CN102914749B - 微机械磁场传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微机械磁场传感器及其应用，所述微机械磁场传感器至少包括：谐振振子对和依次形成于其表面上的绝缘层及金属线圈。本发明利用差分电容激励和电磁感应来测量磁场大小，其中，构成谐振振子对的两个谐振振子结构工作在反相位模式，各该谐振振子结构上的金属线圈环绕方向相反，两个谐振振子结构上的金属线圈产生的感应电动势相互并联；由于驱动信号是差分信号，消除输出信号中的容性耦合信号，以获得单纯的磁场输出信号；同时，本发明利用耦合结构将两个谐振振子结构耦合起来使两个谐振振子结构连接为一体运动；进一步，本发明结构简单，受温度影响小，输出信号大，灵敏度高，检测的准确度高，适合高工作频率。

Description

微机械磁场传感器及其应用

技术领域

本发明属于微机械磁场传感器设计与检测技术领域，涉及一种磁场传感器，特别是涉及一种工作在扩张模态下微机械磁场传感器及其电路结构。

背景技术

通过感应地球磁场辨识方向或为舰船导航，特别是在航海、航天、自动化控制、军事以及消费电子领域，磁场传感器的应用越来越广泛。磁场传感技术向着小型化、低功耗、高灵敏度、高分辨率以及和电子设备兼容的方向发展。根据工作原理磁场传感器可以分为：超导量子干涉磁场传感器、霍尔磁场传感器、磁通门磁力计、巨磁阻磁场传感器以及感应线圈磁场传感器。

超导量子干涉磁场传感器在所有磁场传感器中灵敏度最高，但其结构复杂、体积庞大、价格昂贵且需要工作在低温环境下；霍尔磁场传感器功耗低、尺寸小，可以测量静态或者动态磁场，但其灵敏度低，噪声水平及静态偏移较大；磁通门磁力计用来测量静态或者缓慢变化的磁场，分辨率高、功耗小，但体积较大、频率响应较低；巨磁阻磁场传感器灵敏度高，但是不能测量大的磁场；感应线圈磁场传感器是基于法拉第电磁感应定律来探测变化的磁场，它的功耗低，结构简单（A. L. Herrera-May, L. A. Aguilera-Corts, P. J. Garca-Ramrez and E. Manjarrez, “Resonant magnetic field sensors based on MEMS technology”, Sensors, vol. 9,no. 10, pp.7785-7813, 2009.）。

利用MEMS（Micro Electro Mechanical system，微电子机械系统）技术制作的感应线圈磁场传感器结构简单，易于加工，与CMOS IC（Complementary Metal Oxide Semiconductor Integrated Circuit，互补金属氧化物半导体集成电路）工艺相兼容。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。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。

目前，MEMS结构的磁场传感器主要工作原理是：通有电流的感应线圈受到磁场作用的洛伦兹力后，引起支撑线圈的结构发生弯曲或者扭转，通过电容检测或者压阻检测、光学检测等方法测量出支撑线圈结构的扭转变形量或者弯曲变形量，就可以检测出磁场信号的大小。这些器件一般是将感应线圈制作在悬臂梁、U型梁或者可以弯曲或扭转的平板上。器件工作时，将器件放置在磁场中，并在感应线圈上通入电流。感应线圈就会受到洛伦兹力，洛伦兹力会引起悬臂梁、U型梁或者平板的弯曲或者扭转。通过测量悬臂梁、U型梁或者平板弯曲量或者扭转量的大小，就可以检测出磁场的大小。但是，由于这些器件工作都需要给感应线圈通入电流，因而他们的功耗比较大；另外这些器件一般工作在弯曲模态或者扭转模态，因而它们工作的谐振频率较低。

进一步，为了降低功耗和结构复杂度，MEMS结构的磁场传感器，还可以采用工作在扩张模态（为体模态的一种情况）下的谐振振子结构上加载金属线圈来实现。所述谐振振子可以是方形板、圆环板或者圆形板结构。图1a至图1c是工作在体模态的几种谐振振子结构的模态示意图，其中，虚线表示谐振振子结构在工作（谐振状态）时外部轮廓的形变趋势，图1a为工作在Square Extensional (SE)模态的方形板谐振振子结构，图1b为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆形板谐振振子结构，图1c为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆环板谐振振子结构。 但是该磁场传感器中的微机械磁场传感器是静电驱动的器件，由于输入信号与输出端口之间存在寄生电容，因此测量的输出信号中包含有由容性耦合引起的容性耦合信号。现有技术中，一般通过减小输入信号与输出端口之间寄生电容，从而减小容性耦合的影响。然而，这种方法只能减小容性耦合信号，并不能完全消除它，换言之，在输出信号中仍然存在容性耦合信号，无法得到单纯的磁场输出信号。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微机械磁场传感器，用于解决现有技术中微机械磁场传感器的输出信号无法消除容性耦合信号影响的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微机械磁场传感器，所述微机械磁场传感器至少包括：谐振振子对和依次形成于其表面上的绝缘层及金属线圈；其中，

所述谐振振子对包括：

两个具有轴对称结构的谐振振子结构，各该谐振振子结构的对称轴至少包括第一对称轴和第二对称轴，且所述的第一对称轴垂直于第二对称轴；

主支撑梁，位于所述第一对称轴上，两个谐振振子结构通过各自的主支撑梁相互耦合连接；

第一耦合梁，一端连接于相互耦合连接的所述主支撑梁上；

第一锚点，与所述主支撑梁的自由端相连接，其中，二谐振振子结构的第一锚点通过形成在其上的焊盘分别接地；

第二锚点，连接于所述第一耦合梁的另一端，且所述第二锚点通过形成在其上的焊盘连接输出端；

驱动电极，分别分布于各该谐振振子结构的相对侧，且与各该谐振振子结构之间形成有驱动间隙，所述驱动电极通过电阻连接至直流电源，且所述驱动电极通过电容连接至交流电源，其中，各该谐振振子结构的驱动电极分别连接至相位相反幅值相等的交流电源；

所述绝缘层形成于所述谐振振子对的谐振振子结构、主支撑梁及第一耦合梁上表面，同时，所述第一锚点与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层，所述第二锚点与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层；

所述金属线圈分别形成于各该谐振振子结构上的绝缘层上，所述金属线圈为藉由其对应的所述绝缘层中心为始端由内向外环绕的金属线圈，其中，一谐振振子结构上的金属线圈为顺时针环绕，另一振振子结构上的金属线圈为逆时针环绕；各该金属线圈的始端通过第一连接桥连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且各该金属线圈的末端通过第二连接桥经相互耦合连接的主支撑梁及第一耦合梁上的绝缘层连接于所述第二锚点上的焊盘；或者各该金属线圈的末端通过第二连接桥连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且各该金属线圈的始端通过第一连接桥经相互耦合连接的主支撑梁及第一耦合梁上的绝缘层连接于所述第二锚点上的焊盘；各该第一连接桥与位于其下的各该金属线圈之间形成有绝缘层。

可选的，所述谐振振子结构为矩形板、圆形板或圆环形板。

可选的，所述第一耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。

可选的，所述谐振振子对还包括第二耦合梁，所述第二耦合梁也连接于所述位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁上，且所述第二耦合梁连接有第三锚点；其中，所述第二耦合梁与所述第一耦合梁分别分布于所述第一对称轴两侧。

可选的，所述第二耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。

可选的，所述谐振振子结构为矩形板时，所述第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边。

可选的，所述谐振振子结构为正方形板时，所述第一对称轴和第二对称轴分别为正方形板两对角线的延长线。

可选的，所述谐振振子对还包括位于所述第二对称轴上且一端连接于所述谐振振子结构的旁支撑梁、以及连接于所述旁支撑梁另一端的第四锚点。

可选的，所述金属线圈为多层，各层所述金属线圈相互串联，且各层所述金属线圈具有相同的绕向，各层金属线圈之间形成有绝缘层。

可选的，所述金属线圈串联的方式为连续的第偶数层和第奇数层所述金属线圈的末端相连、以及连续的第奇数层和第偶数层所述金属线圈的始端相连，且各该相互串联的金属线圈之间除了相连处外具有绝缘层。

可选的，所述金属线圈与位于其下的绝缘层之间形成有支撑所述金属线圈悬空于所述绝缘层之上的金属支撑柱。

可选的，所述金属线圈为一圈，所述金属线圈为圆形或矩形。

可选的，所述金属线圈为多圈，所述金属线圈为圆形螺旋状或矩形螺旋状。

本发明还提供一种微机械磁场传感器的电路结构，所述电路结构至少包括：锁相环电路、差分运算放大器、所述的微机械磁场传感器、电压放大器及电压跟随器，其中，所述锁相环电路包括压控振荡器、鉴相器和低通滤波器；

用于产生与所述微机械磁场传感器谐振频率相同的交流信号的所述压控振荡器的输出端，分别连接所述差分运算放大器的输入端及所述鉴相器的一个输入端，其中，所述压控振荡器输出的交流信号作为所述鉴相器的基准信号；

用于将所述压控振荡器输出的交流信号转化为差分电压信号的所述差分运算放大器的输出端连接所述微机械磁场传感器的交流电源输入端，所述微机械磁场传感器的直流电源输入端还连接有一直流电压；

用于产生感生电压的所述微机械磁场传感器的输出端连接所述电压放大器的输入端；

用于将所述感生电压放大的所述电压放大器的输出端连接所述鉴相器的另一个输入端，其中，所述电压放大器输出的经放大的感生电压信号作为测量信号；

用于鉴别所述测量信号与基准信号之间相位差的所述鉴相器的输出端连接所述低通滤波器的输入端；

用于滤除所述鉴相器输出信号中交流部分的所述低通滤波器的输出端连接所述压控振荡器的控制端及所述电压跟随器的输入端，其中，所述低通滤波器输出的直流信号作为所述压控振荡器的控制电压信号，用于保证整个锁相环电路处于稳定工作状态；

所述电压跟随器的输出端连接外部测量设备，其中，所述电压跟随器输出的直流电压信号的大小表征所述微机械磁场传感器待测磁场的大小。

如上所述，本发明的微机械磁场传感器，具有以下有益效果：

1）本发明采用耦合梁将两个谐振振子结构耦合起来形成谐振振子对，利用差分电容激励和电磁感应来测量磁场大小，其中，两个谐振振子结构工作在反相位模式，各该谐振振子结构上的金属线圈环绕方向相反，两个谐振振子结构上的金属线圈产生的感应电动势相互并联；由于驱动信号是差分信号，则两个差分驱动信号分别与输出信号之间形成两个反相位的容性耦合信号，又由于这两个容性耦合信号大小相等，符号相反，因此它们在测得感应电动势的电压输出端会相互抵消，从而消除了输出信号中的容性耦合信号，以获得单纯的磁场输出信号，实现了微机械磁场传感器的单纯的磁场输出信号检测；

2）本发明利用耦合结构将两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，从而保证了整个微机械磁场传感器具有单一的谐振频率；

3）本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互串联叠加，增强了输出信号的强度；本发明的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的灵敏度；

4）本发明还可以通过金属支撑柱使金属线圈悬于所述谐振振子之上，从而减小在高频情况下谐振振子结构与金属线圈之间信号相互串扰的问题；

5）本发明结构简单，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗；同时通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小，因此受温度影响小；而且由于本发明采用了两个谐振振子结构，进一步增强了输出信号的强度，也提高了输出信号的灵敏度。

附图说明

图1a至图1c显示为现有技术中的工作在体模态的几种谐振振子结构的模态示意图，其中，图1a为工作在Square Extensional (SE)模态的方形板谐振振子结构，图1b为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆形板谐振振子结构，图1c为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆环板谐振振子结构。

图2a显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例一中的测试电路示意图，其中，所述谐振振子结构为SE模态正方形板。

图2b显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例一中其谐振振子对的相关结构示意图。

图2c显示为本发明的微机械磁场传感器的电路结构在实施例一中示意图。

图3a显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例二中的测试电路示意图，其中，所述谐振振子结构为Width Extensional (WE)模态矩形板。

图3b显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例二中其谐振振子对的相关结构示意图。

图4a显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例三中的测试电路示意图其中，所述谐振振子结构为RE模态圆形板。

图4b显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例三中其谐振振子对的相关结构示意图。

元件标号说明

1谐振振子结构

21主支撑梁

22旁支撑梁

31第一耦合梁

32第二耦合梁

41第一锚点

42第二锚点

43第三锚点

44第四锚点

5驱动电极

6绝缘层

7金属线圈

81第一连接桥

82第二连接桥

V_p直流电源

V_in交流电源

V_out电压输出端

R电阻

C电容

91压控振荡器

92差分运算放大器

93微机械磁场传感器

94电压放大器

95鉴相器

96低通滤波器

97电压跟随器

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图2a至图4b。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一

如图2a至 2b所示，本发明提供一种微机械磁场传感器，所述微机械磁场传感器至少包括：谐振振子对和依次形成于其表面上的绝缘层6及金属线圈7，其中，所述谐振振子对包括：谐振振子结构1、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41、第二锚点42和驱动电极5。

所述谐振振子结构1为两个且均为轴对称结构，各该谐振振子结构1的对称轴至少包括第一对称轴和第二对称轴，且所述的第一对称轴垂直于第二对称轴。所述谐振振子结构1的材料为单晶硅、多晶硅、非晶硅或碳化硅。

需要说明的是，所述谐振振子结构1为矩形板、圆形板或圆环形板。当所述谐振振子结构1为矩形板时，所述第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边，优选地，所述谐振振子结构1为正方形板；进一步，所述谐振振子结构1为正方形板时，所述第一对称轴和第二对称轴还可以分别为所述正方形板两条对角线的延长线

具体地，在本实施例一中，如图2b所示，两个所述谐振振子结构1为单晶硅正方形板，正方形板谐振振子结构1的第一对称轴和第二对称轴分别为正方形板两对角线的延长线，即主支撑梁21连接于正方形板谐振振子结构1的角部，图2b中各该谐振振子结构1的虚线表示各该谐振振子结构1在工作（谐振状态）时外部轮廓的形变趋势。

所述主支撑梁21位于所述第一对称轴上，且两个所述谐振振子结构1通过各自的主支撑梁21相互耦合连接。具体地，在本实施例一中，所述主支撑梁21为两个，各该单晶硅正方形板谐振振子结构1通过各自的一个主支撑梁21相互耦合连接。

所述第一耦合梁31的一端连接于相互连接的所述主支撑梁21上，其中，所述第一耦合梁31为直拉梁或弯曲折叠梁。具体地，在本实施例一中，如图2b所示，所述第一耦合梁31为弯曲折叠梁。

所述第一锚点41与所述主支撑梁21的自由端相连接，其中，所述第一锚点41形成有焊盘（如图2a中第二锚点上填充有交叉网格处所示），二谐振振子结构1的第一锚点41通过形成在其上的焊盘分别接地.。

所述第二锚点42连接于所述第一耦合梁31的另一端，其中，所述第二锚点42形成有焊盘（如图2a中第一锚点上填充有交叉网格处所示），且所述第二锚点42通过所述的焊盘连接于电压输出端V_out，从而通过测得该感应电动势V_out来测量待测磁场大小。

所述驱动电极5分别分布于各该谐振振子结构1的相对侧，且与各该谐振振子结1之间形成有驱动间隙，所述驱动电极5通过电阻R连接至直流电源V_p，且所述驱动电极5通过电容C连接至交流电源V_in，其中，与一谐振振子结构1相连接的交流电源为+V_in，与另一谐振振子结构相连接的交流电源为-V_in，其中，+V_in和-V_in相位相反幅值相等，即各该谐振振子结构1的驱动电极5分别连接至相位相反幅值相等的交流电源，以使两个谐振振子结构为差分驱动方式，则两个谐振振子结构1工作在反相位模式。同时，由于驱动信号是差分信号，则两个差分驱动信号分别与输出信号之间形成两个反相位的容性耦合信号，又由于这两个容性耦合信号大小相等，符号相反，因此它们在测得感应电动势的电压输出端会相互抵消，从而消除了输出信号中的容性耦合信号，以获得单纯的磁场输出信号，实现了微机械磁场传感器的单纯的磁场输出信号检测。

优选地，在本实施例一中，所述驱动电极5为两个位于各该正方形板谐振振子结构1的相对侧，并且所述驱动电极5与谐振振子结构1之间形成有驱动间隙，如图2b所示，所述驱动电极5为两对，且每对分别对称分布于各该正方形板谐振振子结构1的相对侧，即每对所述驱动电极5分别对称分布于各该正方形板谐振振子结构1的边相对侧，但并不局限于此，在另一实施例中所述驱动电极可以只为一对，且分布于各该正方形板谐振振子结构1的相对侧。

需要说明的是，如图2b所示，在在本实施例一中，所述谐振振子对还包括第二耦合梁32，所述第二耦合梁32也连接于所述位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁21上，且所述第二耦合梁32连接有第三锚点43，优选地，如图2b所示，所述第二耦合梁32与所述第一耦合梁31对称分布于所述第一对称轴两侧。

需要进一步说明的是，在本实施例一中，如图2a及2b所示，所述谐振振子对还包括旁支撑梁22和第四锚点44，其中，所述旁支撑梁22位于所述第二对称轴上，且其一端连接于谐振振子结构1，其另一端连接于第四锚点44（图2a中第四锚点44接地，但并不局限与此，所述地四锚点也可以不接地），即所述旁支撑梁22连接于正方形板谐振振子结构1的角部，但不局限于此，在另一实施例中，所述谐振振子对也可以不含所述旁支撑梁和第四锚点。进一步，如图2b所示，在本实施例一中，所示地四锚点44通过位于其上的焊盘接地，但并不局限于此，所示第四锚点上的焊盘也可以不接地。

所述绝缘层6形成于所述谐振振子对的谐振振子结构1、主支撑梁21及第一耦合梁31上表面，同时，所述第一锚点41与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层6，所述第二锚点42与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层6。优选的，所述谐振振子结构1、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41及第二锚点42形成于同一平面内，则所述绝缘层形成于该平面的上表面上。进一步，在本实施例一中，所述谐振振子对还包括第二耦合梁32、第三锚点43、旁支撑梁22和第四锚点44，如图2a所示，所述第二耦合梁32、第三锚点43和旁支撑梁22上均没有绝缘层6，所述第四锚点44与形成在其上的焊盘之间形成有绝缘层6，但并不局限与此，在另一实施例中，所述第二耦合梁32、第三锚点43、旁支撑梁22上也可以有绝缘层6，所述第四锚点44上无焊盘时，也可以没有绝缘层6。

所述金属线圈7分别形成于各该谐振振子结构1上的绝缘层6上，所述金属线圈7为藉由其对应的所述绝缘层6中心为始端由内向外环绕的金属线圈，其中，一谐振振子结构1上的金属线圈7为顺时针环绕，另一谐振振子结构1上的金属线圈7为逆时针环绕。由于各该谐振振子结构1上的金属线圈环绕方向相反；又由于两个谐振振子结构1被差分电容激励，工作在反相位模式，则两个谐振振子结构1上的金属线圈7产生的感应电动势相互并联。

在本实施例一中，如图2a所示，各该金属线圈7的末端通过第二连接桥82连接于其对应的第一锚点41上的焊盘、且各该金属线圈7的始端通过第一连接桥81经相互耦合连接的主支撑梁21及第一耦合梁31上的绝缘层6连接于所述第二锚点42上的焊盘，此时，所述第二连接桥82位于与第一锚点41相连接的主支撑梁21上的绝缘层6上；同时，各该第一连接桥81与位于其下的各该金属线圈7之间形成有绝缘层6，其中，所述第一连接桥81一端穿过位于其下的绝缘层6连接至所述金属线圈7的始端，所述第一连接桥81的另一端连接至第二锚点42上的焊盘，此时，所述第一连接桥81位于金属线圈7、相互耦合连接的主支撑梁21及第一耦合梁31上的绝缘层6上；所述金属线圈7、第一连接桥81及第二连接桥82的材质为金，但并不局限与此，三者的材料可以相同也可以互不相同，但三者为保证良好的电学连接则三者的材料选自金、铜或铝。

需要说明的是，所述金属线圈连接至第一锚点及第二锚点上的焊盘的方式并不局限于此。在另一实施例中（未图示），各该金属线圈的始端通过第一连接桥连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且各该金属线圈的末端通过第二连接桥经相互耦合连接的主支撑梁及第一耦合梁上的绝缘层连接于所述第二锚点上的焊盘；同时，各该第一连接桥与位于其下的各该金属线圈之间形成有绝缘层，其中，所述第一连接桥一端穿过位于其下的绝缘层连接至所述金属线圈的始端，所述第一连接桥的另一端连接至第一锚点上的焊盘。

需要指出的是，所述金属线圈可以为一层也可以为多层；当所述金属线圈为多层时，各层所述金属线圈相互串联，且各层所述金属线圈具有相同的绕向，各层金属线圈之间还形成有绝缘层，其中，所述金属线圈串联的方式为连续的第偶数层和第奇数层所述金属线圈的末端相连、以及连续的第奇数层和第偶数层所述金属线圈的始端相连，以保证各层为相同绕向，且各该相互串联的金属线圈之间除了相连处外具有绝缘层。以三层金属线圈均为顺时针环绕为例进行说明：第一层金属线圈以中心为始端由内向外顺时针环绕，第二层金属线圈与第一层金属线圈的末端相连，且所述第二层金属线圈以末端由外向内顺时针环绕，此时，第一层金属线圈与第二层金属线圈的绕向相同，而后，第三层金属线圈与第二层金属线圈的中心始端相连，且第三层金属线圈以中心为始端由内向外顺时针环绕，此时，第一层、第二层及第三层的金属线圈的绕向均相同。

需要进一步指出的是，所述金属线圈可以直接形成于所述绝缘层上，也可以所述金属线圈与位于其下的绝缘层之间还形成有支撑所述金属线圈悬空于所述绝缘层之上的金属支撑柱，其中，所述支撑柱与线圈为同材料，均选自金、铜或铝。当通过金属支撑柱使金属线圈悬于所述谐振振子之上时，可减小在高频情况下所述谐振振子结构与金属线圈之间信号相互串扰的问题。

需要说明的是，所述金属线圈的圈数为一圈（未封闭），所述金属线圈为圆形或矩形；所述金属线圈还可为多圈，所述金属线圈为圆形螺旋状或矩形螺旋状，但需要保证位于各该谐振振子结构1的形状与位于其上的金属线圈的形状保持一致。

具体地，如图2a所示，在本实施例一中，所述金属线圈为一层、直接形成于所述绝缘层6上的正方形螺旋状金属线圈7。

为使本领域技术人员进一步理解本发明的微机械磁场传感器的实施方式，以下将详细说明本发明的微机械磁场传感器的具体工作步骤及工作原理。

本发明的工作原理如下：

本发明提出的微机械磁场传感器在形成谐振振子对的两个谐振振子结构上加载金属线圈来实现。本发明利用差分电容激励驱动两个谐振振子结构进入谐振状态，当传感器位于被测磁场中时，谐振振子振动会带动金属线圈运动，金属线圈切割磁感线，在金属线圈两端产生感应电动势，通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量被测磁场的大小。

本发明的工作步骤为：

a）将所述微机械磁场传感器置于被测磁场中；

b）在微机械磁场传感器的驱动电极5上同时施加由直流电源V_p和交流电源V_in提供的相叠加的驱动信号，其中，与一谐振振子结构1相连接的交流电源为+V_in，与另一谐振振子结构1相连接的交流电源为-V_in，其中，+ V_in 和- V_in相位相反幅值相等，以使两个谐振振子结构为差分驱动方式；

c）当施加的交流信号的频率等于微机械磁场传感器自身的谐振频率时，微机械磁场传感器就处于谐振工作状态，谐振振子振动带动位于其上的金属线圈运动，金属线圈切割磁感线，此时，测量金属线圈两端产生的感应电动势从而得出被测磁场的大小。

本法明还提供一种微机械磁场传感器的电路结构，在本实施例一中，如图2c所示，所述电路结构至少包括：锁相环电路、差分运算放大器92、微机械磁场传感器93、电压放大器94及电压跟随器97，其中，所述锁相环电路包括压控振荡器91、鉴相器95和低通滤波器96。

用于产生与所述微机械磁场传感器93谐振频率相同的交流信号的所述压控振荡器91的输出端，分别连接所述差分运算放大器92的输入端及所述鉴相器95的一个输入端，其中，所述压控振荡器91输出的交流信号作为所述鉴相器95的基准信号。

用于将所述压控振荡器91输出的交流信号转化为差分电压信号的所述差分运算放大器92的输出端，连接所述微机械磁场传感器93的交流电源输入端（+V_in和-V_in），所述微机械磁场传感器93的直流电源输入端还连接有一直流电压V_p。

用于产生感生电压的所述微机械磁场传感器93的输出端连接所述电压放大器94的输入端。

用于将所述感生电压放大的所述电压放大器94的输出端连接所述鉴相器95的另一个输入端，其中，所述电压放大器94输出的经放大的感生电压信号作为测量信号。

用于鉴别所述测量信号与基准信号之间相位差的所述鉴相器95的输出端连接所述低通滤波器96的输入端。

用于滤除所述鉴相器95输出信号中交流部分的所述低通滤波器96的输出端连接所述压控振荡器91的控制端及所述电压跟随器97的输入端，其中，所述低通滤波器96输出的直流信号作为所述压控振荡器91的控制电压信号，用于保证整个锁相环电路处于稳定工作状态。

所述电压跟随器97的输出端连接外部测量设备（未图示），其中，所述电压跟随器97输出的直流电压信号的大小表征所述微机械磁场传感器93待测磁场的大小。

所述微机械磁场传感器的电路结构的具体工作原理如下：通过锁相环电路中的压控振荡器(VCO)91产生一个与微机械磁场传感器93谐振频率相同的交流信号；利用差分运算放大器(Single to Differential)92将压控振荡器91输出的交流信号转化为差分电压信号，并与直流电压V_p叠加后激励微机械磁场传感器93工作；微机械磁场传感器93的感生电压通过电压放大器(Amplifier)94进行放大；将压控振荡器91输出的频率信号作为基准频率，电压放大器94的输出作为测量信号，利用鉴相器95鉴别测量信号与基准信号之间的相位差；将鉴相器95的输出信号接入低通滤波器（Low-pass Filter）96，滤除该信号中的交流部分，得到与待测磁场信号幅度相关的直流信号；将低通滤波器96输出的直流信号作为压控振荡器91的控制电压信号，从而保证整个锁相环电路处于稳定工作状态；低通滤波器96输出的反映待测磁场信号幅度大小的直流信号通过电压跟随器(Buffer Amplifier) 97与外部测量设备进行连接，该最终输出的直流电压信号V_out的大小即表征所述微机械磁场传感器93待测磁场的大小。

与传统的微机械磁场传感器相比，本发明的微机械磁场传感器具有以下有益效果：

1）本发明采用耦合梁将两个谐振振子结构耦合起来形成谐振振子对，利用差分电容激励驱动和电磁感应来测量磁场大小，其中，两个谐振振子结构工作在反相位模式，各该谐振振子结构上的金属线圈环绕方向相反，两个谐振振子结构上的金属线圈产生的感应电动势相互并联；由于驱动信号是差分信号，则两个差分驱动信号分别与输出信号之间形成两个反相位的容性耦合信号，又由于这两个容性耦合信号大小相等，符号相反，因此它们在测得感应电动势的电压输出端会相互抵消，从而消除了输出信号中的容性耦合信号，以获得单纯的磁场输出信号，实现了微机械磁场传感器的单纯的磁场输出信号检测；

2）本发明利用耦合结构将两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，从而保证了整个微机械磁场传感器具有单一的谐振频率；

3）本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互串联叠加，增强了输出信号的强度；本发明的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的灵敏度；

4）本发明还可以通过金属支撑柱使金属线圈悬于所述谐振振子之上，从而减小在高频情况下谐振振子结构与金属线圈之间信号串扰的问题；

5）本发明结构简单，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗；同时通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小，因此受温度影响小；而且由于本发明采用了两个谐振振子结构，进一步增强了输出信号的强度，也提高了输出信号的灵敏度。

实施例二

实施例二与实施例一的技术方案基本相同，不同之处主要在于：实施例一中所述谐振振子结构为正方形板；本实施例二中，所述谐振振子结构为矩形板，谐振振子对中（结构、制作方法及工作原理）的相同之处请参阅实施例一的相关描述，在此不再一一赘述。

如图3a和3b所示，本实施例二提供一种微机械磁场传感器，所述微机械磁场传感器至少包括：谐振振子对和依次形成于其表面上的绝缘层6及金属线圈7，其中，所述谐振振子对包括：矩形板谐振振子结构1、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41、第二锚点42和驱动电极5，同时，所述谐振振子对还包括连接于主支撑梁21上的第二耦合梁32和连接于所述第二耦合梁32的第三锚点43，其中，所述主支撑梁21为位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁，但并不局限于此，在另一实施例中，各该谐振振子对中也可以没有第二耦合梁和连接于第二耦合梁的第三锚点。

所述矩形板谐振振子结构1为碳化硅，其第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边。在本实施例二中，如图3b所示，所述第一对称轴平行于矩形板的长边，即主支撑梁21连接于矩形板谐振振子结构1的宽边。

所述驱动电极5分别分布于各该矩形板谐振振子结构1的相对侧，并且所述驱动电机5与谐振振子结构1形成有驱动间隙，在本实施例二中，如图3b所示，所述驱动电极5为两个，且对称分布于各该矩形板谐振振子结构1的第一对称轴的两侧，即所述驱动电极5对称分布于各该矩形板谐振振子结构1的长边相对侧。需要说明的是，在另一实施例中，所述矩形板谐振振子结构还可优选为正方形板。

所述绝缘层6形成于所述谐振振子对的谐振振子结构1、主支撑梁21及第一耦合梁31上表面，同时，所述第一锚点41与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层6，所述第二锚点42与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层6。优选的，所述谐振振子结构1、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41及第二锚点42形成于同一平面内，则所述绝缘层形成于该平面的上表面上。进一步，在本实施例二中，所述谐振振子对还包括连接于主支撑梁21上的第二耦合梁32和连接于所述第二耦合梁32的第三锚点43，如图3a所示，所述第二耦合梁32和第三锚点43上有绝缘层6，但并不局限与此，在另一实施例中，所述第二耦合梁32和第三锚点43上也可以没有绝缘层6。

所述金属线圈7的相关描述请参阅实施例一，不同之处在于，所述金属线圈7的形状为矩形螺旋状，如图3a所示。

本实施例二的微机械磁场传感器的电路结构（未图示）请参阅实施例一中的相关描述，不同之处仅在于，本实施例二与实施例一的微机械磁场传感器的结构不相同。

与传统的微机械磁场传感器相比，本发明的微机械磁场传感器具有以下有益效果：

1）本发明采用耦合梁将两个谐振振子结构耦合起来形成谐振振子对，利用差分电容激励驱动和电磁感应来测量磁场大小，其中，两个谐振振子结构工作在反相位模式，各该谐振振子结构上的金属线圈环绕方向相反，两个谐振振子结构上的金属线圈产生的感应电动势相互并联；由于驱动信号是差分信号，则两个差分驱动信号分别与输出信号之间形成两个反相位的容性耦合信号，又由于这两个容性耦合信号大小相等，符号相反，因此它们在测得感应电动势的电压输出端会相互抵消，从而消除了输出信号中的容性耦合信号，以获得单纯的磁场输出信号，实现了微机械磁场传感器的单纯的磁场输出信号检测；

2）本发明利用耦合结构将两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，从而保证了整个微机械磁场传感器具有单一的谐振频率；

3）本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互串联叠加，增强了输出信号的强度；本发明的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的灵敏度；

4）本发明还可以通过金属支撑柱使金属线圈悬于所述谐振振子之上，从而减小在高频情况下谐振振子结构与金属线圈之间信号相互串扰的问题；

5）本发明结构简单，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗；同时通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小，因此受温度影响小；而且由于本发明采用了两个谐振振子结构，进一步增强了输出信号的强度，也提高了输出信号的灵敏度。

实施例三

实施例三与实施例一的技术方案基本相同，不同之处主要在于：实施例一中所述谐振振子结构为正方形板；本实施例三中，所述谐振振子结构为圆形板，谐振振子对中（结构、制作方法及工作原理）其余的相同之处请参阅实施例一的相关描述，在此不再一一赘述。

如图4a和4b所示，本实施例三提供一种微机械磁场传感器，所述微机械磁场传感器至少包括：谐振振子对和依次形成于其表面上的绝缘层6及金属线圈7，其中，所述谐振振子对包括：圆形板谐振振子结构1、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41、第二锚点42和驱动电极5，其中，所述第一对称轴为圆形板的直径延长线。

需要说明的是，所述谐振振子结构1并不局限于圆形板，所述谐振振子结构1还可为圆形板或圆环板，其中，所述第一对称轴为圆形板或圆环板中圆的长轴或短轴的延长线，进一步，圆环板为圆环板的优选情况，所述第一对称轴为圆环板的直径延长线。

需要进一步说明的是，如图4b所示，所述谐振振子对还包括连接于主支撑梁21上的第二耦合梁32和连接于所述第二耦合梁32的第三锚点43，其中，所述主支撑梁21为位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁，但并不局限于此，在另一实施例中，各该谐振振子对中也可以没有第二耦合梁和连接于第二耦合梁的第三锚点。

所述驱动电极5分别分布于各该正方形板谐振振子结构1的相对侧，并且所述驱动电机5与谐振振子结构1形成有驱动间隙，在本实施例三中，如图4b所示，所述驱动电极为两个与所述圆形板匹配的圆弧形驱动电极，对称分布于各该圆形板谐振振子结构1的相对侧。

所述绝缘层6形成于所述谐振振子对的谐振振子结构1、主支撑梁21及第一耦合梁31上表面，同时，所述第一锚点41与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层6，所述第二锚点42与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层6。优选的，所述谐振振子结构1、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41及第二锚点42形成于同一平面内，则所述绝缘层形成于该平面的上表面上。进一步，在本实施例二中，所述谐振振子对还包括连接于主支撑梁21上的第二耦合梁32和连接于所述第二耦合梁32的第三锚点43，如图4a所示，所述第二耦合梁32和第三锚点43上没有绝缘层6，但并不局限与此，在另一实施例中，所述第二耦合梁32和第三锚点43上也可以有绝缘层6。

所述金属线圈7的相关描述请参阅实施例一，不同之处在于，所述金属线圈7的形状为圆形螺旋状，如图4a所示。

本实施例三的微机械磁场传感器的电路结构（未图示）请参阅实施例一中的相关描述，不同之处仅在于，本实施例三与实施例一的微机械磁场传感器的结构不相同。

综上所述，与传统的微机械磁场传感器相比，本发明的微机械磁场传感器具有以下有益效果：

1）本发明采用耦合梁将两个谐振振子结构耦合起来形成谐振振子对，利用差分电容激励驱动和电磁感应来测量磁场大小，其中，两个谐振振子结构工作在反相位模式，各该谐振振子结构上的金属线圈环绕方向相反，两个谐振振子结构上的金属线圈产生的感应电动势相互并联；由于驱动信号是差分信号，则两个差分驱动信号分别与输出信号之间形成两个反相位的容性耦合信号，又由于这两个容性耦合信号大小相等，符号相反，因此它们在测得感应电动势的电压输出端会相互抵消，从而消除了输出信号中的容性耦合信号，以获得单纯的磁场输出信号，实现了微机械磁场传感器的单纯的磁场输出信号检测；

2）本发明利用耦合结构将两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，从而保证了整个微机械磁场传感器具有单一的谐振频率；

3）本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互串联叠加，增强了输出信号的强度；本发明的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的灵敏度；

4）本发明还可以通过金属支撑柱使金属线圈悬于所述谐振振子之上，从而减小在高频情况下谐振振子结构与金属线圈之间信号串扰的问题；

5）本发明结构简单，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗；同时通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小，因此受温度影响小；而且由于本发明采用了两个谐振振子结构，进一步增强了输出信号的强度，也提高了输出信号的灵敏度。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种微机械磁场传感器，其特征在于，所述微机械磁场传感器至少包括：谐振振子对和依次形成于其表面上的绝缘层及金属线圈；其中，

所述谐振振子对包括：

两个具有轴对称结构的谐振振子结构，各该谐振振子结构的对称轴至少包括第一对称轴和第二对称轴，且所述的第一对称轴垂直于第二对称轴；

主支撑梁，位于所述第一对称轴上，两个谐振振子结构通过各自的主支撑梁相互耦合连接；

第一耦合梁，一端连接于相互耦合连接的所述主支撑梁上；

第二耦合梁，所述第二耦合梁也连接于所述位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁上，且所述第二耦合梁连接有第三锚点；其中，所述第二耦合梁与所述第一耦合梁分别分布于所述第一对称轴两侧；

第一锚点，与所述主支撑梁的自由端相连接，其中，二谐振振子结构的第一锚点通过形成在其上的焊盘分别接地；

第二锚点，连接于所述第一耦合梁的另一端，且所述第二锚点通过形成在其上的焊盘连接输出端；

驱动电极，分别分布于各该谐振振子结构的相对侧，且与各该谐振振子结构之间形成有驱动间隙，所述驱动电极通过电阻连接至直流电源，且所述驱动电极通过电容连接至交流电源，其中，各该谐振振子结构的驱动电极分别连接至相位相反幅值相等的交流电源；

所述绝缘层形成于所述谐振振子对的谐振振子结构、主支撑梁及第一耦合梁上表面，同时，所述第一锚点与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层，所述第二锚点与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层；

所述金属线圈分别形成于各该谐振振子结构上的绝缘层上，所述金属线圈为藉由其对应的所述绝缘层中心为始端由内向外环绕的金属线圈，其中，一谐振振子结构上的金属线圈为顺时针环绕，另一振振子结构上的金属线圈为逆时针环绕；各该金属线圈的始端通过第一连接桥连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且各该金属线圈的末端通过第二连接桥经相互耦合连接的主支撑梁及第一耦合梁上的绝缘层连接于所述第二锚点上的焊盘；或者各该金属线圈的末端通过第二连接桥连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且各该金属线圈的始端通过第一连接桥经相互耦合连接的主支撑梁及第一耦合梁上的绝缘层连接于所述第二锚点上的焊盘；各该第一连接桥与位于其下的各该金属线圈之间形成有绝缘层。

2.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述谐振振子结构为矩形板、圆形板或圆环形板。

3.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述第一耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。

4.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述第二耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。

5.根据权利要求2所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述谐振振子结构为矩形板时，所述第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边。

6.根据权利要求2所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述谐振振子结构为正方形板时，所述第一对称轴和第二对称轴分别为正方形板两对角线的延长线。

7.根据权利要求6所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述谐振振子对还包括位于所述第二对称轴上且一端连接于所述谐振振子结构的旁支撑梁、以及连接于所述旁支撑梁另一端的第四锚点。

8.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述金属线圈为多层，各层所述金属线圈相互串联，且各层所述金属线圈具有相同的绕向，各层金属线圈之间形成有绝缘层。

9.根据权利要求8所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述金属线圈串联的方式为连续的第偶数层和第奇数层所述金属线圈的末端相连、以及连续的第奇数层和第偶数层所述金属线圈的始端相连，且各该相互串联的金属线圈之间除了相连处外具有绝缘层。

10.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述金属线圈与位于其下的绝缘层之间形成有支撑所述金属线圈悬空于所述绝缘层之上的金属支撑柱。

11.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述金属线圈为一圈，所述金属线圈为圆形或矩形。

12.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述金属线圈为多圈，所述金属线圈为圆形螺旋状或矩形螺旋状。

13.一种微机械磁场传感器的电路结构，其特征在于，所述电路结构至少包括：锁相环电路、差分运算放大器、如权利要求1至12任意一项所述的微机械磁场传感器、电压放大器及电压跟随器，其中，所述锁相环电路包括压控振荡器、鉴相器和低通滤波器；

用于产生与所述微机械磁场传感器谐振频率相同的交流信号的所述压控振荡器的输出端，分别连接所述差分运算放大器的输入端及所述鉴相器的一个输入端，其中，所述压控振荡器输出的交流信号作为所述鉴相器的基准信号；

用于将所述压控振荡器输出的交流信号转化为差分电压信号的所述差分运算放大器的输出端连接所述微机械磁场传感器的交流电源输入端，所述微机械磁场传感器的直流电源输入端还连接有一直流电压；

用于产生感生电压的所述微机械磁场传感器的输出端连接所述电压放大器的输入端；

用于将所述感生电压放大的所述电压放大器的输出端连接所述鉴相器的另一个输入端，其中，所述电压放大器输出的经放大的感生电压信号作为测量信号；

用于鉴别所述测量信号与基准信号之间相位差的所述鉴相器的输出端连接所述低通滤波器的输入端；

用于滤除所述鉴相器输出信号中交流部分的所述低通滤波器的输出端连接所述压控振荡器的控制端及所述电压跟随器的输入端，其中，所述低通滤波器输出的直流信号作为所述压控振荡器的控制电压信号，用于保证整个锁相环电路处于稳定工作状态；

所述电压跟随器的输出端连接外部测量设备，其中，所述电压跟随器输出的直流电压信号的大小表征所述微机械磁场传感器待测磁场的大小。