CN100363752C - 水平式隧穿磁强计 - Google Patents
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Abstract
水平式隧穿磁强计，属于传感器技术领域。为了解决现有技术中隧穿式磁强计的加工难度大的问题，本发明公开了一种用于磁场测量的微小型水平式隧穿磁强计，包括表头芯片和反馈控制电路部分，表头芯片由硅片和玻璃两部分键合而成，所述硅片部分包括质量弹簧系统和线圈，在所述质量弹簧系统中，仅有一个表面加工了线圈，由被测磁场和所述线圈中电流产生的洛伦兹力方向与所述质量弹簧系统中加工了线圈的表面平行。本发明的优点在于：敏感元件只有一个表面需要加工，可以较大地降低敏感元件的加工难度。同时由于主体部分都在磁强计的硅片上加工，可以有效降低硅片和玻璃所需要的对准精度。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域。
背景技术
磁强计是用来测量磁场强度的传感器，它是各类飞行器、航天器中一个重要的部件，在其他领域中也有极为广泛的应用。工业、农业、国防，以及生物、医学、宇航、星际研究等等各个部门几乎都离不开磁场测量。
隧穿式磁强计是基于MEMS加工技术的微小型磁强计。它的工作原理利用了量子力学中的隧道效应，相对于其它种类的磁强计，这是设计原理上的改变。
目前国内还没有研制出能体现隧穿效应的磁强计。从查阅的英文资料看，国外只有美国研制了隧穿式磁敏感器样机，但没有产品化，而且样机的性能波动较大，加工的成品率不高。
美国航天局空气推进实验室(JPL)研制的样机结构如图1所示：
该方案的上硅片是一个深腔结构，薄膜位于深腔结构的底部，薄膜上的线圈是用非接触光刻的方法加工的。下硅片也是一个深腔结构，在深腔结构内加工硅尖。两硅片之间用硅-硅键合的方式组装。
原理是：首先静电驱动电路施加静电力，将薄膜拉至与硅尖10的距离，此时在180mv的偏置电压作用下，就会产生大约1.4nA的隧道电流，然后在薄膜线圈上通入交流电，在环境磁场的作用下，会产生洛伦兹力，薄膜在洛伦兹力的作用下，会上下振动，导致薄膜和硅尖之间的距离发生变化，从而使得隧穿电流产生波动，测量隧穿电流的变化，就能得到磁场强度的大小。由于硅尖和薄膜之间的距离(即隧道间隙)每变化1，都会导致隧穿电流以几倍的幅度增加或减少，因此隧穿磁强计具有很高的精度。
这种结构的磁强计我们称之为：垂直式隧穿磁强计，它的特点是：磁场产生的洛伦兹力方向和磁强计敏感元件(薄膜)的结构平面相互垂直。垂直式隧穿磁强计加工困难。原因在于：上硅片薄膜的两个表面都要加工，内表面要加工电极，外表面要加工线圈，加工过程中薄膜很容易破裂，即使不破裂也容易产生下垂，导致设计的薄膜和硅尖的原始距离不能保证，甚至薄膜和硅尖会直接贴合。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中隧穿式磁强计的加工难度大的问题。
本发明提供了一种水平式隧穿磁强计，包括表头芯片和反馈控制电路部分，其特征在于：所述的表头芯片由硅片和玻璃两部分键合而成，所述硅片部分包括质量弹簧系统和线圈，在所述质量弹簧系统中，仅有一个表面加工了线圈，由被测磁场和所述线圈中电流产生的洛伦兹力方向与所述质量弹簧系统中加工了线圈的表面平行。
本发明所述质量弹簧系统包括作为运动主体的质量块、位于所述质量块前端的硅尖和对称设置在所述质量块两侧的梁，所述硅尖上镀有电极。
本发明所述的线圈布置在所述梁及质量块上。本发明所述的梁为直梁或折叠梁。所述的梁至少为4根。本发明所述硅片部分还包括检测电极、线圈电极、前梳齿及前梳齿电极，和后梳齿及后梳齿电极，所述检测电极和硅尖上的电极对应设置，所述前梳齿及其电极和后梳齿及其电极分别对应设置在所述质量块的前后。
本发明的特点是：磁场产生的洛伦兹力方向和磁强计敏感元件(质量弹簧系统)的结构平面在同一水平面内。和垂直式隧穿磁强计相比，本发明具有如下优点：(1)硅尖、质量弹簧系统、线圈和梳齿驱动电极均布置在硅片上。(2)只在质量弹簧系统的一个表面加工了线圈，另一表面没有加工电极，避免了垂直式隧穿磁强计中难度很大的两表面均加工的薄膜。另外，在加工线圈的过程中，即使质量弹簧系统有下垂现象也不会影响原始隧道间隙。(3)由于磁场力敏感方向位于器件结构平面内，实验过程中易于观察器件运动情况，尤其是隧道结构处的情况。(4)采用梳齿静电驱动代替平板静电驱动，可以获得更好的线性度。
附图说明
图1为现有的隧穿式磁强计典型结构图。
图2a为本发明所述的水平式隧穿磁强计的硅片部分的立体图。
图2b为本发明所述的水平式隧穿磁强计的玻璃部分的立体图。
图3为硅片部分的一种实施方案的主体结构图。
图4为硅片部分的另一种实施方案的主体结构图。
图5为本发明的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图来具体说明本发明。
本发明提出的水平式隧穿磁强计，包括表头芯片和反馈控制电路部分。其中，表头芯片由硅片和玻璃两部分键合而成。图2a显示的表面为硅片部分的键合面。硅片部分的基体材料为硅片，这是磁强计的主要部件。硅片部分包括质量弹簧系统和线圈，在质量弹簧系统中，仅有一个表面加工了线圈，由被测磁场和线圈中电流产生的洛伦兹力方向与质量弹簧系统中加工了线圈的表面平行。质量弹簧系统包括作为运动主体的质量块、位于质量块前端的硅尖和对称设置在质量块两侧的梁，硅尖上镀有电极。线圈布置在梁及质量块上。梁为直梁或折叠梁。梁至少为4根，根据实际需要可以有4根、6根、8根和10根等。硅片部分还包括检测电极、线圈电极、前梳齿及其电极，和后梳齿及其电极，检测电极和硅尖上的电极对应设置，前梳齿及其电极和后梳齿及其电极分别对应设置在质量块的前后。
图2b显示的表面为玻璃部分的键合面。玻璃部分的基体材料为玻璃，上面布置有键合台阶和引出电极，即磁强计所需的电极都通过该部分引出。
磁强计表头芯片的硅片部分的结构设计体现了本发明的突出的实质性特点。
方案一：硅片部分采用直梁结构，如图3所示。其中，1为线圈，2为前梳齿，3为硅尖上的电极(简称硅尖电极)，4为与硅尖对应的检测电极，5为质量弹簧系统，6为线圈电极，7为后梳齿。
线圈1布置在梁及质量块上；前梳齿2的作用是拉动质量块，使硅尖电极3和检测电极4之间的距离从原始间隙减少至能产生隧道电流的间隙；质量弹簧系统5包括质量块、硅尖和梁，共有四根梁，质量块的两侧各布置两根梁。实际加工中，梁的数目可以是4根、6根、8根、10根等。质量弹簧系统5和玻璃部分脱离接触，呈悬空状态，是磁强计中的运动部件；线圈电极6是给线圈1加交流电的元件；后梳齿7起反馈控制隧道间隙的作用。
方案二：硅片部分采用折叠梁结构，如图4所示。
此方案特点是：将直梁改为折叠梁，可以降低质量弹簧系统的刚度，从而降低前梳齿所需的梳齿驱动电压。各元件的作用和方案一相同。
本发明所述的磁强计的工作原理是：首先由靠近硅尖的前梳齿电极将质量弹簧系统往硅尖方向拉一个期望位移，大约为3um左右(检测电极与硅尖之间的原始距离为3um)，使得检测电极与硅尖之间的距离为10(即隧道间隙为10)，此时在硅尖和对应的检测电极之间施加180mv的驱动电压，会产生大约1.4nA的隧道电流，然后再给线圈通上交流电，通电线圈在被测磁场(磁场方向垂直于纸面)的作用下将产生洛伦兹力，该力使质量弹簧系统作谐振运动，导致隧道间隙发生变化，使得隧道电流的大小也跟着变化，将隧道电流转变成电压，再和标准电压比较，得出反馈电压，通过反馈控制电路将此电压加到后梳齿，通过改变梳齿静电力改变隧道间隙，使得隧道电流保持稳定。通过测量反馈电压的大小可以确定磁场强度的大小。
图5给出了本发明的电路原理图，本发明所述的反馈控制电路可以分成五个环节，即：隧穿环节100、比较环节200、滤波环节300、反馈环节400和显示环节500。其中：隧穿环节100主要由一个能提供稳压源的芯片AD584和将隧穿电流转变成电压的流/压转换电阻组成；比较环节200主要由差动放大器和一个提供稳压源的芯片AD584构成；滤波环节300主要由一阶滤波器和二阶滤波器组成；反馈环节主要由一个直流稳压源和可调电阻组成；显示环节主要由带通滤波器组成。具体工作原理简述如下：
在隧穿环节中：利用能够提供mV级稳定直流电位的AD584芯片提供180mV左右的电压加在隧道间隙两端，以供产生隧道电流。当隧道间隙达到工作点(10左右)时，将产生隧道电流，理想状态下，若隧道间隙保持不变，则该电流为一直流量(约为1nA)。而位于磁场中的质量块上的线圈，由于通有激励交变电流，将受到交变洛仑兹力的作用，质量块(亦即隧道间隙)将随之作简谐振动，由此产生的交变nA级隧道电流将叠加在原直流分量上，该叠加电流经过流/压转换电阻Rs后，进行了I/V转换，转换成mV级的交变电压(具有直流分量，约为10mV)。
在比较环节中：I/V转换后得到的电压通过差动放大器(实际电路中用的是INA114)与AD584提供的约10mV的直流电位作减法，将原信号中的直流分量减去，得到均值约为0的交流电压信号。
在滤波环节中：上述均值约为0的交流电压信号噪声很大，要经过滤波。为方便调试，本电路的滤波方式可以在一阶无源低通滤波、二阶有源低通滤波、无滤波三种模式下切换，以便参照比较。
在反馈环节中：上述均值约为0的交流电压信号作为负反馈信号叠加在原有的约为几十伏的直流电压上共同作用在梳齿驱动电极两端，形成稳定的负反馈力，以达到控制质量块的振动、稳定隧道间隙的目的。原有的几十伏直流电压的作用是：加在梳齿电极两端，产生静电力，将隧道间隙减小至10左右，使隧穿式磁强计进入工作状态。
在显示环节中：上述均值约为0的交流电压信号，通过带通滤波环节后进一步提高信噪比，该电压信号的幅值正比于作用在质量块上的交变洛仑兹力的幅值，而洛仑兹力的幅值又正比于磁场强度的大小，因而，通过测量该电压信号就能测得磁场强度的大小。
Claims (7)
1.水平式隧穿磁强计，包括表头芯片和反馈控制电路部分，其特征在于：所述的表头芯片由硅片和玻璃两部分键合而成，所述硅片部分包括质量弹簧系统和线圈，在所述质量弹簧系统中，仅有一个表面加工了线圈，由被测磁场和所述线圈中电流产生的洛伦兹力方向与所述质量弹簧系统中加工了线圈的表面平行。
2.根据权利要求1所述的水平式隧穿磁强计，其特征在于：所述质量弹簧系统包括作为运动主体的质量块、位于所述质量块前端的硅尖和对称设置在所述质量块两侧的梁，所述硅尖上镀有电极。
3.根据权利要求2所述的水平式隧穿磁强计，其特征在于：所述线圈布置在所述梁及质量块上。
4.根据权利要求2所述的水平式隧穿磁强计，其特征在于：所述的梁为直梁或折叠梁。
5.根据权利要求2所述的水平式隧穿磁强计，其特征在于：所述的梁至少为4根。
6.根据权利要求2所述的水平式隧穿磁强计，其特征在于：所述的梁为4根、6根、8根或10根。
7.根据权利要求2所述的水平式隧穿磁强计，其特征在于：所述硅片部分还包括检测电极、线圈电极、前梳齿及前梳齿电极，和后梳齿及后梳齿电极，所述检测电极和硅尖上的电极对应设置，所述前梳齿及其电极和后梳齿及其电极分别对应设置在所述质量块的前后。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102095893A (zh) * | 2009-11-18 | 2011-06-15 | 罗伯特.博世有限公司 | 确定一种加速度或磁场传感器灵敏度的方法 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014151370A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-25 | Invensense, Inc. | Magnetometer using magnetic materials on accelerometer |
| CN203551758U (zh) | 2013-07-26 | 2014-04-16 | 江苏多维科技有限公司 | 一种单磁阻tmr磁场传感器芯片及验钞机磁头 |
| CN110542869A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-12-06 | 西北工业大学 | 基于模态局部化效应的微弱磁场测量装置及方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0734032B2 (ja) * | 1989-07-27 | 1995-04-12 | インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン | 磁力測定装置及び方法 |
| US5465049A (en) * | 1992-04-20 | 1995-11-07 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Integrated type planar magnetic sensor having SQUID and flux transformer formed of oxide superconductor |
| JP2834212B2 (ja) * | 1989-09-11 | 1998-12-09 | 株式会社日立製作所 | 磁性探針 |
| US5911157A (en) * | 1994-01-18 | 1999-06-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Tunnel effect sensor |
| US5932876A (en) * | 1996-10-24 | 1999-08-03 | Centre Suisse E'electronique Et De Microtechnique S.A. | Tunnel effect sensor, suitable for determining the topography of a surface |
| CN1367481A (zh) * | 2001-01-24 | 2002-09-04 | 雅马哈株式会社 | 磁传感器及其制造方法 |
| CN1417872A (zh) * | 2001-10-29 | 2003-05-14 | 雅马哈株式会社 | 磁传感器 |
-
2004
- 2004-09-03 CN CNB2004100740750A patent/CN100363752C/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0734032B2 (ja) * | 1989-07-27 | 1995-04-12 | インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン | 磁力測定装置及び方法 |
| JP2834212B2 (ja) * | 1989-09-11 | 1998-12-09 | 株式会社日立製作所 | 磁性探針 |
| US5465049A (en) * | 1992-04-20 | 1995-11-07 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Integrated type planar magnetic sensor having SQUID and flux transformer formed of oxide superconductor |
| US5911157A (en) * | 1994-01-18 | 1999-06-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Tunnel effect sensor |
| US5932876A (en) * | 1996-10-24 | 1999-08-03 | Centre Suisse E'electronique Et De Microtechnique S.A. | Tunnel effect sensor, suitable for determining the topography of a surface |
| CN1367481A (zh) * | 2001-01-24 | 2002-09-04 | 雅马哈株式会社 | 磁传感器及其制造方法 |
| CN1417872A (zh) * | 2001-10-29 | 2003-05-14 | 雅马哈株式会社 | 磁传感器 |
| US6707298B2 (en) * | 2001-10-29 | 2004-03-16 | Yamaha Corporation | Magnetic sensor |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 一种微型隧道效应磁强计的设计. 朱俊华，丁衡高，叶雄英.仪表技术与传感器，第8期. 2000 * |
| 微型隧道效应磁强计的设计和加工工艺研究. 朱俊华，周兆英，叶雄英，张大成，郝一龙，李婷.微细加工技术，第1期. 2000 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102095893A (zh) * | 2009-11-18 | 2011-06-15 | 罗伯特.博世有限公司 | 确定一种加速度或磁场传感器灵敏度的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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