CN101059557A - 微机电系统磁场传感器及磁场测量方法 - Google Patents

微机电系统磁场传感器及磁场测量方法 Download PDF

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Abstract

微机电系统磁场传感器是一种功耗小、响应快，可靠性好的磁场传感器，在衬底(6)上设有由定梳齿电极(1)、动梳齿电极(2)、金属线(3)、连接弹簧(4)、锚区(5)组成的、左右对称于中线的传感器结构，定梳齿电极(1)与动梳齿电极(2)的梳齿部分相交错放置，二者之间互不接触；在动梳齿电极(2)的两侧分别设有连接弹簧(4)，连接弹簧(4)的两外端分别固定在锚区(5)上，金属线(3)位于连接弹簧(4)的上方，其两端固定在锚区(5)上，金属线(3)能随动梳齿电极(2)移动。磁场是利用感生电压的方法来测量的，即当该传感器处于磁场中时，在外加的电场作用下，使动梳齿电极(2)发生相对运动，通过测量金属(3)线上的电压，测得到磁场的大小。

Description

微机电系统磁场传感器及磁场测量方法
技术领域
本发明是一种通过MEMS(微机电系统)加工技术制造的磁场传感器，其原理是基于感生电压检测磁场强度，属于传感器制造的技术领域。
背景技术
磁场测量有很长的历史，磁场传感器主要有测量线圈磁场计、光泵磁力计、核旋进磁力仪、超导干涉量子磁力计、磁阻磁力计，此外还有霍尔传感器、磁二极管、磁晶体管、光缆磁力计、磁光传感器等。
MEMS技术的发展，使芯片上的微结构加工成为可能，同时降低了微机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务，这样促进了磁场传感器的发展。MEMS磁场传感器具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点。
另一方面，基于电磁感应的磁场传感器可以解决温度干扰的问题。
发明内容
技术内容：本发明的目的是提供一种微机电系统磁场传感器及磁场测量方法，利用金属线在磁场中作切割磁力线运动感应出电压的方法来测量磁场，即通过MEMS加工技术制造的基于感生电压测量的测试结构，该结构具有精度高、受温度影响小及性能可靠等优点。
技术方案：本发明是用于测量磁场的MEMS磁场传感器，该传感器以衬底为平面，在衬底上设有由定梳齿电极、动梳齿电极、金属线、连接弹簧、锚区组成的、左右对称于中线的传感器结构，定梳齿电极与动梳齿电极的梳齿部分相交错放置，二者之间互不接触；在动梳齿电极的两侧分别设有连接弹簧，连接弹簧的两外端分别固定在锚区上，金属线位于连接弹簧的上方，其两端固定在锚区上，金属线能随动梳齿电极移动。
磁场是利用感生电压的方法来测量的，即当该传感器处于磁场中时，在外加的电场作用下，使动梳齿电极发生相对运动，动梳齿电极的运动方向与磁场垂直，动梳齿电极带动其结构上方的金属线运动，金属线在磁场中运动感生出电压，而电压的大小取决于磁场的大小和金属线运动的速度，通过测量金属线上的电压，测得到磁场的大小。
有益效果：本发明可采用MEMS加工技术制造，制作方法和结构非常简单，可靠性好，该结构具有精度高、受温度影响小及性能可靠等优点。传统的微机械磁场传感器是利用洛伦兹力使梁发生扭转或者变形来测量磁场的，所以能耗大，温度效应明显。本发明采用感生电压原理来测量，通过测量在磁场中运动的金属线上感生的电动势来测量得到磁场的信息，避免了温度的影响。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的平面结构示意图。
以上的图中有：定梳齿电极1、动梳齿电极2、金属线3、连接弹簧4、锚区5、衬底6。
具体实施方案
本发明是一种用于测量磁场的磁场传感器。由定梳齿电极1、动梳齿电极2、金属线3、连接弹簧4、锚区5和衬底6构成。该传感器以衬底6为平面，在衬底6上设有由定梳齿电极1、动梳齿电极2、金属线3、连接弹簧4、锚区5组成的、左右对称于中线的传感器结构，定梳齿电极1与动梳齿电极2的梳齿部分相交错放置，二者之间互不接触；在动梳齿电极2的两侧分别设有连接弹簧4，连接弹簧4的两外端分别固定在锚区5上，金属线3位于连接弹簧4的上方，其两端固定在锚区5上，金属线3能随动梳齿电极2移动。
金属线3可以是Al、Au金等，定梳齿电极1、动梳齿电极2、连接弹簧4、锚区5是通过刻蚀得到的。金属线3上测量得到的电压的数值，变化的电压取决于磁场的大小，所以可以通过测量电压得到磁场的信息。
本例提出的磁场测试结构主要采用表面微机械加工技术实现。首先在硅衬底上氧化形成一层SiO2薄膜，然后再生长一层Si3N4绝缘层，这样就构成结构的总的衬底6，接着在Si3N4表面生长一层PSG牺牲层，通过光刻与刻蚀工艺，在牺牲层上开出锚区5窗口。然后淀积生长一层低应力的多晶硅结构层。对该多晶硅进行掺杂以降低电阻，再对表面溅射金属Al表面并光刻形成驱动及测量电极和金属线3。最后刻蚀多晶硅形成图1所示的结构，用BHF腐蚀PSG释放出微结构。
磁场是利用感生电压的方法来测量的，即当该传感器处于磁场中时，在外加的电场作用下，使动梳齿电极2发生相对运动，动梳齿电极2的运动方向与磁场垂直，动梳齿电极2带动其结构上方的金属线3运动，金属线3在磁场中运动感生出电压，而电压的大小取决于磁场的大小和金属线3运动的速度，通过测量金属3线上的电压，测得到磁场的大小。

Claims (2)

1.一种微机电系统磁场传感器，其特征在于该传感器以衬底(6)为平面，在衬底(6)上设有由定梳齿电极(1)、动梳齿电极(2)、金属线(3)、连接弹簧(4)、锚区(5)组成的、左右对称于中线的传感器结构，定梳齿电极(1)与动梳齿电极(2)的梳齿部分相交错放置，二者之间互不接触；在动梳齿电极(2)的两侧分别设有连接弹簧(4)，连接弹簧(4)的两外端分别固定在锚区(5)上，金属线(3)位于连接弹簧(4)的上方，其两端固定在锚区(5)上，金属线(3)能随动梳齿电极(2)移动。
2.一种如权利要求1所述的微机电系统磁场传感器的磁场测量方法，其特征在于，磁场是利用感生电压的方法来测量的，即当该传感器处于磁场中时，在外加的电场作用下，使动梳齿电极(2)发生相对运动，动梳齿电极(2)的运动方向与磁场垂直，动梳齿电极(2)带动其结构上方的金属线(3)运动，金属线(3)在磁场中运动感生出电压，而电压的大小取决于磁场的大小和金属线(3)运动的速度，通过测量金属(3)线上的电压，测得到磁场的大小。
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