CN110389307B - 石英谐振式mems磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种石英谐振式MEMS磁场传感器，包括石英音叉、载流弹性支撑梁、振荡电路以及频率计；石英音叉的两端分别固定在一个载流弹性支撑梁上；振荡电路与石英音叉上的电极相连，振荡电路用于激励音叉产生谐振；频率计用于检测振荡电路输出的频率信号；载流弹性支撑梁受磁场作用产生的安培力传递到石英音叉上使石英音叉轴向受力，从而引起石英音叉谐振频率的变化，使用频率计检测石英音叉的频率变化量以检测出磁场。发明具有高Q值，损耗低，检测灵敏度和分辨率高，可用于检测静态、准静态和低频磁场的高灵敏度探测。

Description

石英谐振式MEMS磁场传感器

技术领域

本发明涉及一种石英谐振式MEMS磁场传感器，特别是采用高Q值的石英晶体谐振器的磁场传感器。

背景技术

传统的磁场传感器主要有霍尔传感器、磁通门传感器、超导量子干涉仪、巨磁阻抗传感器、电磁感应传感器、磁敏二极管磁传感器、磁敏三极管磁传感器等。这些传统磁传感器一般输出较弱的模拟信号，常常需要复杂的信号调理电路对模拟信号进行处理，且信号抗干扰能力差。

目前出现了以磁致伸缩材料与压电材料叠层复合而成的新型磁电传感器。磁致伸缩/压电复合材料由于乘积效应获得磁电效应，将待测磁场转化为电信号，其典型的优点是磁电转化系数大，但是其输出为模拟信号，用于静态和准静态磁场测量时需要外加激励磁场源，存在驱动、解调电路复杂的问题。

谐振式传感器是一种依赖于谐振结构工作的传感器，被广泛应用于各种参量的检测。谐振式磁场传感器在检测磁场时主要是利用磁场对载流弹性支撑梁作用产生安培力，随后安培力传递到谐振器上改变谐振结构的谐振频率。通过测量被安培力调制的谐振频率的变化量来测量安培力，通过理论换算公式就可以达到磁场检测的目的。Joshua E.-Y.Lee等人设计的谐振式磁场传感器采用硅制作谐振器，硅不具备压电性，工作时需要采用静电激励的方式激励谐振器振动，而其信号检测方式也采用静电激励电容检测，激励与检测电路复杂。

发明内容

针对上述磁场传感器存在的各种不足，本发明提出了一种石英谐振式MEMS磁场传感器，采用由高Q值石英材料制作而成的石英音叉谐振器作为磁场检测的核心单元，在磁场检测时具有高Q值，低损耗的优势，其灵敏度高、分辨率高，可用于检测静态、准静态和低频磁场的高灵敏度探测，且体积小，成本低。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种石英谐振式MEMS磁场传感器，包括石英音叉、载流弹性支撑梁、振荡电路以及频率计；石英音叉的两端分别固定在一个载流弹性支撑梁上；振荡电路与石英音叉上的电极相连，振荡电路用于激励音叉产生谐振；频率计用于检测振荡电路输出的频率信号。

进一步，载流弹性支撑梁受磁场作用产生的安培力传递到石英音叉上使石英音叉轴向受力，从而引起石英音叉谐振频率的变化，使用频率计检测石英音叉的频率变化量以检测出磁场。

进一步，两个载流弹性支撑梁相互平行，载流弹性支撑梁的两端均安装在框架上，石英音叉的长度方向与载流弹性支撑梁的长度方向垂直。

进一步，所述石英音叉使用Z切的石英基片制作而成。

进一步，所述石英音叉包括两个振梁，音叉振梁具有四个面，并设置有四个电极，其中两个为正电极、另外两个为负电极，正负电极间隔设置；以应力接近为零的两个位置为分界点，将音叉振梁分为三部分，每一个电极沿振梁长度方向同样包括依次相连接的三个部分，音叉振梁的三个部分与电极的三个部分相对应；同时，每个电极的三个部分分别位于振梁上相邻的三个面上。

进一步，假设音叉振梁的长度为L，则应力接近为零的两个位置分别为0.22L处和0.76L处。

进一步，各电极两端引出有焊盘，用于与振荡电路连接。

进一步，载流弹性支撑梁的表面沿长度方向镀有金属电流导体，工作状态下，沿两个载流弹性支撑梁长度方向流过大小相等但方向相反的电流。

进一步，由电流发生模块提供电流。

进一步，金属电流导体引出有电流输入焊盘，用于与电流发生模块连接，电流输入焊盘安装在框架上。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明所提出的谐振式MEMS磁场传感器输出为数字频率信号，相比于模拟信号输出的磁场传感器，不需要复杂的检测电路，不需要进行A/D转换；

(2)本发明采用高Q值的压电石英制作谐振器，仅需要极小的驱动功耗就可使音叉振动，且驱动电路和检测电路简单；

(3)石英音叉谐振器的谐振频率在几十千赫兹，远高于环境噪声，即使采用滤波器降噪，仍能保持宽带和快速响应，因此这种通过频率测量实现磁场测量的方法，具有先天对噪声不灵敏的优点，抗干扰能力强，适合在恶劣电磁环境下使用。

附图说明

图1是本发明石英谐振式磁场传感器原理图；

图2是本发明石英谐振式磁场传感器中磁敏感单元的结构示意图；

图3是谐振式磁敏感单元中载流弹性支撑梁的局部放大图；

图4是本发明石英谐振式磁场传感器中音叉振梁电极涂布示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明石英谐振式MEMS磁场传感器的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

在本发明所述的石英谐振式MEMS磁场传感器中，谐振式磁敏感单元采用一体式结构设计，将双端固定石英音叉、载流弹性支撑梁和电极集成于一块石英基片上。工作在磁场中时，载流弹性支撑梁受磁场作用产生安培力，该安培力传递到石英音叉上会使石英音叉轴向受力，而横向振动的石英音叉对轴向力十分敏感，从而引起音叉谐振频率的变化，通过检测石英音叉的频率变化量就可以达到磁场检测的目的。

实施例

如图1所示，本实施例所示石英谐振式MEMS磁场传感器包含谐振式磁敏感单元、电流发生模块以及振荡电路。谐振式磁敏感单元为采用高Q值的石英材料制作的一体式结构，如图2所示，其包括双端固定的石英音叉1、载流弹性支撑梁2、电流输入焊盘3和音叉激振焊盘4。

双端固定的石英音叉1，所述石英音叉1包含两个尺寸相同，相互平行的振梁。所述石英音叉1两端分别固定在两根载流弹性支撑梁2的中部，且石英音叉1的长度方向与载流弹性支撑梁2长度方向垂直，载流弹性支撑梁1两端分别固定于与其一体化的框架上。

优选的，石英音叉1采用对温度响应不灵敏的Z切型石英基片制作而成。通过光刻、腐蚀、溅射电极等工艺过程，在音叉的振梁上下左右四个表面制备特殊形状的电极。假设振梁的长度为L，本发明在振梁长度的0.224和0.776倍(0.224L，0.776L)位置附近，使涂布正负电极发生反转，如图4所示。在图4中，A-A截面所代表的振梁上部(横放时为振梁左部)以及C-C截面所代表的振梁下部(横放时为振梁右部)垂直于Z轴面上的电极(Vd)为正极，垂直于X轴面上的电极(G)为负极，B-B截面所代表的振梁中部垂直于X轴面上的电极(Vd)为正极，垂直于Z轴面上的电极(G)为负极。也就是说，当正负电极被接入振荡电路时，以(0.224L，0.776L)位置为分界点，振梁内部的电极化方向发生反转，从而由于逆压电效应在振梁内部产生的应力分布方向也发生反转，从而诱发出两根振梁振动方向相反、振形对称的振动模态。这种振动模态的优点在于，在两端两个振梁的弯矩会相互抵消，极大地减小了能量损耗。为了便于激励石英音叉振梁振动和检测振梁表面电极中的电信号，正负电极分别引出到焊盘4，如图4所示。此外，在电极焊盘的两端分别设计了引出电极，即分别存在两个焊盘G和焊盘Vd，可通过检测两个焊盘G是否导通，以及两个焊盘Vd之间的电阻值来判断表面电极的制作质量

具体来说，当音叉发生振动方向相反、振形对称的振动模态时，在音叉长度L的0.22倍和0.76倍位置附近，应力接近为0。以此应力接近为0的位置为分界点，可将音叉的振梁分为三段，那么该三段振梁内部的应力分布方向发生反转，从而电磁超(压电)材料内部的电极化发生反转，所以用于提取电极化产生电荷的振梁表面的正负电极在该三段依次发生反转。如图4所示，对于右侧振梁，其上段A-A截面和振梁下段C-C截面，垂直于Z轴面上的电极为正极G，垂直于X轴的面上电极为负极Vd，振梁中段B-B截面，垂直于Z轴面上的电极为负极Vd，垂直于X轴的面上电极为正极G；其中，上段A-A截面的下部正极G、中段B-B截面的右部正极G以及下段C-C截面的底部正极G为同一正电极依次在右侧振梁底面、右侧面以及上面的反转；上段A-A截面的上部正极G、中段B-B截面的左部正极G以及下段C-C截面的上部正极G为同一正电极依次在右侧振梁上面、左侧面以及下面的反转。同理，另外有两个负电极依次在振梁上分三段反转。左侧振梁与右振梁结构一样，其上段A-A截面和振梁下段及C-C截面，垂直于Z轴面上的电极为负极Vd，垂直于X轴的面上电极为正极G，振梁中段B-B截面，垂直于Z轴面上的电极为正极G，垂直于X轴的面上电极为负极Vd。左侧振梁的四个面上，同样有两对电极分三段反转。但在左侧振梁与右侧振梁相对的两个面上，三段对应的电极相反。

为了便于检测石英振梁表面电极上的电信号，正负电极分别在两端引出正极焊盘G和负极焊盘Vd。可通过检测振梁两端的正极焊盘G是否导通，以及振梁两端的负极焊盘Vd之间的电阻值来判断表面电极的制造质量

音叉激振焊盘4与振荡电路相连接，优选的，可采用如图1虚线框内所示的门电路作为振荡电路。当振荡电路内部的电源接通时，会在振荡电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量，经过放大反馈给石英谐振器，而石英谐振器自身是一个选频网络，它会选择一个单一频率的正弦量输出，输出的频率信号可以通过频率计来检测。

优选的，振荡电路还可以是皮尔斯振荡电路、布特勒振荡电路等。

载流弹性支撑梁2的表面轴向镀有金属电极，用于电流传输，并在弹性支撑梁2的两端引出电流输入焊盘3到弹性支撑梁的固定框架上，当电流发生模块的电流输出端与载流弹性支撑梁2的电流输入焊盘3连接时，载流弹性支撑梁2的表面电极中有电流通过。通过设计电流正负输出端与电流输入焊盘3的连接关系，使两个载流弹性支撑梁2流过大小相等但方向相反的电流。

所述电流发生模块可产生0.5mA～200mA幅值的交流或直流电流，典型的可采用货架产品可编程电流源实现，例如LT3092等。

传感器工作时，当左边的载流弹性支撑梁2中电流方向为由下至上的竖直方向，右边的载流弹性支撑梁2中电流方向与左边相反由上至下的竖直方向时，磁场B方向垂直于纸面向里，则左侧载流弹性支撑梁产生水平向左的安培力F，而右侧载流弹性支撑梁则受到大小相等方向相反(即水平向右)的安培力F，如图1所示，安培力F传递到中间的石英音叉上使石英音叉1轴向受力(拉力或者压力)，从而石英晶体音叉谐振器的谐振频率由于力频率效应产生变化。通过频率计检测谐振频率的变化量即可实现磁场测量。

所述频率计可借鉴现有的频率测量电路和方法实现，典型的，可基于FPGA芯片，采用采用非周期同步方法实现高精度频率测量。

由洛伦兹力的相关知识可知，位于磁场中的运动电荷会受到磁场作用产生洛伦兹力作用，而电流中运动电荷为负电荷，所以位于磁场中的载流导体会受到与洛伦兹力大小相等方向相反的安培力。本发明所述石英谐振式MEMS磁场传感器中，石英音叉谐振器两端与载流弹性支撑梁连接，载流弹性支撑梁在磁场中受到磁场作用产生洛伦兹力，该洛伦兹力传递到石英音叉上会使石英音叉轴向受力，而横向振动的音叉对轴向力比较敏感，因此会引起石英音叉谐振频率的改变，即频率漂移。通过测量石英音叉谐振频率的变化并换算成磁场变化就能达到磁场检测的目的。该石英谐振式MEMES磁场传感器的输出信号为数字频率信号，数字频率信号抗干扰能力强，且不需要复杂的信号处理电路，从而大大地降低了因采用复杂信号处理电路带来的噪声影响，对提高磁场传感器的各项性能指标具有重要意义。

Claims (8)

1.石英谐振式MEMS磁场传感器，其特征在于，包括石英音叉、载流弹性支撑梁、振荡电路以及频率计；石英音叉的两端分别固定在一个载流弹性支撑梁上；振荡电路与石英音叉上的电极相连，振荡电路用于激励石英音叉产生谐振；频率计用于检测振荡电路输出的频率信号；载流弹性支撑梁受磁场作用产生的安培力传递到石英音叉上使石英音叉轴向受力，从而引起石英音叉谐振频率的变化，使用频率计检测石英音叉的频率变化量以检测出磁场；

所述石英音叉包括两个振梁；音叉振梁具有四个面，并设置有四个电极，其中两个为正电极、另外两个为负电极，正负电极间隔设置；以应力接近为零的两个位置为分界点，将音叉振梁分为三部分，每一个电极沿振梁长度方向同样包括依次相连接的三个部分，音叉振梁的三个部分与电极的三个部分相对应；同时，每个电极的三个部分分别位于振梁上相邻的三个面上。

2.如权利要求1所述的石英谐振式MEMS磁场传感器，其特征在于，两个载流弹性支撑梁相互平行，载流弹性支撑梁的两端均安装在框架上，石英音叉的长度方向与载流弹性支撑梁的长度方向垂直。

3.如权利要求1所述的石英谐振式MEMS磁场传感器，其特征在于，所述石英音叉使用Z切的石英基片制作而成。

4.如权利要求1所述的石英谐振式MEMS磁场传感器，其特征在于，假设音叉振梁的长度为L，则应力接近为零的两个位置分别为0.22L处和0.76L处。

5.如权利要求1所述的石英谐振式MEMS磁场传感器，其特征在于，各电极两端引出有焊盘，用于与振荡电路连接。

6.如权利要求1所述的石英谐振式MEMS磁场传感器，其特征在于，载流弹性支撑梁的表面沿长度方向镀有金属电流导体，工作状态下，沿两个载流弹性支撑梁长度方向流过大小相等但方向相反的电流。

7.如权利要求6所述的石英谐振式MEMS磁场传感器，其特征在于，由电流发生模块提供电流。

8.如权利要求7所述的石英谐振式MEMS磁场传感器，其特征在于，金属电流导体引出有电流输入焊盘，用于与电流发生模块连接，电流输入焊盘安装在框架上。

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