CN102073022B - 磁强计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁强计，它包括基底(1)、设置在基底(1)上的点支承(2)、在点支承(2)上可倾斜地支承的振动结构(3)和用于确定振动结构(3)相对于基底(1)的倾斜的检测器(5)。在此该振动结构(3)具有以至少一圈围绕振动结构(3)的支承点(P)导引的电导线(4)。本发明还涉及一种用于通过这种磁强计测量磁通密度的方法。

Description

磁强计

技术领域

本发明涉及一种磁强计和一种用于通过这种磁强计测量磁通密度的方法。

背景技术

磁强计作为传感器用于检测磁场。例如在罗盘应用中为了获得地磁场使用磁强计。已知微机电的磁强计，它们利用洛伦茨力将施加的磁场转换成偏转，接着电容地读出该偏转。但是磁强计大多对于每个场分量使用独立的、占用空间的检测结构。

发明内容

本发明的内容是磁强计，它包括

-基底，

-设置在基底上的点支承，

-在点支承上可倾斜地支承的振动结构，其中振动结构具有以至少一圈围绕振动结构的支承点导引的电导线，以及

-用于确定振动结构相对于基底的倾斜的检测器。

通过这种磁强计可以有利地测量外部磁场的分量(B_x和B_y)，它们平行于基底的表面延伸。在此该磁强计的优点是，通过检测结构可以测量磁场的两个场分量。通过这种方式这种磁强计可以比其它磁强计占据更少的空间。除了紧凑的结构形式以外，作为另一优点这个磁强计具有良好一致的灵敏度，这能够应用于罗盘。

在一种实施例的范围内，所述电导线可以通过点支承电触通。通过这种方式可以有利地简化电导线的触通。

所述振动结构优选可以至少围绕第一轴线和第二轴线倾斜。第一轴线和第二轴线优选通过支承点延伸并且相互处于垂直。一圈电导线通过四个正交连接的、直线导线段构成，其中两个导线段平行于第一轴线，而另两个导线段平行于第二轴线设置，或者其中两个导线段垂直于第一轴线，而另两个导线段垂直于第二轴线设置。

所述电导线优选以至少两圈、尤其至少三圈围绕振动结构的支承点导引。

所述检测器为了确定倾斜方向和/或倾斜度而构成。

在另一实施例的范围内，所述检测器

-电容地，和/或

-压阻地，和/或

-压电地，和/或

-以场效应晶体管为基础通过可活动的门电极或可活动的通道区域(moving-gateWandlung(IG-FET))确定倾斜、尤其倾斜方向和/或倾斜度。

所述检测器尤其可以是电容式检测器。

在另一实施例的范围内，所述检测器具有至少两个、尤其至少四个在基底上构成的电极，它们通过电导线构成可差分分析的检测电容。在此电极尤其可以在四个通过第一和第二轴线构成的振动结构的正方形下方在基底上构成。

在另一实施例的范围内，所述点支承具有阻尼该阻尼可以具有例如≥0.5至≤1的品质因数(临界阻尼)或者明显大于1的品质因数(Güte)、例如大于10的品质因数，例如大于500的品质因数。例如可以由此实现明显大于1的品质因数，即振动结构设置在低气体压力、例如100Pa的空间中。

在另一实施例范围内，所述基底、点支承、振动结构和检测器由微机电的结构构成。

在另一实施例范围内，所述微机电结构和分析电路单片地集成在一个芯片中。这一点例如可以通过加工方法实现，它们能够允许单片地集成微机电的结构和分析电路在一个公共的芯片上。这种加工方法尤其可以以用于加工微电子电路的半导体工艺为基础，尤其是CMOS工艺，其中CMOS工艺包括至少一个半导体工艺步骤和至少一个布线工艺步骤，其中磁强计的微机电结构在布线工艺步骤和接着的结构化工艺步骤中构成。这种方法例如在文献US6,458,615B1中描述。

所述磁强计可以是罗盘、尤其是电子罗盘的主要组成部分。

因此本发明也涉及罗盘、尤其是电子罗盘(E罗盘)，它包括按照本发明的磁强计。除了按照本发明的磁强计以外，所述罗盘可以具有用于位置补偿、例如以斜度或加速度传感器形式的装置。

本发明的另一内容是一种用于通过按照本发明的磁强计测量磁通密度的方法，包括下述方法步骤：

a)引入电流到导线中，以及

b)通过检测器确定倾斜、尤其是倾斜方向和/或倾斜度。

通过引入电流到导线中，磁场分量沿着第一轴线(x)引起转矩，并由此引起围绕第二轴线(y)的倾斜，并且磁场分量沿着第二轴线(y)引起转矩，并由此引起围绕第一轴线(x)的倾斜。

在本方法的实施例范围内，所述检测器具有至少两个、尤其至少四个在基底上构成的电极，它们与电导线构成可差分分析的检测电容，其中在方法步骤b)中通过差分分析检测电容确定倾斜、尤其是围绕第一和第二轴线的倾斜。

在此例如可以交替地分析参数

$\frac{C_{11a}+C_{11b}-C_{21a}-C_{21b}}{C_{11a}+C_{11b}+C_{21a}+C_{21b}}$ 和 $\frac{C_{11a}-C_{11b}+C_{21a}-C_{21b}}{C_{11a}+C_{11b}+C_{21b}+C_{21b}}$

在本方法的另一实施例范围内，所述磁强计的点支承具有≤30品质因数的阻尼、尤其≥0.5至≤1的品质因数(临界阻尼)，并且在方法步骤a)引入直流电或交流电。在此引入交流电对于抑制噪声和/或对于偏移稳定性在下面的变换步骤中是有利的。

但是所述磁强计也可以谐振地运行。

为此在本方法的另一实施例中，所述磁强计的点支承具有明显大于1的品质因数的阻尼、例如大于10的品质因数、例如大于500的品质因数，并且在方法步骤a)引入交流电压并且解调产生的信号。其优点是，由此可以提高测量信号。

在谐振运行情况下所述磁强计还可以有利地位置受控地进行驱动。在此“位置受控地进行驱动”尤其指的是，通过适合的调节电路将反矩这样施加在结构上，使这个结构几乎保持静止(所谓的“closed-loop(闭环)”运行)。由此尽管通过高的品质因数引起的窄的结构谐振峰，也能够有利地实现足够的测量带宽(所谓的“电子阻尼”)，其中保留高的信噪比(SNR)。

因此在本方法的另一实施例的范围内，所述磁强计位置受控地运行。

附图说明

通过附图示出按照本发明的内容的其它优点和有利的扩展结构并且在下面的描述中解释。在此要注意，附图只具有所述的特征并且不意味着本发明局限于某种形式。附图中：

图1简示出按照本发明的磁强计实施例的横截面图，

图2简示出在图1中所示的按照本发明的磁强计实施例的俯视图。

具体实施方式

图1和2示出按照本发明的磁强计的可能的实施例。在此该磁强计包括基底1、设置在基底1上的点支承2、在点支承2上可倾斜地支承的振动结构3和用于确定振动结构3相对于基底1的倾斜的检测器5。振动结构3中心地支承在点支承2上。振动结构3尤其可以围绕第一轴线x和第二轴线y倾斜，其中第一轴线x和第二轴线y通过振动结构3的支承点P延伸并且相互间处于垂直。通过这种方式可以使振动结构3在沿着平行于基底1表面延伸的第一轴线x围绕第一轴线x的转矩的影响下，并且在沿着平行于基底1表面延伸的第二轴线y围绕第二轴线y的转矩的影响下发生倾斜。图2示出，这一点可以通过两个、穿过缺口6轮辐形地在振动结构3中实现的撑杆7保证。

图1和2还示出，板状构成的振动结构3具有以三圈围绕振动结构3的支承点P导引的电导线4。该电导线尤其以矩形线圈的形式围绕振动结构3的支承点P导引。在此一圈电导线4通过四个正交连接的、直线的导线段构成，其中两个导线段平行于第一轴线x两侧，而另两个导线段平行于第二轴线y两侧设置，或者其中两个导线段垂直于第一轴线x，而另两个导线段垂直于第二轴线y设置。在此电导线4在一侧通过点支承2电触通。

在图1和2中示出的实施例尤其具有电容式检测器。在此该检测器5尤其具有四个、在基底1上构成的电极11a，11b，21a，21b，它们通过电导线4构成可以差分分析的检测电容(C_11a，C_11b，C_21a，C_21b)。在此四个电极在四个通过第一轴线x和第二轴线y构成的振动结构的正方形下方在基底1上构成。

Claims (10)

1.磁强计，它包括

－基底（1）、

－设置在基底（1）上的点支承（2）、

－在点支承（2）上可倾斜地支承的振动结构（3），其中该振动结构（3）具有以至少一圈围绕振动结构（3）的支承点（P）导引的电导线（4），

－用于确定振动结构（3）相对于基底（1）的倾斜的检测器（5）。

2.如权利要求1所述的磁强计，其特征在于，所述电导线（4）可以通过所述点支承（2）电触通。

3.如权利要求1或2所述的磁强计，其特征在于，所述检测器（5）

－电容地，和/或

－压阻地，和/或

－压电地，和/或

－以场效应晶体管为基础通过可活动的门电极或可活动的通道区域来确定所述倾斜。

4.如权利要求1或2所述的磁强计，其特征在于，所述检测器（5）具有至少两个在基底（1）上构成的电极（11a，11b，21a，21b），它们通过所述电导线（4）构成可差分分析的检测电容（C_11a，C_11b，C_21a，C_21b）。

5.如权利要求1或2所述的磁强计，其特征在于，所述基底（1）、点支承（2）、振动结构（3）和检测器（5）由微机电的结构构成，其中微机电的结构和分析电路单片地集成在一个芯片中。

6.一种用于通过如权利要求1至5中任一项所述的磁强计测量磁通密度的方法，包括方法步骤：

a）引入电流到电导线（4）中，

b）通过检测器（5）确定倾斜。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述检测器（5）具有至少两个在基底（1）上构成的电极（11a，11b，21a，21b），它们与所述电导线（4）构成可差分分析的检测电容（C_11a，C_11b，C_21a，C_21b），其中在方法步骤b）中，通过差分分析检测电容（C_11a，C_11b，C_21a，C_21b）来确定所述倾斜。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述磁强计的点支承（2）具有≤30品质因数的阻尼，并且在方法步骤a）引入直流电或交流电。

9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述磁强计的点支承（2）具有明显大于1的品质因数的阻尼，并且在方法步骤a）引入交流电压，并且解调产生的信号。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述磁强计位置受控地进行驱动。