CN110118946B - 一种谐振式磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振式磁传感器包括谐振单元、磁致伸缩材料、激励测频装置；其中，所述谐振单元包括结构相等且对称连接的两谐振器，各设置有一个正极，共用一个负极，和激励测频装置通过正极、负极相连，不仅可以产生谐振振动，且通过提高其Q值，从而提高谐振式磁传感器的信噪比；在外部磁场的作用下，磁致伸缩材料将产生应力和弹性模量的变化，进而改变谐振单元的工作状态，激励测频装置通过测量谐振器的谐振频率的变化，即可测量外部磁场信号的幅度大小及频率。本发明解决了现有的谐振式传感器因无法抑制***的低频本征噪声导致输出信号分辨率低问题。

Description

一种谐振式磁传感器

技术领域

本发明属于磁传感器领域，更具体地，涉及一种谐振式磁传感器。

背景技术

磁传感器的应用十分广泛，已在工业、国防、科技、医疗等领域都发挥着重要作用，是现代传感器产业的一个主要分支。尤其是矢量磁传感器，如霍尔传感器、各向异性磁阻传感器(AMR)、巨磁阻传感器(GMR)、隧道磁电阻传感器(TMR)、巨磁阻抗传感器GMI和磁电传感器等微小型传感器，因其价格低廉、体积小、功耗低等特点，在低成本的电流测量、位置检测、速度检测、硬盘磁头、无损检测等方面应用更是广泛。然而随着在手机等手持式设备中的进一步广泛应用，各类电流驱动的磁阻式传感器的功耗以及1/f噪声较大的问题逐渐凸显了出来；特别是在对准直流磁场的测量时难以实现更高精度测量，如地磁探测、磁异常探测与定位等应用；虽然近年来各类频率调制技术如MEMS机械调制、交流磁场调制(frequency conversion)等调制技术的出现，使其工作在较高的频率，降低了其1/f噪声的影响，然而往往会进一步带来器件功耗的增加；且其调制效果有限。

谐振式传感器采用某种谐振器的固有振动频率随被测对象的变化而变化的原理进行测量，通过外部提供驱动电压使其发生震动，在电路中作为负载，检测的输出信号的变化。采用谐振式原理的传感器，如谐振式压力传感器、应力/应变传感器、加速度传感器、温度传感器、气体传感器等，具有数字化输出、量化误差小、线性度高、精度高的特点，常用于高精度测量领域。但是，谐振式传感器易受低频本征噪声的影响，振动能量向谐振器基底以及支撑部结构泄露，使其器件的Q值下降，信噪比较高。

磁电型磁传感器也有用到磁致伸缩材料与压电材料的耦合，其原理是将磁致伸缩材料因被测磁场变化而产生的应变传递到压电材料上，从而在压电材料上引起输出电压变化，因此，检测的是输入端信号的变化，且输入信号通常为模拟信号，相比于谐振式传感器的数字信号检测，无法避免引入A/D转化的误差，使其处理精度和噪声免疫较弱。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种谐振式磁传感器，旨在解决现有的谐振式传感器因无法抑制***的低频本征噪声导致输出信号分辨率低问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种谐振式磁传感器，包括谐振单元、磁致伸缩材料、激励测频装置；

所述磁致伸缩材料位谐振单元的正下方，与谐振器耦合连接；

所述谐振单元包括结构相等且对称连接的两谐振器；

所述谐振单元和激励测频装置通过电极相连；

所述谐振单元用于提供谐振振动，并抑制振动能量的损失；

所述磁致伸缩材料通过接收外部磁场的变化将产生的磁致伸缩效应和弹性模量的变化反馈到谐振单元；

所述激励测频装置用于驱动谐振单元的振动，并通过测量谐振器单元工作状态的变化，获取外部磁场信号。

优选地，所述谐振单元包括结构相等且对称连接的两谐振器，对称排列呈双哑铃状，设置有两个正电极和一个负电极；所述谐振单元呈工字型，工字中间部分为两个谐振器的独立梁，工字两侧臂连接形成两个共有梁，所述两独立梁上方均设置两正电极，在一共有梁上设置有负电极，所述负电极介于正电极中间；

优选地，激励测频装置测量的谐振单元的工作状态包括：谐振单元的谐振频率；所述外部磁场信号包括：磁场幅度变化和频率；

所述激励测频装置驱动谐振单元的方式包括：压电激励、电场激励、电磁激励、热激励、激光激励；

所述激励测频装置与谐振单元通过电极连接的方式包括：引线或者倒装锡球封装。

所述谐振单元与磁致伸缩材料耦合的方式包括：镀膜、涂覆、粘贴、焊接或者化学合成；

所述激励测频装置测量谐振单元工作状态的变化采用的方式包括：扫频模式和谐振的模式。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明采用对称的谐振单元结构，抵消了器件在连接处的力和力矩，减少了振动能量向基底的泄露，可进一步提高谐振器的Q值，进而提高器件的工作稳定度，提高谐振式磁传感器的信噪比，最终实现了提高传感器分辨率的目的。

(2)通过采用机械振动的谐振增强效应，使器件一直工作在响应谐振放大的状态，实现了从直流DC磁场到低频AC磁场的高灵敏度检测的目的，且器件工作频率较高，解决了传统磁传感器面临的1/f噪声以及***本身的低频本征噪声导致输出信号信噪比低的问题。

(3)本发明有效地将磁致伸缩材料因接收外部磁场信号导致的应力以及弹性模量的变化转化为谐振器的振动频率的变化，可实现直接数字化信号输出，避免了A/D转换引入的误差，提高了处理精度和噪声免疫。

附图说明

图1是本发明基本构成示意图；

图2是本发明实施例的具有基本功能的总体构成示意图；

图3是本发明实施例的谐振器工作状态示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种谐振式磁传感器包括：谐振单元101、磁致伸缩材料102和激励测频装置103；

所述磁致伸缩材料102位于谐振单元的正下方，通过直接耦合的方式与谐振器连接；

所述谐振单元101包括结构相等且对称连接的两谐振器；

所述谐振单元101和激励测频装置103通过电极相连；

所述谐振单元101通过接收激励测频装置103的电压信号以及磁致伸缩材料102产生的应力、弹性模量的变化，产生谐振振动；并抑制振动能量的损失；

优选地，所述谐振单元101呈双哑铃状，设置有两个正电极和一个负电极；所述谐振单元呈工字型的谐振器，工字中间部分为两个谐振器的独立梁，工字两侧臂连接形成两个共有梁，所述两独立梁上方均设置两正电极，在一共有梁上设置有负电极，所述负电极介于正电极中间；

具体地，相比于单谐振器，采用对称的谐振单元101，可有效地消除连接处的力和力矩，减少了振动能量向基底的泄露，可进一步提高谐振器的Q值，进而提高器件的工作稳定度，提高谐振式传感器的信噪比。所述磁致伸缩材料102用于接收外部磁场的变化，并将产生的磁致伸缩效应和弹性模量的变化反馈到谐振单元101；

所述激励测频装置103用于驱动谐振单元101的振动，并通过跟踪与测量谐振单元101工作状态的变化，获取外部磁场信号。

具体地，通过采用机械振动的谐振增强效应，使器件一直工作在响应谐振放大的状态，实现了从直流DC磁场到低频AC磁场的高灵敏度检测的目的，且谐振式传感器的工作频率较高，解决了传统磁传感器面临的1/f噪声以及***本身的低频本征噪声导致输出信号信噪比低的问题。

优选地，所述磁致伸缩材料102与谐振单元101耦合连接的方式包括：镀膜、涂覆、粘贴等方法。

具体地，磁致伸缩材料102在外部磁场的作用下，将产生磁致伸缩效应和弹性模量的变化；磁致伸缩材料102因磁致伸缩效应产生的应力以及杨氏模量的变化效应，将传递到谐振器上，对应产生拉应力或压应力，从而能够改变谐振器的谐振频率；同时磁致伸缩材料102与谐振单元耦合在一起振动，所以磁致伸缩材料102产生的应力/应变以及弹性模量的变化可以改变谐振器101的谐振频率。

优选地，激励测频装置103测量的谐振单元101的工作状态包括：谐振单元101的谐振频率；

所述外部磁场信号包括：磁场幅度变化和频率；

所述激励测频装置103驱动谐振单元101的方式包括：压电激励、电场激励、电磁激励、热激励、激光激励；

所述谐振器激励测频装置103与谐振单元101通过电极连接的方式包括：引线或者倒装锡球封装。

所述激励测频装置103测量谐振单元101工作状态的变化采用的方式包括：扫频模式和谐振模式；

其中，扫频模式具体表现为激励测频装置103可跟踪和测量谐振单元101的谐振振幅最高状态的变化，通过测量谐振单元101谐振频率、以及谐振频率处的I-V特性和阻抗特性的变化，获取外部被测磁场信号的幅度大小及频率；

谐振模式具体表现为激励测频装置103与谐振器形成振荡电路，通过跟踪和测量谐振单元101在振荡电路下的振荡频率变化，获取外部被测磁场信号的幅度大小及频率。

如图2所示为本发明提供的一种具体谐振式磁传感器，从图2可知磁致伸缩材料102位于谐振单元101的振下方，磁致伸缩材料102与单晶石英晶片制备的谐振梁116耦合在一起，并通过共晶焊工艺或胶粘工艺固定于双哑铃形的基座104上方，且基底与谐振梁116间存在必要间隙105，保证谐振梁116的自由振动，所述谐振梁116上方设置有第一正电极112、第二正极114以及压电激励的负电极113，即谐振单元共用一个负电极113，所述谐振梁116、第一正电极112、第二正极114以及压电激励的负电极113构成谐振单元，通常采用金丝球焊工艺或其它引线工艺在上谐振器上制备引线；所述谐振单元与激励测频装置103通过引线106连接。谐振器振动激励和测频装置产生的激励电压信号，通过引线106施加在第一正电极112、第二正极114以及压电激励的负电极113；压电材料谐振梁116在电极电场的作用下，产生形变，在一定的驱动频率下产生面内对称弯曲振动；

测量外界磁场信号的过程如下：激励测频装置103在谐振单元101电极上施加一个交流励磁电压，谐振单元在电场的作用下发生如图3箭头所示方向的振动，同时在外界磁场的作用下，磁致伸缩材料因磁致伸缩效应产生的应力，传递至谐振单元上相应产生拉应力或压应力，结合磁致伸缩材料弹性模量的变化，谐振器的谐振频率发生改变，并采用激励测频装置103对谐振单元101的工作状态进行测量，获取外部被测磁场信号的幅度大小和频率。

综上所述，本发明一方面通过采用机械振动的谐振增强效应，使谐振式磁传感器一直工作在响应谐振放大的状态，实现了从直流DC磁场到低频AC磁场的高灵敏度检测的目的，且器件工作频率较高，解决了传统磁传感器面临的1/f噪声以及***本身的低频本征噪声导致输出信号信噪比低的问题；另一方面，相比于单谐振梁结构，采用对称的谐振单元结构，抵消了器件在连接处的力和力矩，减少了振动能量向基底的泄露，可进一步提高谐振器的Q值，进而提高器件的工作稳定度，提高谐振式磁传感器的信噪比，最终实现了提高传感器分辨率的目的。

除此之外，本发明提供的谐振式传感器还具有低功耗、小型化、制备工艺简单的优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种谐振式磁传感器，其特征在于，包括谐振单元(101)、磁致伸缩材料(102)、激励测频装置(103)；

所述磁致伸缩材料(102)通过耦合的方式与谐振单元(101)连接；所述耦合的方式包括：镀膜、涂覆、粘贴、焊接或者化学合成；

所述谐振单元(101)包括结构相等且对称连接的两谐振器；

所述谐振单元(101)和激励测频装置(103)通过电极相连；

所述谐振单元(101)用于提供谐振振动，并抑制振动能量的损失；

所述磁致伸缩材料(102)用于接收外部磁场的变化将产生的磁致伸缩效应和弹性模量的变化反馈到双谐振单元(101)；所述磁致伸缩材料(102)与所述谐振单元(101)耦合在一起振动，在所述谐振单元(101)上产生拉应力或压应力，从而改变所述谐振单元(101)的谐振频率；

所述激励测频装置(103)用于驱动谐振单元(101)的振动，并通过测量谐振单元工作状态的变化，获取外部磁场信号；

所述谐振单元呈工字型，工字中间部分为两个谐振器的独立梁，工字两侧臂连接形成两个共有梁，在两独立梁上方均设置两正电极，在一共有梁上设置有负电极，所述负电极介于正电极中间。

2.如权利要求1所述的谐振式磁传感器，其特征在于，所述激励测频装置(103)测量的谐振器单元(101)的工作状态包括：谐振单元的谐振频率。

3.如权利要求1或2所述的谐振式磁传感器，其特征在于，所述外部磁场信号包括：磁场幅度变化和频率。

4.如权利要求1所述的谐振式磁传感器，其特征在于，所述激励测频装置(103)驱动谐振单元(101)的方式包括：压电激励、电场激励、电磁激励、热激励、激光激励。

5.如权利要求1或4所述的谐振式磁传感器，其特征在于，所述激励测频装置(103)与谐振单元(101)通过电极连接的方式包括：引线或者倒装锡球封装。

6.如权利要求1所述的谐振式磁传感器，其特征在于，所述激励测频装置(103)测量谐振单元(101)工作状态的变化，采用的方式包括：扫频模式和谐振模式。

7.如权利要求6所述的谐振式磁传感器，其特征在于，所述扫频模式为激励测频装置(103)跟踪和测量谐振单元(101)的谐振振幅最高状态的变化，通过测量谐振单元(101)谐振频率的变化，获取外部被测磁场信号的幅度大小及频率。

8.如权利要求6所述的谐振式磁传感器，其特征在于，所述谐振模式为激励测频装置(103)与谐振单元(101)形成振荡电路，通过跟踪和测量谐振单元(101)在振荡电路下的振荡频率变化，获取外部被测磁场信号的幅度大小及频率。

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