CN103323794A - 一种采用平面微线圈的gmr-mems集成弱磁传感器 - Google Patents

Abstract

一种采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器，其中微压电桥的基座包括第一基座和第二基座，基座定在垫片上，垫片固定在绝缘基底上，桥身连接于第一基座和第二基座之间；压电片设置于桥身上并位于第一基座和第二基座之间；GMR敏感元件设置在桥身的下方并呈对称状布置，GMR敏感元件中磁力线聚集器包括第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器且之间留有间隙，GMR电阻包括构成惠斯通电桥的第一GMR电阻、第二GMR电阻、第三GMR电阻和第四GMR电阻，第一GMR电阻位于第一磁力线聚集器内，第二GMR电阻位于第二磁力线聚集器内，第三GMR电阻和第四GMR电阻位于间隙内；调制膜连接于桥身上处于与调制膜正对的位置处。本发明具有结构简单、噪声小、成本低廉、磁滞低等优点。

Description

一种采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器

技术领域

本发明主要涉及到微弱信号传感技术领域，特指一种适用于测量微弱磁场的采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器。

背景技术

微弱磁场测量在地磁导航、目标探测、地质勘探、生物医学等领域都有广泛应用。现阶段用于微弱磁场测量的传感器类型较多，主要包括磁通门传感器、光泵式磁传感器、质子式磁传感器、超导量子干涉磁传感器、光纤磁传感器、巨磁阻抗磁传感器、巨磁阻（Giant Magnetoresistive, GMR）磁传感器等，其中GMR磁传感器是基于微电子工艺制成的，相比其他类型的磁传感器明显具有体积小、功耗低、易批量生产等特点。

在研究过程中发现，GMR元件存在1/f噪声，且GMR敏感元件的磁场灵敏度越高，其噪声特别是1/f噪声也越大，最重要的一点是其中取决于内部磁结构的1/f磁噪声无法通过常规的电调制方法予以抑制。近年来，国内外对于抑制GMR敏感元件的1/f噪声进行了大量的研究，其中运用微机电系统（Microelectromechanical System, MEMS）结构驱动磁性薄膜调制将被测低频微弱磁场调制到高频来抑制GMR敏感元件1/f噪声的技术方案最为可行。有从业者提出了一些利用了磁力线调制的方法来降低1/f噪声的技术方案，但是这些方案中磁场调制效率较低，并且对磁滞补偿问题涉及较少。

磁滞现象是铁磁性材料在磁化过程中存在的一种现象，主要表现为：在外磁场做正负变化的反复磁化过程中，磁感应强度的变化始终落后于磁场强度的变化。磁滞现象的存在制约着传感器精度的提高。近年来，国内外对磁滞补偿进行了大量的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、噪声小、成本低廉、磁滞低的采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器，包括绝缘基底、压电片、调制膜、GMR敏感元件以及位于绝缘基底上的垫片、微压电桥、平面线圈、三组电极，所述微压电桥包括基座和桥身，所述基座包括第一基座和第二基座并通过垫片固定在绝缘基底的两端，所述桥身连接于第一基座和第二基座之间；所述压电片设置于桥身上并位于第一基座和第二基座之间；所述GMR敏感元件设置在桥身的下方并沿桥身的中线呈对称状布置，所述GMR敏感元件包括GMR电阻、磁力线聚集器和间隙，所述磁力线聚集器包括第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器且两者之间留有间隙，所述GMR电阻包括构成惠斯通电桥的第一GMR电阻、第二GMR电阻、第三GMR电阻和第四GMR电阻，所述第一GMR电阻位于第一磁力线聚集器内，所述第二GMR电阻位于第二磁力线聚集器内，所述第三GMR电阻和第四GMR电阻位于间隙内；所述调制膜连接于桥身上且处于与间隙正对的位置处。

作为本发明的进一步改进：

所述间隙的宽度宽于调制膜的宽度以使调制膜可在间隙中做上、下振动。

所述三组电极分别为压电片驱动电极、平面线圈激励电极、GMR敏感元件电桥电极，所述压电片驱动电极连接于压电片的上下两端，所述GMR敏感元件电桥电极连接在GMR敏感元件的四个端口，所述平面线圈激励电极与平面线圈相连。

所述压电片采用压电陶瓷薄片，形状为长方形，所述压电片宽度与桥身的宽度一致，所述压电片两端距基座留有间隔且距基座的距离相等。

所述平面线圈由一对沿桥身对称分布的第一线圈、第二线圈组成。

所述平面线圈布置呈“回”字螺旋形状。

所述基座的下表面与桥身的下表面处于一个平面上，所述基座下方有垫片，基座通过垫片固定在绝缘基底上，所述桥身的厚度为基座厚度的一半。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用压电驱动微桥作为调制动力源，调制膜振动幅度和调制深度较大，通过调制膜的调制使微弱直流磁场在GMR敏感元件处为高频交变磁场，抑制了GMR元件的1/f噪声。本发明通过采用磁力线聚集器使微弱磁场在GMR敏感元件处得到了放大，从而磁传感器测量分辨力得到较大提高；因为压电桥结构简单，制造方便，有效降低了传感器的制作成本；本发明所采用的压电陶瓷薄片的驱动力较大，只需较小的驱动电压（小于15V）即可获得足够的振动幅度；本发明进一步采用了平面线圈产生补偿磁场，对磁滞进行补偿，减小了传感器的非线性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中压电片处桥身下表面的结构原理示意图。

图3是本发明的切面结构示意图。

图4是本发明中所采用的GMR敏感元件的结构原理示意图。

图例说明： 

1、基座；101、第一基座；102、第二基座；2、桥身；3、压电片；4、台阶；401、第一台阶；402、第二台阶；5、GMR敏感元件；6、平面线圈；601、第一线圈；602、第二线圈；7、压电片驱动电极；701、第一压电片驱动电极；702、第二压电片驱动电极；8、平面线圈激励电极；801、第一平面线圈激励电极；802、第二平面线圈激励电极；803、第三平面线圈激励电极；804、第四平面线圈激励电极；9、GMR敏感元件电桥电极；901、第一GMR敏感元件电桥电极；902、第二GMR敏感元件电桥电极；903、第三GMR敏感元件电桥电极；904、第四GMR敏感元件电桥电极；10、调制膜；11、GMR电阻；1101、第一GMR电阻；1102、第二GMR电阻；1103、第三GMR电阻；1104、第四GMR电阻；12、磁力线聚集器；1201、第一磁力线聚集器；1202、第二磁力线聚集器；13、间隙；14、绝缘基底；15、垫片；1501、第一垫片；1502、第二垫片。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器，包括绝缘基底14、垫片15、微压电桥、压电片3、GMR敏感元件5、平面线圈6、三组电极以及调制膜10；绝缘基底14可以根据需要采用表面抛光的绝缘材料。在绝缘基底14的表面上镀有三对电极，三组电极分别为压电片驱动电极7（包括第一压电片驱动电极701、第二压电片驱动电极702）、平面线圈激励电极8（包括第一平面线圈激励电极801、第二平面线圈激励电极802、第三平面线圈激励电极803、第四平面线圈激励电极804）、GMR敏感元件电桥电极9（包括第一GMR敏感元件电桥电极901、第二GMR敏感元件电桥电极902、第三GMR敏感元件电桥电极903、第四GMR敏感元件电桥电极904）。

微压电桥固接在垫片15上，垫片15再固接在绝缘基底14上，微压电桥包括基座1和桥身2，基座1包括第一基座101和第二基座102，分别固定在第一垫片1501和第二垫片1502上，基座1和垫片15两端的缺口表示还存在结构延伸，只是没有在图中体现，其形状也不只限于图中的形状，可在满足稳定性的前提下合理的设计其形状和大小。桥身2连接于第一基座101和第二基座102之间，基座1的下表面与桥身2的下表面处于一个平面上，桥身2的厚度为基座1厚度的一半。因为桥身2通过湿法腐蚀得到，而腐蚀使得桥身2的厚度只有基座1厚度的一半，因而存在了台阶4，如图中的第一台阶401、第二台阶402、第三台阶403和第四台阶404。桥身2的长度与宽度也不只限于图中的尺寸，可以根据需要自行设计。

压电片3通过导电胶与桥身2结合，即通过导电胶粘在桥身2上。该压电片3可以采用压电陶瓷薄片，形状为长方形，其宽度可以与桥身2的宽度一致，两端距基座1保留一定的间隔，厚度方向为极化方向，在安装过程中要确保其精度，两端距基座1的距离要相等。

GMR敏感元件5呈细条状，且固定在绝缘基底14的表面上。GMR敏感元件5在桥身2的下方，沿桥身2的中线对称。如图3所示，为具体实施例中所采用的GMR敏感元件5的结构原理示意图。GMR敏感元件5包括GMR电阻11、磁力线聚集器12和间隙13；其中磁力线聚集器12为两个，即第一磁力线聚集器1201和第二磁力线聚集器1202，且布置于GMR敏感元件5结构体的两端。间隙13位于第一磁力线聚集器1201和第二磁力线聚集器1202之间；GMR电阻11包括第一GMR电阻1101、第二GMR电阻1102、第三GMR电阻1103和第四GMR电阻1104，第一GMR电阻1101位于第一磁力线聚集器1201内，第二GMR电阻1102位于第二磁力线聚集器1202内，第三GMR电阻1103和第四GMR电阻1104则位于间隙13内，以上四个电阻组成一个惠斯通电桥。调制膜10的位置正对着间隙13，间隙13的宽度略宽于调制膜10的宽度以使调制膜10可以在间隙13中做上、下振动。

如图2所示，为具体实施例中压电片3处桥身2下表面的示意图。其中调制膜10位于桥身2下表面。该调制膜10是通过先将电导率较高的NiFe膜电镀到带有导电种子层的硅片上，再经过光刻腐蚀等工艺后在硅片上得到，其位置可以位于桥身2下表面的正中间，呈长方形。

平面线圈6由导电材料构成，先将导电材料溅射到绝缘基底14上，再通过光刻腐蚀等工艺而得到；平面线圈6由一对沿桥身对称分布的第一线圈601、第二线圈602组成，本实例中呈“回”字螺旋形状。压电片驱动电极7、平面线圈激励电极8、GMR敏感元件电桥电极9和平面线圈6一样也是先在绝缘基底14上溅射导电材料再通过光刻腐蚀等工艺而得到，其位置不限于图中的位置，在不影响其它结构部分的前提下，可以自由放置在绝缘基底14的边沿。在本实例中，压电片驱动电极7连接于压电片3的上下两端，GMR敏感元件电桥电极9连接在GMR敏感元件5的四个端口，平面线圈激励电极8中一部分连接于第一线圈601，平面线圈激励电极中的另一部分连接于第二线圈602。

如图3所示，为所示振动结构的切面示意图。其中压电片3位于桥身2上，沿桥身2路线对称分布且距第一基座101与第二基座102的距离相同，用导电胶固定。调制膜10位于桥身2下表面，正对GMR敏感元件的间隙13。基座1固定在垫片15上，垫片15固定在绝缘基底14表面。由于桥身2与基座1存在高度差，因而产生了台阶4。所述垫片15由硅片通过湿法腐蚀得到，其厚度可根据具体情况自行设定。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器，其特征在于，包括绝缘基底（14）、压电片（3）、调制膜（10）、GMR敏感元件（5）以及位于绝缘基底（14）上的垫片（15）、平面线圈（6）、三组电极，所述微压电桥包括基座（1）和桥身（2），所述基座（1）包括第一基座（101）和第二基座（102）并通过垫片（15）固定在绝缘基底（14）的两端，所述桥身（2）连接于第一基座（101）和第二基座（102）之间；所述压电片（3）设置于桥身（2）上并位于第一基座（101）和第二基座（102）之间；所述GMR敏感元件（5）设置在桥身（2）的下方并沿桥身（2）的中线呈对称状布置，所述GMR敏感元件（5）包括GMR电阻（11）、磁力线聚集器（12）和间隙（13），所述磁力线聚集器（12）包括第一磁力线聚集器（1201）和第二磁力线聚集器（1202）且两者之间留有间隙（13），所述GMR电阻（11）包括构成惠斯通电桥的第一GMR电阻（1101）、第二GMR电阻（1102）、第三GMR电阻（1103）和第四GMR电阻（1104），所述第一GMR电阻（1101）位于第一磁力线聚集器（1201）内，所述第二GMR电阻（1102）位于第二磁力线聚集器（1202）内，所述第三GMR电阻（1103）和第四GMR电阻（1104）位于间隙（13）内；所述调制膜（10）连接于桥身（2）上且处于与调制膜（10）正对的位置处。

2.根据权利要求1所述的采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器，其特征在于，所述间隙（13）的宽度宽于调制膜（10）的宽度以使调制膜（10）可在间隙（13）中做上、下振动。

3.根据权利要求1所述的采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器，其特征在于，所述三组电极分别为压电片驱动电极（7）、平面线圈激励电极（8）、GMR敏感元件电桥电极（9），所述压电片驱动电极（7）连接于压电片（3）的上下两端，所述GMR敏感元件电桥电极（9）连接在GMR敏感元件（5）的四个端口，所述平面线圈激励电极（8）与平面线圈（6）相连。

4.根据权利要求1所述的采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器，其特征在于，所述压电片（3）采用压电陶瓷薄片，形状为长方形，所述压电片（3）宽度与桥身（2）的宽度一致，所述压电片（3）两端距基座（1）留有间隔且距基座（1）的距离相等。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器，其特征在于，所述平面线圈（6）由一对沿桥身（2）对称分布的第一线圈（601）、第二线圈（602）组成。

6.根据权利要求5所述的采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器，其特征在于，所述平面线圈（6）布置呈“回”字螺旋形状。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的采用平面微线圈的GMR-MEMS集成弱磁传感器，其特征在于，所述基座（1）的下表面与桥身（2）的下表面处于一个平面上，所述桥身（2）的厚度为基座（1）厚度的一半。

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