CN102353913B

CN102353913B - 一种单轴压电驱动的弱磁场测量传感器

Info

Publication number: CN102353913B
Application number: CN 201110196087
Authority: CN
Inventors: 田武刚; 潘孟春; 陈棣湘; 罗诗途; 胡佳飞; 张琦; 李季
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: CN102353913A

Abstract

本发明提供一种单轴压电驱动的弱磁场测量传感器，包括绝缘基底、GMR敏感元件、两个相同的磁力线聚集器、调制膜、微悬臂梁和压电陶瓷薄片。在绝缘基底表面上镀有三对电极；两个磁力线聚集器分别固定在GMR敏感元件两端的绝缘基底表面上，GMR敏感元件两端分别位于磁力线聚集器的“凹”形槽内。所述微悬臂梁包括基座、悬臂。基座固定在绝缘基底上，基座连接悬臂。悬臂的自由端开有两个对准孔，两个对准孔之间制备有高磁导率软磁材料的调制膜，调制膜与GMR敏感元件垂直距离为8～15微米。压电陶瓷薄片粘在悬臂上。本发明提供的弱磁场测量传感器调制深度较大，分辨力较高，结构工艺简单，驱动电压较低。

Description

一种单轴压电驱动的弱磁场测量传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是用于微弱信号的传感器，具体地说，涉及一种用于测量微弱磁场的单轴磁传感器。

背景技术

微弱磁场测量在地磁导航、目标探测、地质勘探、生物医学等领域都有广泛应用。现阶段用于微弱磁场测量的传感器类型较多，主要包括磁通门传感器、光泵式磁传感器、质子式磁传感器、光纤磁传感器、巨磁阻抗磁传感器、GMR(Giant Magnetoresistive，巨磁阻)磁传感器等，其中GMR磁传感器是基于微电子工艺制成的，相比其他类型的磁传感器明显具有体积小、功耗低、易批量生产等特点。

1988年，法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grunberg各自领导的实验小组先后独立发现了GMR效应，其中Albert Fert实验小组研究发现在微弱磁场中铁-铬多层薄膜的电阻值急剧变化，并将该现象命名为“GMR效应”，而PeterGrunberg小组在铁-铬-铁三层反铁磁薄膜结构中也发现了类似的实验现象。此后针对GMR效应的研究便如火如荼地展开了，具有GMR效应的新结构不断呈现，而对具有GMR效应的结构也称之为GMR敏感元件。随着研究的不断深入，人们发现GMR敏感元件的磁场灵敏度越高，其噪声特别是1/f噪声也越大，而且其中取决于内部磁结构的1/f磁噪声无法通过常规的电调制方法予以抑制，正是这一点限制了GMR磁传感器分辨力的进一步提高。

近年国外对于如何有效抑制GMR敏感元件的1/f噪声的问题开展了大量研究，其中运用微机械结构驱动磁性薄膜调制被测低频微弱磁场来抑制GMR敏感元件1/f噪声的技术方案最为可行。美国陆军实验室的Alan S.Edelstein等在2003至2007之间陆续取得了4项相关的美国国家专利(专利号：US6670809、US7046002、US7185541、US7195945)，这些专利中所述技术方案的共同特点是：首先将磁力线聚集器制备在微机械结构上，然后利用静电驱动方式驱动微机械结构和磁力线聚集器共同高频振动，磁力线聚集器的磁场放大倍数随之周期性地变化，此时处于磁力线聚集器间隙内的GMR敏感元件可探测到一个高频调制后的被测磁场。此类技术方案虽可有效抑制GMR敏感元件的1/f噪声，并明显提高GMR磁传感器的低频磁场分辨力，但目前尚存在一些问题：

(1)调制深度较低，只有14％左右，因此磁场分辨力较低；

(2)结构相对复杂，工艺涉及深度反应离子刻蚀技术及绝缘硅技术，耗时耗力，成本很高；

(3)实现调制所需的静电驱动电压明显高于常用集成电路供电电压，达50V以上，给实际使用带来不便。

发明内容

本发明将提供一种调制深度较大，分辨力较高，结构工艺简单，驱动电压较低的弱磁场测量传感器。

本发明的技术方案是：一种单轴压电驱动的弱磁场测量传感器，包括绝缘基底、三对电极、GMR敏感元件、两个相同的磁力线聚集器、调制膜、微悬臂梁和压电陶瓷薄片。所述绝缘基底采用表面抛光的玻璃片，在绝缘基底表面上镀有三对电极；所述GMR敏感元件呈细条状，其中央位置有一横向的间隙，GMR敏感元件固定在绝缘基底表面上。每个磁力线聚集器较窄一端开有“凹”形槽，“凹”形槽宽度比GMR敏感元件略宽；两个磁力线聚集器分别固定在GMR敏感元件两端的绝缘基底表面上，GMR敏感元件两端分别位于磁力线聚集器的“凹”形槽内，GMR敏感元件和两个磁力线聚集器三者中轴线成一直线。第二对和第三对电极分别与GMR敏感元件的两对输入输出电极连接。所述微悬臂梁包括基座、悬臂。基座固定在绝缘基底上，基座连接悬臂，基座上表面与悬臂上表面共平面，悬臂厚度小于基座厚度。悬臂的自由端开有两个对准孔，紧靠对准孔且沿悬臂的中轴线向基座方向依次开有若干个阻尼孔；悬臂下表面两个对准孔之间制备有高磁导率软磁材料的调制膜，调制膜正对GMR敏感元件的间隙，调制膜的形状与间隙的表面形状相同，调制膜与GMR敏感元件垂直距离根据需要确定，通常为8～15微米。所述压电陶瓷薄片表面为长方形，其宽度与悬臂宽度一致，厚度方向为极化方向，压电陶瓷薄片粘在悬臂上，沿压电陶瓷薄片长度方向一端延伸至基座，并与第一对电极电连接，另一端延伸靠近阻尼孔。

本发明的有益效果是：采用压电驱动微悬臂梁作为调制动力源，调制膜振动幅度和调制深度较大(仿真实验证明大于40％)，通过调制膜的调制使微弱直流磁场在GMR敏感元件处为高频交变磁场，抑制了GMR元件的1/f噪声，通过采用磁力线聚集器使微弱磁场在GMR敏感元件处得到了放大，从而磁传感器测量分辨力得到大幅度提高(仿真实验证明提高了两个数量级)；因微悬臂梁结构简单，制造方便，有效降低了传感器的制作成本；压电陶瓷薄片的驱动力较大，只需较小的驱动电压(小于15V)即可获得足够的振动幅度。

附图说明

图1是本发明某一具体实施方式提供的单轴压电驱动弱磁场测量传感器的结构示意图；

图2是本发明某一具体实施方式中的磁力线聚集器与GMR敏感元件的结构示意图；

图3(a)是本发明某一具体实施方式中微悬臂梁的俯视图；

图3(b)是本发明某一具体实施方式中微悬臂梁的仰视图。

1-基座，2-悬臂，3-对准孔，4-阻尼孔，5-压电陶瓷薄片，6-绝缘基底，7-第一对电极，8-第二对电极，9-第三对电极，10-GMR敏感元件，11-磁力线聚集器，12-间隙，13-微悬臂梁，14-调制膜，15-台阶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明某一具体实施方式提供的单轴压电驱动弱磁场测量传感器的结构示意图。如图所示：包括绝缘基底6、电极对7、电极对8、电极对9、基座1、悬臂2、对准孔3、阻尼孔4、压电陶瓷薄片5、GMR敏感元件10及磁力线聚集器11。绝缘基底6采用表面抛光的玻璃片，形状不限于本实施方式中的长方形，还可以是圆形等。电极对7、8、9是通过先在绝缘基底6上溅射(或真空蒸镀、电镀等)导电金属膜(金、铝、铜等)，然后再光刻腐蚀成型。电极对7连接压电陶瓷薄片5上面的电极；电极对8连接GMR敏感元件10上自带的一对电极；电极对9连接GMR敏感元件10上自带的另一对电极。电极对7、8、9的形状和位置无特殊要求，以方便引线连接为准，图1所示的电极对7、8、9的形状和位置仅是其中一种较好的选择。基座1与悬臂2相连，基座1的形状不限于图1所示的“凹”形，在保证不影响电极对7和为悬臂2提供稳定固定、支撑的前提下可设计成多种形状。悬臂2一端与基座1相连，另一段为自由端，向前伸出，悬臂2的形状并不限于图1所示形状(还可以是矩形、梯形、锤头型等)。悬臂2的自由端开有2个对准孔3(见图3(a))。靠近对准孔3，沿悬臂2中轴线向内依次开有若干个阻尼孔4。压电陶瓷片5的宽度与悬臂2相同，用胶粘在悬臂2的上表面，沿压电陶瓷片5长度方向一端靠近阻尼孔4，另一端延伸至基座1，并与电极对7电连接。基座1通过低温键合工艺或直接粘胶的方法固定于绝缘基底6上，使调制膜14正对GMR敏感元件10的间隙12，调制膜14与GMR敏感元件10垂直距离根据需要确定，通常为8～15微米。

图2是本发明本发明某一具体实施方式中的GMR敏感元件10和磁力线聚集器11的结构示意图。如图所示：磁力线聚集器11由高磁导率软磁材料制成(如NiFe、CoZrNb等)，形状为梯形(也可为长方形)，其一端开有“凹”形槽，“凹”形槽的宽度比GMR敏感元件10的宽度略宽，可以通过光刻腐蚀工艺制造磁力线聚集器11。GMR敏感元件10为市售元件(如美国NVE公司的AA002-02等)，呈细条状，中间有一条横向的间隙12，其两端分别位于一个磁力线聚集器11的“凹”形槽内，GMR敏感元件10和两个磁力线聚集器11这三者中轴线成一直线，采用环氧树脂胶粘接固定在绝缘基底上。

图3(a)与图3(b)是本发明某一具体实施方式中微悬臂梁13的俯视图和仰视图。如图所示：微悬臂梁13采用微硅工艺制成的，包括基座1、悬臂2。基座1的形状不限于图1所示的“凹”形，在保证不影响电极对7和为悬臂2提供稳定支撑的前提下可设计成多种形状。基座1与悬臂2相连，基座1上表面与悬臂2上表面共平面，悬臂2厚度小于基座1厚度，因此两者连接处存在一个台阶15。悬臂2的自由端开有两个对准孔3，紧靠对准孔3向内沿悬臂2中轴线依次开有若干阻尼孔4，阻尼孔数目可为3～5个。在悬臂2下表面两个对准孔13之间有调制膜14。调制膜14正对GMR敏感元件的间隙12，调制膜14的形状与间隙12的表面形状相同，调制膜14的制备方法是在悬臂2的下表面上电镀(或真空蒸镀、溅射等)制备一定厚度的高磁导率软磁材料膜(如NiFe、CoZrNb等)，然后再用光刻腐蚀方法成型。

使用时，将第一对电极与外部的激励电路相连接，压电陶瓷薄片振动带动悬臂梁工作在谐振状态；第二对电极与外部恒定电压源(或电流源)连接，第三对电极与外部检测电路连接，根据外部检测电路的测量值可以得到弱磁场的大小。

Claims

1.一种单轴压电驱动的弱磁场测量传感器，其特征在于，包括绝缘基底（6）、三对电极（7、8、9）、GMR敏感元件（10）、两个相同的磁力线聚集器（11）、调制膜（14）、微悬臂梁（13）和压电陶瓷薄片（5）；所述绝缘基底（6）采用表面抛光的玻璃片，在绝缘基底（6）表面上镀有三对电极（7、8、9）；所述GMR敏感元件（10）呈细条状，中央位置有一横向的间隙（12），GMR敏感元件（10）固定在绝缘基底（6）表面上；每个磁力线聚集器（11）较窄一端开有“凹”形槽，“凹”形槽宽度比GMR敏感元件（10）略宽；两个磁力线聚集器（11）分别固定在GMR敏感元件（10）两端的绝缘基底（6）表面上，GMR敏感元件（10）两端分别位于磁力线聚集器（11）的“凹”形槽内，GMR敏感元件（10）和两个磁力线聚集器（11）三者中轴线成一直线；第二对电极（8）和第三对电极（9）分别与GMR敏感元件（10）的两对输入输出电极连接；所述微悬臂梁（13）包括基座（1）、悬臂（2）；基座（1）固定在绝缘基底（6）上，基座（1）连接悬臂（2），基座（1）上表面与悬臂（2）上表面共平面，悬臂（2）厚度小于基座（1）厚度；悬臂（2）的自由端开有两个对准孔（3），紧靠对准孔且沿悬臂（2）的中轴线向基座（1）方向依次开有若干个阻尼孔（4）；悬臂（2）下表面两个对准孔（3）之间制备有高磁导率软磁材料的调制膜（14），调制膜（14）正对GMR敏感元件（10）的间隙，调制膜（14）的形状与间隙（12）的表面形状相同；所述压电陶瓷薄片（5）表面为长方形，其宽度与悬臂（2）宽度一致，厚度方向为极化方向，压电陶瓷薄片（5）粘在悬臂（2）上，沿压电陶瓷薄片（5）长度方向一端延伸至基座（1），并与第一对电极（7）电连接，另一端延伸靠近阻尼孔（4）。

2.根据权利要求1所述的一种单轴压电驱动的弱磁场测量传感器，其特征在于，调制膜（14）与GMR敏感元件（10）垂直距离的范围在8到15微米。