓控振蕩器、鑒相器和低通濾波器；
用于產(chǎn)生與所述微機(jī)械磁場傳感器諧振頻率相同的交流信號的所述壓控振蕩器的輸出端，分別連接所述差分運(yùn)算放大器的輸入端及所述鑒相器的一個輸入端，其中，所述壓控振蕩器輸出的交流信號作為所述鑒相器的基準(zhǔn)信號；
用于將所述壓控振蕩器輸出的交流信號轉(zhuǎn)化為差分電壓信號的所述差分運(yùn)算放大器的輸出端，連接所述微機(jī)械磁場傳感器的交流電源輸入端，所述微機(jī)械磁場傳感器的直流電源輸入端還連接有一直流電壓；
用于產(chǎn)生感生電壓的所述微機(jī)械磁場傳感器的輸出端連接所述電壓放大器的輸入端;
用于將所述感生電壓放大的所述電壓放大器的輸出端連接所述鑒相器的另一個輸入端，其中，所述電壓放大器輸出的經(jīng)放大的感生電壓信號作為測量信號；
用于鑒別所述測量信號與基準(zhǔn)信號之間相位差的所述鑒相器的輸出端連接所述低通濾波器的輸入端；
用于濾除所述鑒相器輸出信號中交流部分的所述低通濾波器的輸出端連接所述壓控振蕩器的控制端及所述電壓跟隨器的輸入端，其中，所述低通濾波器輸出的直流信號作為所述壓控振蕩器的控制電壓信號，用于保證整個鎖相環(huán)電路處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；
所述電壓跟隨器的輸出端連接外部測量設(shè)備，其中，所述電壓跟隨器輸出的直流電壓信號的大小表征所述微機(jī)械磁場傳感器待測磁場的大小。
可選的，當(dāng)二諧振振子結(jié)構(gòu)的第一錨點(diǎn)通過形成在其上的焊盤分別連接輸出端時，所述電壓放大器為具有兩個輸入端的差分電壓放大器；當(dāng)二諧振振子結(jié)構(gòu)的一個第一錨點(diǎn)接輸出端且另一個第一錨點(diǎn)接地時，所述電壓放大器為具有一個輸入端的常規(guī)電壓放大器。
如上所述，本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器，具有以下有益效果
I)本發(fā)明采用耦合梁將兩個諧振振子結(jié)構(gòu)耦合起來形成諧振振子對，利用差分電容激勵和電磁感應(yīng)來測量磁場大小，其中，兩個諧振振子結(jié)構(gòu)工作在反相位模式，各該諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬線圈環(huán)繞方向相同，兩個諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相互串聯(lián)；由于驅(qū)動信號是差分信號，則兩個差分驅(qū)動信號分別與輸出信號之間形成兩個反相位的容性耦合信號，又由于這兩個容性耦合信號大小相等，符號相反 ，因此它們在測得感應(yīng)電動勢的電壓輸出端會相互抵消，從而消除了輸出信號中的容性耦合信號，以獲得單純的磁場輸出信號，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)械磁場傳感器的單純的磁場輸出信號檢測；
2)本發(fā)明利用耦合結(jié)構(gòu)將兩個諧振振子結(jié)構(gòu)耦合起來，由于耦合結(jié)構(gòu)使兩個諧振振子結(jié)構(gòu)連接為一體運(yùn)動，從而保證了整個微機(jī)械磁場傳感器具有單一的諧振頻率；
3)本發(fā)明提出的微機(jī)械磁場傳感器的諧振振子工作在擴(kuò)張模態(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(qiáng)了輸出信號的強(qiáng)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(jìn)一步增大輸出信號的強(qiáng)度，提高檢測的靈敏度；
4)本發(fā)明還可以通過金屬支撐柱使金屬線圈懸于所述諧振振子之上，從而減小在高頻情況下諧振振子結(jié)構(gòu)與金屬線圈之間信號相互串?dāng)_的問題；
5)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)明采用了兩個諧振振子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了輸出信號的強(qiáng)度，也提高了輸出信號的靈敏度。


圖Ia至圖Ic顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的工作在體模態(tài)的幾種諧振振子結(jié)構(gòu)的模態(tài)示意圖，其中，圖Ia為工作在Square Extensional (SE)模態(tài)的方形板諧振振子結(jié)構(gòu)，圖Ib 為工作在Radial Extensional (RE)模態(tài)的圓形板諧振振子結(jié)構(gòu)，圖Ic為工作在Radial Extensional (RE)模態(tài)的圓環(huán)板諧振振子結(jié)構(gòu)。
圖2a顯示為本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器在實(shí)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SE模態(tài)正方形板。
圖2b顯示為本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器的一種的測試電路示意圖，其中，所述諧振振子結(jié)構(gòu)為SE模態(tài)正方形板。
圖2c顯示為本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器諧振振子對的一種相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2d顯示為本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器在實(shí)施例一中其諧振振子對的相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2e顯示為本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)在實(shí)施例一中示意圖。
圖3a顯示為本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器在實(shí)施例二中的測試電路示意圖，其中， 所述諧振振子結(jié)構(gòu)為Width Extensional (WE)模態(tài)矩形板。
圖3b顯示為本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器的一種測試電路示意圖，其中，所述諧振振子結(jié)構(gòu)為WE模態(tài)矩形板。
圖3c顯示為本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器在實(shí)施例二中其諧振振子對的相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3d顯示為本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)在實(shí)施例二中示意圖。
圖4a顯示為本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器在實(shí)施例三中的測試電路示意圖其中， 所述諧振振子結(jié)構(gòu)為RE模態(tài)圓形板。
圖4b顯示為本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器在實(shí)施例三中其諧振振子對的相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
元件標(biāo)號說明
I諧振振子結(jié)構(gòu)
21主支撐梁
22旁支撐梁
31第一耦合梁
32第二耦合梁
41第一錨點(diǎn)
42第二錨點(diǎn)
43第三錨點(diǎn)
44第四錨點(diǎn)
5驅(qū)動電極
6絕緣層
7金屬線圈
81第一連接橋
82第二連接橋
Vp直流電源
Vin交流電源
Vout電壓輸出端
R 電阻
C 電容
91壓控振蕩器
92差分運(yùn)算放大器
93微機(jī)械磁場傳感器
94電壓放大器
95鑒相器
96低通濾波器
97電壓跟隨器具體實(shí)施方式
以下由特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)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(diǎn)及功效。
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(shí)施的限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)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(dá)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(shí)施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。
實(shí)施例一
如圖2a至2d所示，本發(fā)明提供一種微機(jī)械磁場傳感器，所述微機(jī)械磁場傳感器至少包括諧振振子對和依次形成于其表面上的絕緣層6及金屬線圈7，其中，所述諧振振子對包括諧振振子結(jié)構(gòu)I、主支撐梁21、第一錨點(diǎn)41和驅(qū)動電極5。在本實(shí)施例一中，所述諧振振子對還包括第一耦合梁31及第二錨點(diǎn)42。
所述諧振振子結(jié)構(gòu)I為兩個且均為軸對稱結(jié)構(gòu)，各該諧振振子結(jié)構(gòu)I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。所述諧振振子結(jié)構(gòu)I的材料為單晶硅、多晶硅、非晶硅或碳化硅。
需要說明的是，所述諧振振子結(jié)構(gòu)I為矩形板、圓形板或圓環(huán)形板。當(dāng)所述諧振振子結(jié)構(gòu)I為矩形板時，所述第一對稱軸平行于矩形板的長邊或?qū)掃?，?yōu)選地，所述諧振振子結(jié)構(gòu)I為正方形板；進(jìn)一步，所述諧振振子結(jié)構(gòu)I為正方形板時，所述第一對稱軸和第二對稱軸還可以分別為所述正方形板兩條對角線的延長線
具體地，在本實(shí)施例一中，如圖2d所示，兩個所述諧振振子結(jié)構(gòu)I為單晶硅正方形板，正方形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的第一對稱軸和第二對稱軸分別為正方形板兩對角線的延長線，即主支撐梁21連接于正方形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的角部，圖2d中各該諧振振子結(jié)構(gòu)I的虛線表示各該諧振振子結(jié)構(gòu)I在工作(諧振狀態(tài))時外部輪廓的形變趨勢。
所述主支撐梁21位于所述第一對稱軸上，且兩個所述諧振振子結(jié)構(gòu)I通過各自的主支撐梁21相互耦合連接。具體地，在本實(shí)施例一中，所述主支撐梁21為兩個，各該單晶硅正方形板諧振振子結(jié)構(gòu)I通過各自的一個主支撐梁21相互耦合連接。
需要說明的是，本實(shí)施例一中，所述諧振振子對還包括第一耦合梁31和第二錨點(diǎn) 42，但并不局限與此，在另一實(shí)施例中，所述諧振振子對可以不包括所述第一耦合梁31和第二錨點(diǎn)42 (請參閱圖2c)。其中，所述第一耦合梁31的一端連接于相互連接的所述主支撐梁21上，其中，所述第一耦合梁31為直拉梁或彎曲折疊梁。具體地，在本實(shí)施例一中，如圖2d所示，所述第一耦合梁31為彎曲折疊梁。
所述第二錨點(diǎn)42連接于所述第一耦合梁31的另一端，其中，所述第二錨點(diǎn)42形10成有焊盤(如圖2a中第一錨點(diǎn)上填充有交叉網(wǎng)格處所示)，且所述第二錨點(diǎn)42通過所述的焊盤接地。
所述第一錨點(diǎn)41與所述主支撐梁21的自由端相連接，其中，所述第一錨點(diǎn)41形成有焊盤(如圖2a中第二錨點(diǎn)上填充有交叉網(wǎng)格處所示)，二諧振振子結(jié)構(gòu)I的第一錨點(diǎn)41 通過形成在其上的焊盤分別連接電壓輸出端Vtjut或一個第一錨點(diǎn)接電壓輸出端Vtjut且另一個第一錨點(diǎn)接地，從而通過測得該感應(yīng)電動勢Vtjut來測量待測磁場大小。具體地，在本實(shí)施例一中，如圖2a所示，所述二諧振振子結(jié)構(gòu)I的第一錨點(diǎn)41通過形成在其上的焊盤分別連接電壓輸出端Vrat,但并不局限于此,在另一實(shí)施例中，所述一個諧振振子結(jié)構(gòu)I的第一錨點(diǎn)41接電壓輸出端Vtjut且另一個諧振振子結(jié)構(gòu)I的第一錨點(diǎn)41接地，如圖2b所示。
所述驅(qū)動電極5分別分布于各該諧振振子結(jié)構(gòu)I的相對側(cè)，且與各該諧振振子結(jié)I 之間形成有驅(qū)動間隙，所述驅(qū)動電極5通過電阻R連接至直流電源Vp，且所述驅(qū)動電極5通過電容C連接至交流電源Vin，其中，與一諧振振子結(jié)構(gòu)I相連接的交流電源為+Vin，與另一諧振振子結(jié)構(gòu)相連接的交流電源為-Vin，其中，+Vil^P -Vin相位相反幅值相等，即各該諧振振子結(jié)構(gòu)I的驅(qū)動電極5分別連接至相位相反幅值相等的交流電源，以使兩個諧振振子結(jié)構(gòu)為差分驅(qū)動方式(請參閱圖2a)，則兩個諧振振子結(jié)構(gòu)I工作在反相位模式。同時，由于驅(qū)動信號是差分信號，則兩個差分驅(qū)動信號分別與輸出信號之間形成兩個反相位的容性耦合信號，又由于這兩個容性耦合信號大小相等，符號相反，因此它們在測得感應(yīng)電動勢的電壓輸出端會相互抵消，從而消除了 輸出信號中的容性耦合信號，以獲得單純的磁場輸出信號， 實(shí)現(xiàn)了微機(jī)械磁場傳感器的單純的磁場輸出信號檢測。
優(yōu)選地，在本實(shí)施例一中，如圖2a所示，所述驅(qū)動電極5為兩個位于各該正方形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的相對側(cè)，并且所述驅(qū)動電極5與諧振振子結(jié)構(gòu)I之間形成有驅(qū)動間隙，如圖2d所示，所述驅(qū)動電極5為兩對，且每對分別對稱分布于各該正方形板諧振振子結(jié)構(gòu)I 的相對側(cè)，即每對所述驅(qū)動電極5分別對稱分布于各該正方形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的邊相對側(cè)，但并不局限于此，在另一實(shí)施例中所述驅(qū)動電極可以只為一對，且分布于各該正方形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的相對側(cè)。
需要說明的是，如圖2d所示，在在本實(shí)施例一中，所述諧振振子對還包括第二耦合梁32，所述第二耦合梁32也連接于所述位于第一對稱軸上且相互連接的主支撐梁21上， 且所述第二耦合梁32連接有第三錨點(diǎn)43，優(yōu)選地，如圖2d所示，所述第二耦合梁32與所述第一稱合梁31對稱分布于所述第一對稱軸兩側(cè)。
需要進(jìn)一步說明的是，在本實(shí)施例一中，如圖2a及2d所示，所述諧振振子對還包括旁支撐梁22和第四錨點(diǎn)44，其中，所述旁支撐梁22位于所述第二對稱軸上，且其一端連接于諧振振子結(jié)構(gòu)1，其另一端連接于第四錨點(diǎn)44 (圖2a中第四錨點(diǎn)44接地，但并不局限與此，所述地四錨點(diǎn)也可以不接地)，即所述旁支撐梁22連接于正方形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的角部，但不局限于此，在另一實(shí)施例中，所述諧振振子對也可以不含所述旁支撐梁和第四錨點(diǎn)。進(jìn)一步，如圖2d所示,在本實(shí)施例一中，所示地四錨點(diǎn)44通過位于其上的焊盤接地,但并不局限于此，所示第四錨點(diǎn)上的焊盤也可以不接地。
所述絕緣層6形成于所述諧振振子對的諧振振子結(jié)構(gòu)I及主支撐梁21的上表面， 同時，所述第一錨點(diǎn)41與形成于其上的焊盤之間形成有絕緣層6，具體地，在本實(shí)施例一中，所述第一耦合梁31上表面也形成有絕緣層6，所述第二錨點(diǎn)42與形成于其上的焊盤之間形成有絕緣層6。優(yōu)選的，所述諧振振子結(jié)構(gòu)I、主支撐梁21、第一耦合梁31、第一錨點(diǎn)41 及第二錨點(diǎn)42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。進(jìn)一步，在本實(shí)施例一中，所述諧振振子對還包括第二耦合梁32、第三錨點(diǎn)43、旁支撐梁22和第四錨點(diǎn) 44，如圖2a所示，所述第二耦合梁32、第三錨點(diǎn)43和旁支撐梁22上均沒有絕緣層6，所述第四錨點(diǎn)44與形成在其上的焊盤之間形成有絕緣層6，但并不局限與此，在另一實(shí)施例中， 所述第二耦合梁32、第三錨點(diǎn)43、旁支撐梁22上也可以有絕緣層6，所述第四錨點(diǎn)44上無焊盤時，也可以沒有絕緣層6。
所述金屬線圈7分別形成于各該諧振振子結(jié)構(gòu)I上的絕緣層6上，所述金屬線圈 7為藉由其對應(yīng)的所述絕緣層6中心為始端由內(nèi)向外環(huán)繞的金屬線圈，其中，二諧振振子結(jié)構(gòu)I上的金屬線圈7為同向環(huán)繞。由于各該諧振振子結(jié)構(gòu)I上的金屬線圈環(huán)繞方向相同； 又由于兩個諧振振子結(jié)構(gòu)I被差分電容激勵，工作在反相位模式，則兩個諧振振子結(jié)構(gòu)I上的金屬線圈7產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相互串聯(lián)。
在本實(shí)施例一中，如圖2a所示，各該金屬線圈7均為順時針環(huán)繞，各該金屬線圈7 的末端通過第二連接橋82連接于其對應(yīng)的第一錨點(diǎn)41上的焊盤、且各該金屬線圈7的始端通過第一連接橋81經(jīng)相互耦合連接的主支撐梁21及第一耦合梁31上的絕緣層6連接于所述第二錨點(diǎn)42上的焊盤，此時，所述第二連接橋82位于與第一錨點(diǎn)41相連接的主支撐梁21上的絕緣層6上；同時，各該第一連接橋81與位于其下的各該金屬線圈7之間形成有絕緣層6,其中,所述第一連接橋81 —端穿過位于其下的絕緣層6連接至所述金屬線圈7 的始端，所述第一連接橋81的另一端連接至第二錨點(diǎn)42上的焊盤，此時，所述第一連接橋81位于金屬線圈7、相互耦合連接的主支撐梁21及第一耦合梁31上的絕緣層6上；所述金屬線圈7、第一連接橋81及第二連接橋82的材質(zhì)為金，但并不局限與此，三者的材料可以相同也可以互不相同，但三者為保證良好的電學(xué)連接則三者的材料選自金、銅或鋁。
需要說明的是，所述金屬線圈連接至第一錨點(diǎn)及第二錨點(diǎn)上的焊盤的方式并不局限于此。在另一實(shí)施例中(未圖示)，各該金屬線圈的始端通過第一連接橋連接于其對應(yīng)的第一錨點(diǎn)上的焊盤、且各該金屬線圈的末端通過第二連接橋經(jīng)相互耦合連接的主支撐梁及第一耦合梁上的絕緣層連接于所述第二錨點(diǎn)上的焊盤；同時，各該第一連接橋與位于其下的各該金屬線圈之間形成有絕緣層，其中，所述第一連接橋一端穿過位于其下的絕緣層連接至所述金屬線圈的始端，所述第一連接橋的另一端連接至第一錨點(diǎn)上的焊盤。
需要指出的是，所述金屬線圈可以為一層也可以為多層；當(dāng)所述金屬線圈為多層時，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(jìn)行說明第一層金屬線圈以中心為始端由內(nèi)向外順時針環(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由外向內(nèi)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中心始端相連，且第三層金屬線圈以中心為始端由內(nèi)向外順時針環(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。
需要進(jìn)一步指出的是，所述金屬線圈可以直接形成于所述絕緣層上，也可以所述金屬線圈與位于其下的絕緣層之間還形成有支撐所述金屬線圈懸空于所述絕緣層之上的金屬支撐柱，其中，所述支撐柱與線圈為同材料，均選自金、銅或鋁。當(dāng)通過金屬支撐柱使金屬線圈懸于所述諧振振子之上時，可減小在高頻情況下所述諧振振子結(jié)構(gòu)與金屬線圈之間信號相互串?dāng)_的問題。
需要說明的是，所述金屬線圈的圈數(shù)為一圈(未封閉)，所述金屬線圈為圓形或矩形；所述金屬線圈還可為多圈，所述金屬線圈為圓形螺旋狀或矩形螺旋狀，但需要保證位于各該諧振振子結(jié)構(gòu)I的形狀與位于其上的金屬線圈的形狀保持一致。
具體地，如圖2a所示，在本實(shí)施例一中，所述金屬線圈為一層、直接形成于所述絕緣層6上的正方形螺旋狀金屬線圈7。
為使本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器的實(shí)施方式，以下將詳細(xì)說明本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器的具體工作步驟及工作原理。本發(fā)明的工作原理如下
本發(fā)明提出的微機(jī)械磁場傳感器在形成諧振振子對的兩個諧振振子結(jié)構(gòu)上加載金屬線圈來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明利用差分電容激勵驅(qū)動兩個諧振振子結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yùn)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，通過測量金屬線圈兩端的感應(yīng)電動勢來測量被測磁場的大小。
本發(fā)明的工作步驟為
a)將所述微機(jī)械磁場傳感器置于被測磁場中；
b )在微機(jī)械磁場傳感器的驅(qū)動電極5上同時施加由直流電源Vp和交流電源Vin提供的相疊加的驅(qū)動信號，其中，與一諧振振子結(jié)構(gòu)I相連接的交流電源為+Vin，與另一諧振振子結(jié)構(gòu)I相連接的交流電源為-Vin，其中，+ Vin和-Vin相位相反幅值相等，以使兩個諧振振子結(jié)構(gòu)為差分驅(qū)動方式；
c)當(dāng)施加的交流信號的頻率等于微機(jī)械磁場傳感器自身的諧振頻率時，微機(jī)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(yùn)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。
本法明還提供一種微機(jī)械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)，在本實(shí)施例一中，如圖2e所示，所述電路結(jié)構(gòu)至少包括鎖相環(huán)電路、差分運(yùn)算放大器92、微機(jī)械磁場傳感器93、電壓放大器94及電壓跟隨器97，其中，所述鎖相環(huán)電路包括壓控振蕩器91、鑒相器95和低通濾波器96。
用于產(chǎn)生與所述微機(jī)械磁場傳感器93諧振頻率相同的交流信號的所述壓控振蕩器91的輸出端，分別連接所述差分運(yùn)算放大器92的輸入端及所述鑒相器95的一個輸入端，其中，所述壓控振蕩器91輸出的交流信號作為所述鑒相器95的基準(zhǔn)信號。
用于將所述壓控振蕩器91輸出的交流信號轉(zhuǎn)化為差分電壓信號的所述差分運(yùn)算放大器92的輸出端，連接所述微機(jī)械磁場傳感器93的交流電源輸入端(+Vin和_Vin)，所述微機(jī)械磁場傳感器93的直流電源輸入端還連接有一直流電壓\。
用于產(chǎn)生感生電壓的所述微機(jī)械磁場傳感器93的輸出端連接所述電壓放大器94 的輸入端。
用于將所述感生電壓放大的所述電壓放大器94的輸出端連接所述鑒相器95的另一個輸入端，其中，所述電壓放大器94輸出的經(jīng)放大的感生電壓信號作為測量信號。
用于鑒別所述測量信號與基準(zhǔn)信號之間相位差的所述鑒相器95的輸出端連接所述低通濾波器96的輸入端。
用于濾除所述鑒相器95輸出信號中交流部分的所述低通濾波器96的輸出端連接所述壓控振蕩器91的控制端及所述電壓跟隨器97的輸入端，其中，所述低通濾波器96輸出的直流信號作為所述壓控振蕩器91的控制電壓信號，用于保證整個鎖相環(huán)電路處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。
所述電壓跟隨器97的輸出端連接外部測量設(shè)備(未圖示)，其中，所述電壓跟隨器 97輸出的直流電壓信號的大小表征所述微機(jī)械磁場傳感器93待測磁場的大小。
所述微機(jī)械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)的具體工作原理如下通過鎖相環(huán)電路中的壓控振蕩器(VC0)91產(chǎn)生一個與微機(jī)械磁場傳感器93諧振頻率相同的交流信號；利用差分運(yùn)算放大器(Single to Differential) 92將壓控振蕩器91輸出的交流信號轉(zhuǎn)化為差分電壓信號，并與直流電壓Vp疊加后激勵微機(jī)械磁場傳感器93工作；微機(jī)械磁場傳感器93 的感生電壓通過電壓放大器(Amplifier)94進(jìn)行放大；將壓控振蕩器91輸出的頻率信號作為基準(zhǔn)頻率，電壓放大器94的輸出作為測量信號，利用鑒相器95鑒別測量信號與基準(zhǔn)信號之間的相位差；將鑒相器95的輸出信號接入低通濾波器(Low-pass Filter)96，濾除該信號中的交流部分，得到與待測磁場信號幅度相關(guān)的直流信號；將低通濾波器96輸出的直流信號作為壓控振蕩器91的控制電壓信號，從而保證整個鎖相環(huán)電路處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；低通濾波器96輸出的反映待測磁場信號幅度大小的直流信號通過電壓跟隨器(Buffer Amplifier) 97與外部測量設(shè)備進(jìn)行連接，該最終輸出的直流電壓信號Vwt的大小即表征所述微機(jī)械磁場傳感器93待測磁場的大小。
與傳統(tǒng)的微機(jī)械磁場傳感器相比，本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器具有以下有益效果
I)本發(fā)明采用耦合梁將兩個諧振振子結(jié)構(gòu)耦合起來形成諧振振子對，利用差分電容激勵和電磁感應(yīng)來測量磁場大小，其中，兩個諧振振子結(jié)構(gòu)工作在反相位模式，各該諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬線圈環(huán)繞方向相同，兩個諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相互串聯(lián)；由于驅(qū)動信號是差分信號，則兩個差分驅(qū)動信號分別與輸出信號之間形成兩個反相位的容性耦合信號，又由于這兩個容性耦合信號大小相等，符號相反，因此它們在測得感應(yīng)電動勢的電壓輸出端會相互抵消，從而消除了輸出信號中的容性耦合信號，以獲得單純的磁場輸出信號，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)械磁場傳感器的單純的磁場輸出信號檢測；
2)本發(fā)明利用耦合結(jié)構(gòu)將兩個諧振振子結(jié)構(gòu)耦合起來，由于耦合結(jié)構(gòu)使兩個諧振振子結(jié)構(gòu)連接為一體運(yùn)動，從而保證了整個微機(jī)械磁場傳感器具有單一的諧振頻率；
3)本發(fā)明提出的微機(jī)械磁場傳感器的諧振振子工作在擴(kuò)張模態(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(qiáng)了輸出信號的強(qiáng)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(jìn)一步增大輸出信號的強(qiáng)度，提高檢測的靈敏度；
4)本發(fā)明還可以通過金屬支撐柱使金屬線圈懸于所述諧振振子之上，從而減小在高頻情況下諧振振子結(jié)構(gòu)與金屬線圈之間信號相互串?dāng)_的問題；
5)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)明采用了兩個諧振振子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了輸出信號的強(qiáng)度，也提高了輸出信號的靈敏度。
實(shí)施例二
實(shí)施例二與實(shí)施例一的技術(shù)方案基本相同，不同之處主要在于實(shí)施例一中所述諧振振子結(jié)構(gòu)為正方形板，且所述諧振振子對包括第一耦合梁、第二錨點(diǎn)、第二耦合梁及第三錨點(diǎn)；本實(shí)施例二中，所述諧振振子結(jié)構(gòu)為矩形板，且所述諧振振子對不包括第一耦合梁、第二錨點(diǎn)、第二耦合梁及第三錨點(diǎn)，所述諧振振子對中(結(jié)構(gòu)、制作方法及工作原理)的其余相同之處請參閱實(shí)施例一的相關(guān)描述，在此不再一一贅述。
如圖3a和3c所不,本實(shí)施例二提供一種微機(jī)械磁場傳感器，所述微機(jī)械磁場傳感器至少包括諧振振子對和依次形成于其表面上的絕緣層6及金屬線圈7，其中，所述諧振振子對包括矩形板諧振振子結(jié)構(gòu)I、主支撐梁21、第一錨點(diǎn)41和驅(qū)動電極5，但并不局限于此，在另一實(shí)施例中，各該諧振振子對中也可以包括一端連接于相互連接的所述主支撐梁上的第一耦合梁、連接于所述第一耦合梁的另一端的第二錨點(diǎn)，進(jìn)一步，各該諧振振子對中還可以包括連接于所述位于第一對稱軸上且相互連接的主支撐梁上第二耦合梁及連接所述第二耦合梁的第三錨點(diǎn)。
所述矩形板諧振振子結(jié)構(gòu)I為碳化硅，其第一對稱軸平行于矩形板的長邊或?qū)掃?。在本?shí)施例二中，如圖3c所示，所述第一對稱軸平行于矩形板的長邊，即主支撐梁21 連接于矩形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的寬邊。
所述第一錨點(diǎn)41與所述主支撐梁21的自由端相連接，其中，所述第一錨點(diǎn)41形成有焊盤(如圖3a及3b中第二錨點(diǎn)上填充有交叉網(wǎng)格處所示)，二諧振振子結(jié)構(gòu)I的第一錨點(diǎn)41通過形成在其上的焊盤分別連接電壓輸出端Vwt (如圖3a所示)或一個第一錨點(diǎn)接電壓輸出端Vtjut且另一個第一錨點(diǎn)接地(如圖3b所示)從而通過測得該感應(yīng)電動勢Vwt來測量待測磁場大小。具體地，在本實(shí)施例二中，如圖3b所示，所述二諧振振子結(jié)構(gòu)I的一個第一錨點(diǎn)41接電壓輸出端Vtjut且另一個第一錨點(diǎn)41接地。
所述驅(qū)動電極5分別分布于各該矩形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的相對側(cè)，并且所述驅(qū)動電機(jī)5與諧振振子結(jié)構(gòu)I形成有驅(qū)動間隙，在本實(shí)施例二中，如圖3b所示，所述驅(qū)動電極5 為兩個，且對稱分布于各該矩形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的第一對稱軸的兩側(cè)，即所述驅(qū)動電極5 對稱分布于各該矩形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的長邊相對側(cè)。需要說明的是，在另一實(shí)施例中，所述矩形板諧振振子結(jié)構(gòu)還可優(yōu)選為正方形板。
所述絕緣層6形成于所述諧振振子對的諧振振子結(jié)構(gòu)I及主支撐梁21的上表面， 同時，所述第一錨點(diǎn)41與形成于其上的焊盤之間形成有絕緣層6。優(yōu)選的，所述諧振振子結(jié)構(gòu)I、主支撐梁21及第一錨點(diǎn)41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。進(jìn)一步，在另一實(shí)施例中，當(dāng)各該諧振振子對中包括所述第二耦合梁32和第三錨點(diǎn)43 時，則所述第二耦合梁32和第三錨點(diǎn)43上可以形成有絕緣層6，也可以沒有絕緣層6。
所述金屬線圈7的相關(guān)描述請參閱實(shí)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，各該金屬線圈7均為逆時針環(huán)繞，如圖3a所示。
本實(shí)施例二的微機(jī)械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一基本相同，區(qū)別僅在于 實(shí)施例一中的電壓放大器94為具有兩個輸入端的差分電壓放大器；而本實(shí)施例二的電壓放大器94具有一個輸入端的常規(guī)電壓放大器(請參閱圖3d);另外,本實(shí)施例二與實(shí)施例一的微機(jī)械磁場傳感器的結(jié)構(gòu)不相同，其余相同之處請參閱實(shí)施例一中的相關(guān)描述。
與傳統(tǒng)的微機(jī)械磁場傳感器相比，本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器具有以下有益效果
I)本發(fā)明采用耦合梁將兩個諧振振子結(jié)構(gòu)耦合起來形成諧振振子對，利用差分電容激勵和電磁感應(yīng)來測量磁場大小，其中，兩個諧振振子結(jié)構(gòu)工作在反相位模式，各該諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬線圈環(huán)繞方向相同，兩個諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相互串聯(lián)；由于驅(qū)動信號是差分信號，則兩個差分驅(qū)動信號分別與輸出信號之間形成兩個反相位的容性耦合信號，又由于這兩個容性耦合信號大小相等，符號相反，因此它們在測得感應(yīng)電動勢的電壓輸出端會相互抵消，從而消除了輸出信號中的容性耦合信號，以獲得單純的磁場輸出信號，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)械磁場傳感器的單純的磁場輸出信號檢測；
2)本發(fā)明利用耦合結(jié)構(gòu)將兩個諧振振子結(jié)構(gòu)耦合起來，由于耦合結(jié)構(gòu)使兩個諧振振子結(jié)構(gòu)連接為一體運(yùn)動，從而保證了整個微機(jī)械磁場傳感器具有單一的諧振頻率；
3)本發(fā)明提出的微機(jī)械磁場傳感器的諧振振子工作在擴(kuò)張模態(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(qiáng)了輸出信號的強(qiáng)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(jìn)一步增大輸出信號的強(qiáng)度，提高檢測的靈敏度；
4)本發(fā)明還可以通過金屬支撐柱使金屬線圈懸于所述諧振振子之上，從而減小在高頻情況下諧振振子結(jié)構(gòu)與金屬線圈之間信號相互串?dāng)_的問題；
5)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)明采用了兩個諧振振子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了輸出信號的強(qiáng)度，也提高了輸出信號的靈敏度。
實(shí)施例三
實(shí)施例三與實(shí)施例一的技術(shù)方案基本相同，不同之處主要在于實(shí)施例一中所述諧振振子結(jié)構(gòu)為正方形板；本實(shí)施例三中，所述諧振振子結(jié)構(gòu)為圓形板，諧振振子對中(結(jié)構(gòu)、制作方法及工作原理)其余的相同之處請參閱實(shí)施例一的相關(guān)描述，在此不再一一贅述。
如圖4a和4b所不,本實(shí)施例三提供一種微機(jī)械磁場傳感器,所述微機(jī)械磁場傳感器至少包括諧振振子對和依次形成于其表面上的絕緣層6及金屬線圈7，其中，所述諧振振子對包括圓形板諧振振子結(jié)構(gòu)I、主支撐梁21、第一耦合梁31、第一錨點(diǎn)41、第二錨點(diǎn) 42和驅(qū)動電極5，其中，所述第一對稱軸為圓形板的直徑延長線。
需要說明的是，所述諧振振子結(jié)構(gòu)I并不局限于圓形板，所述諧振振子結(jié)構(gòu)I還可為圓形板或圓環(huán)板，其中，所述第一對稱軸為圓形板或圓環(huán)板中圓的長軸或短軸的延長線， 進(jìn)一步，圓環(huán)板為圓環(huán)板的優(yōu)選情況，所述第一對稱軸為圓環(huán)板的直徑延長線。
需要進(jìn)一步說明的是，如圖4b所示，所述諧振振子對還包括連接于主支撐梁21上的第二耦合梁32和連接于所述第二耦合梁32的第三錨點(diǎn)43，其中，所述主支撐梁21為位于第一對稱軸上且相互連接的主支撐梁，但并不局限于此，在另一實(shí)施例中，各該諧振振子對中也可以沒有第二耦合梁和連接于第二耦合梁的第三錨點(diǎn)。
所述驅(qū)動電極5分別分布于各該正方形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的相對側(cè)，并且所述驅(qū)動電機(jī)5與諧振振子結(jié)構(gòu)I形成有驅(qū)動間隙，在本實(shí)施例三中，如圖4b所示，所述驅(qū)動電極為兩個與所述圓形板匹配的圓弧形驅(qū)動電極，對稱分布于各該圓形板諧振振子結(jié)構(gòu)I的相對側(cè)。
所述絕緣層6形成于所述諧振振子對的諧振振子結(jié)構(gòu)I、主支撐梁21及第一耦合梁31上表面，同時，所述第一錨點(diǎn)41與形成于其上的焊盤之間形成有絕緣層6，所述第二錨點(diǎn)42與形成于其上的焊盤之間形成有絕緣層6。優(yōu)選的，所述諧振振子結(jié)構(gòu)I、主支撐梁 21、第一耦合梁31、第一錨點(diǎn)41及第二錨點(diǎn)42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。進(jìn)一步，在本實(shí)施例二中，所述諧振振子對還包括連接于主支撐梁21上的第二耦合梁32和連接于所述第二耦合梁32的第三錨點(diǎn)43，如圖4a所示，所述第二耦合梁32和第三錨點(diǎn)43上沒有絕緣層6，但并不局限與此，在另一實(shí)施例中，所述第二耦合梁 32和第三錨點(diǎn)43上也可以有絕緣層6。
所述金屬線圈7的相關(guān)描述請參閱實(shí)施例一，不同之處在于，所述金屬線圈7的形狀為圓形螺旋狀，各該金屬線圈7均為逆時針環(huán)繞，如圖4a所示。
本實(shí)施例三的微機(jī)械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)(未圖示)請參閱實(shí)施例一中的相關(guān)描述，不同之處僅在于，本實(shí)施例三與實(shí)施例一的微機(jī)械磁場傳感器的結(jié)構(gòu)不相同。
綜上所述,與傳統(tǒng)的微機(jī)械磁場傳感器相比，本發(fā)明的微機(jī)械磁場傳感器具有以下有益效果
I)本發(fā)明采用耦合梁將兩個諧振振子結(jié)構(gòu)耦合起來形成諧振振子對，利用差分電容激勵和電磁感應(yīng)來測量磁場大小，其中，兩個諧振振子結(jié)構(gòu)工作在反相位模式，各該諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬線圈環(huán)繞方向相同，兩個諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相互串聯(lián)；由于驅(qū)動信號是差分信號，則兩個差分驅(qū)動信號分別與輸出信號之間形成兩個反相位的容性耦合信號，又由于這兩個容性耦合信號大小相等，符號相反，因此它們在測得感應(yīng)電動勢的電壓輸出端會相互抵消，從而消除了輸出信號中的容性耦合信號，以獲得單純的磁場輸出信號，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)械磁場傳感器的單純的磁場輸出信號檢測；
2)本發(fā)明利用耦合結(jié)構(gòu)將兩個諧振振子結(jié)構(gòu)耦合起來，由于耦合結(jié)構(gòu)使兩個諧振振子結(jié)構(gòu)連接為一體運(yùn)動，從而保證了整個微機(jī)械磁場傳感器具有單一的諧振頻率；
3)本發(fā)明提出的微機(jī)械磁場傳感器的諧振振子工作在擴(kuò)張模態(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(qiáng)了輸出信號的強(qiáng)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(jìn)一步增大輸出信號的強(qiáng)度，提高檢測的靈敏度；
4)本發(fā)明還可以通過金屬支撐柱使金屬線圈懸于所述諧振振子之上，從而減小在高頻情況下諧振振子結(jié)構(gòu)與金屬線圈之間信號相互串?dāng)_的問題；
5)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)明采用了兩個諧振振子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了輸出信號的強(qiáng)度，也提高了輸出信號的靈敏度。
所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
上述實(shí)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(shí)施例進(jìn)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。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于，所述微機(jī)械磁場傳感器至少包括諧振振子對和依次形成于其表面上的絕緣層及金屬線圈；其中， 所述諧振振子對包括 兩個具有軸對稱結(jié)構(gòu)的諧振振子結(jié)構(gòu)，各該諧振振子結(jié)構(gòu)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； 主支撐梁，位于所述第一對稱軸上，兩個諧振振子結(jié)構(gòu)通過各自的主支撐梁相互耦合連接； 第一錨點(diǎn)，與所述主支撐梁的自由端相連接，其中，二諧振振子結(jié)構(gòu)的第一錨點(diǎn)通過形成在其上的焊盤分別連接輸出端或一個第一錨點(diǎn)接輸出端且另一個第一錨點(diǎn)接地； 驅(qū)動電極，分別分布于各該諧振振子結(jié)構(gòu)的相對側(cè)，且與各該諧振振子結(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，其中，各該諧振振子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電極分別連接至相位相反幅值相等的交流電源； 所述絕緣層形成于所述諧振振子對的諧振振子結(jié)構(gòu)及主支撐梁的上表面，同時，所述第一錨點(diǎn)與形成于其上的焊盤之間形成有絕緣層； 所述金屬線圈分別形成于各該諧振振子結(jié)構(gòu)上的絕緣層上，所述金屬線圈為藉由其對應(yīng)的所述絕緣層中心為始端由內(nèi)向外環(huán)繞的金屬線圈，其中，二諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬線圈為同向環(huán)繞；各該金屬線圈的始端通過第一連接橋連接于其對應(yīng)的第一錨點(diǎn)上的焊盤、且各該金屬線圈的末端通過第二連接橋相互連接于耦合連接的主支撐梁上的第一絕緣層上，或者各該金屬線圈的末端通過第二連接橋連接于其對應(yīng)的第一錨點(diǎn)上的焊盤、且各該金屬線圈的始端通過第一連接橋相互連接于耦合連接的主支撐梁上的第一絕緣層上；各該第一連接橋與位于其下的各該金屬線圈之間形成有絕緣層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于所述諧振振子對還包括一端連接于相互耦合連接的所述主支撐梁上的第一耦合梁、及連接于所述第一耦合梁另一端的第二錨點(diǎn)，其中，所述第二錨點(diǎn)通過形成在其上的焊盤接地，所述第一耦合梁上表面、及所述第二錨點(diǎn)與形成于其上的焊盤之間形成有絕緣層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于各該金屬線圈的末端通過第二連接橋經(jīng)過相互耦合連接的主支撐梁及第一耦合梁上的第一絕緣層連接于所述第二錨點(diǎn)上的焊盤；或者各該金屬線圈的始端通過第一連接橋經(jīng)過相互耦合連接的主支撐梁及第一耦合梁上的第一絕緣層連接于所述第二錨點(diǎn)上的焊盤。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于所述諧振振子結(jié)構(gòu)為矩形板、圓形板或圓環(huán)形板。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于所述第一耦合梁為直拉梁或彎曲折疊梁。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于所述諧振振子對還包括第二耦合梁，所述第二耦合梁也連接于所述位于第一對稱軸上且相互連接的主支撐梁上，且所述第二耦合梁連接有第三錨點(diǎn)；其中，所述第二耦合梁與所述第一耦合梁分別分布于所述第一對稱軸兩側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于所述第二耦合梁為直拉梁或彎曲折疊梁。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于所述諧振振子結(jié)構(gòu)為矩形板時，所述第一對稱軸平行于矩形板的長邊或?qū)掃叀?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于所述諧振振子結(jié)構(gòu)為正方形板時，所述第一對稱軸和第二對稱軸分別為正方形板兩對角線的延長線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于所述諧振振子對還包括位于所述第二對稱軸上且一端連接于所述諧振振子結(jié)構(gòu)的旁支撐梁、以及連接于所述旁支撐梁另一端的第四錨點(diǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于所述金屬線圈為多層，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。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的微機(jī)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。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于所述金屬線圈與位于其下的絕緣層之間形成有支撐所述金屬線圈懸空于所述絕緣層之上的金屬支撐柱。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)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。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微機(jī)械磁場傳感器，其特征在于所述金屬線圈為多圈，所述金屬線圈為圓形螺旋狀或矩形螺旋狀。
16.—種微機(jī)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)至少包括鎖相環(huán)電路、差分運(yùn)算放大器、如權(quán)利要求I至15任意一項(xiàng)所述的微機(jī)械磁場傳感器、電壓放大器及電壓跟隨器，其中，所述鎖相環(huán)電路包括壓控振蕩器、鑒相器和低通濾波器； 用于產(chǎn)生與所述微機(jī)械磁場傳感器諧振頻率相同的交流信號的所述壓控振蕩器的輸出端，分別連接所述差分運(yùn)算放大器的輸入端及所述鑒相器的一個輸入端，其中，所述壓控振蕩器輸出的交流信號作為所述鑒相器的基準(zhǔn)信號； 用于將所述壓控振蕩器輸出的交流信號轉(zhuǎn)化為差分電壓信號的所述差分運(yùn)算放大器的輸出端，連接所述微機(jī)械磁場傳感器的交流電源輸入端，所述微機(jī)械磁場傳感器的直流電源輸入端還連接有一直流電壓； 用于產(chǎn)生感生電壓的所述微機(jī)械磁場傳感器的輸出端連接所述電壓放大器的輸入端; 用于將所述感生電壓放大的所述電壓放大器的輸出端連接所述鑒相器的另一個輸入端，其中，所述電壓放大器輸出的經(jīng)放大的感生電壓信號作為測量信號； 用于鑒別所述測量信號與基準(zhǔn)信號之間相位差的所述鑒相器的輸出端連接所述低通濾波器的輸入端； 用于濾除所述鑒相器輸出信號中交流部分的所述低通濾波器的輸出端連接所述壓控振蕩器的控制端及所述電壓跟隨器的輸入端，其中，所述低通濾波器輸出的直流信號作為所述壓控振蕩器的控制電壓信號，用于保證整個鎖相環(huán)電路處于穩(wěn)定工作狀態(tài)； 所述電壓跟隨器的輸出端連接外部測量設(shè)備，其中，所述電壓跟隨器輸出的直流電壓信號的大小表征所述微機(jī)械磁場傳感器待測磁場的大小。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的微機(jī)械磁場傳感器的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于當(dāng)二諧振振子結(jié)構(gòu)的第一錨點(diǎn)通過形成在其上的焊盤分別連接輸出端時，所述電壓放大器為具有兩個輸入端的差分電壓放大器；當(dāng)二諧振振子結(jié)構(gòu)的一個第一錨點(diǎn)接輸出端且另一個第一錨點(diǎn)接地時，所述電壓放大器為具有一個輸入端的常規(guī)電壓放大器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微機(jī)械磁場傳感器及其應(yīng)用，所述微機(jī)械磁場傳感器至少包括諧振振子對和依次形成于其表面上的絕緣層及金屬線圈。本發(fā)明利用差分電容激勵和電磁感應(yīng)來測量磁場大小，其中，構(gòu)成諧振振子對的兩個諧振振子結(jié)構(gòu)工作在反相位模式，各該諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬感應(yīng)線圈環(huán)繞方向相同，兩個諧振振子結(jié)構(gòu)上的金屬感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相互串聯(lián)；由于驅(qū)動信號是差分信號，消除輸出信號中的容性耦合信號，以獲得單純的磁場輸出信號；同時，本發(fā)明利用耦合結(jié)構(gòu)將兩個諧振振子結(jié)構(gòu)耦合起來使兩個諧振振子結(jié)構(gòu)連接為一體運(yùn)動；進(jìn)一步，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，受溫度影響小，輸出信號大，靈敏度高，檢測的準(zhǔn)確度高，適合高工作頻率。
文檔編號G01R33/02GK102928793SQ20121047021
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者熊斌, 吳國強(qiáng), 徐德輝, 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