CN105988090A - 微机械磁场传感器及其应用 - Google Patents
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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：谐振振子和依次形成于所述谐振振子表面上的绝缘层及至少一层金属线圈。本发明采用S型折叠梁实现弹性梁和锚点的连接，保证了谐振振子谐振时是沿垂直于谐振振子的方向移动，相比于一般的双端固支梁的组成的方环形而言，大大提高了谐振梁所围成面积单位时间内的变化量，进而增加了金属线圈内磁通量的变化，进一步增大了磁场的灵敏度。同时，在金属线圈的绝缘层下添加接地铝层，可有效避免谐振振子的信号耦合到金属线圈。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。
Description
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弯曲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 SemiconductorIntegrated 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。
进一步，为了降低功耗和结构复杂度，MEMS结构的磁场传感器，还可以采用工作在弯曲模态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单根悬臂梁、双根悬臂梁或是方环形悬臂梁结构。图1a至图1c是工作在弯曲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为工作在弯曲模态的方环形悬臂梁谐振振子结构，图1b为工作在弯曲模态的双梁谐振振子结构，图1c为工作在弯曲模态的单梁谐振振子结构。但是该磁传感器中的悬臂梁工作在弯曲模态时，弹性梁的中点处谐振位移最大，相对而言靠近锚点的位置弹性梁谐振位移很小，导致弹性梁谐振时单位时间内所围成面积的变化量不大。另外，从检测电路而言，感应线圈溅射在硅衬底上的绝缘层上，采用闭环电路自激驱动磁传感器谐振工作时，硅衬底谐振工作时信号耦合到金属线圈，金属线圈混有谐振振子的容性耦合信号，即在没有磁场的情况下，只要磁传感器谐振工作，金属线圈两端就有信号产生。
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，以及增大磁传感器灵敏度的问题。
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：谐振振子和形成于所述谐振振子表面上的绝缘层、接地铝层及至少一层金属线圈；其中，
所述谐振振子包括：
具有轴对称结构的谐振振子结构，包括至少一根弹性梁；
S型折叠梁，位于每个所述弹性梁的两端，且所述S型折叠梁的一端与相邻所述弹性梁的一端相连接；
主支撑梁，一端与所述S型折叠梁的自由端相连接；
第一锚点及第二锚点，分别与相邻的所述主支撑梁的自由端相连接，其中，所述谐振振子结构的第一锚点及第二锚点通过形成在其上的焊盘分别连接输出端；
驱动电极，分别分布于各所述谐振振子结构的相对侧，且与各所述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；
所述谐振振子结构及所述主支撑梁的上表面形成有绝缘层，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；
所述接地铝层形成于所述谐振子结构上的绝缘层上，且所述接地铝层的上表面形成有绝缘层；
所述金属线圈分别形成于所述接地铝层上的绝缘层上，所述金属线圈为藉由其对应的所述绝缘层的第一锚点为始端顺时针环绕的金属线圈，其中，所述金属线圈的始端连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且所述金属线圈的末端连接于第二锚点上的焊盘。
优选地，所述谐振振子结构中包括一根弹性梁。
优选地，所述微机械磁场传感器还包括第一固支结构，所述第一固支结构的一端与靠近所述第一锚点的所述S型折叠梁相连接，另一端与靠近所述第二锚点的所述S型折叠梁相连接；所述第一固支结构上形成有绝缘层，至少一层所述金属线圈同时形成于所述谐振振子结构及所述第一固支结构上的绝缘层上以形成环形金属线圈结构。
优选地，所述谐振振子结构中包括两根弹性梁。
优选地，所述微机械磁场传感器还包括第二固支结构，所述第二固支结构适于实现所述两根弹性梁的耦合。
优选地，所述谐振振子结构中包括四根弹性梁。
优选地，所述驱动电极为梳齿状驱动电极。
优选地，所述金属线圈为一层。
优选地，所述金属线圈为至少两层，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。
优选地，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。
优选地，所述金属线圈为一圈，所述金属线圈为圆形或矩形。
优选地，所述金属线圈为至少两圈，所述金属线圈为圆形螺旋状或矩形螺旋状。
本发明还包括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：驱动电路、解调电路、差分电压放大器、低通滤波器和上述方案中所述的微机械磁场传感器。其中，
所述驱动电路的电压包括交流电压和直流电压两个部分，交流电压通过电容连接到所述微机械磁场传感器的驱动电极，直流电压通过电阻连接到所述微机械磁场传感器的驱动电极；所述驱动电路的实现包括两种方式：自激闭环驱动和开环强迫驱动；
所述差分电压放大器为双端输入、单端输出结构，所述差分电压放大器的两输入端分别连接所述微机械磁场传感器的金属线圈的两端；
所述解调电路可以通过解调芯片或是自建电路来实现，适于解调被调制的所述微机械磁场传感器的输出信号；所述解调电路的输入端连接所述差分电压放大器的输出端；
所述低通滤波器的输入端连接所述解调电路的输出端，所述低通滤波器的输出端连接外部的显示设备。
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S型折叠梁实现弹性梁和锚点的连接，保证了谐振振子谐振时是沿垂直于谐振振子的方向移动，相比于一般的双端固支梁的组成的方环形而言，大大提高了谐振梁所围成面积单位时间内的变化量，进而增加了金属线圈内磁通量的变化，进一步增大了磁场的灵敏度。
2)本发明采用弹性梁作为谐振结构，降低了整个磁传感器的谐振频率，使输出的调制电压信号能够很方便的通过解调芯片进行解调。
3)本发明采用梳齿状驱动电极，梳齿状电极的作用在于减小空气阻尼对弹性梁的影响，进一步增大弹性梁的谐振位移。
4)在结构层的设计上添加了接地铝层，在进行输出电压信号解调时，有效的避免了谐振振子信号的串扰，保证了在没有磁场信号的前提下，线圈两端不会由谐振振子的串扰而产生电压信号。
5)本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在弯曲模态，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；
6)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双层金属线圈结构，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几种谐振振子结构的模态示意图，图1a为工作在弯曲模态的方环形悬臂梁谐振振子结构，图1b为工作在弯曲模态的双梁谐振振子结构，图1c为工作在弯曲模态的单梁谐振振子结构。
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弹性梁。
图2b显示为本发明的微机械磁场传感器谐振振子的一种相关结构示意图。
图2c显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例一中各结构层的相关结构示意图。
图2d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。
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。
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 第一绝缘层
2 接地铝层
31 谐振振子结构
32 主支撑梁
33 第一锚点
34 S型折叠梁
35 梳齿驱动电极
36 第二锚点
37 第一固支结构
38 第二固支结构
6 第二绝缘层
7 第一金属线圈
8 第三绝缘层
81 第一通孔
82 第二通孔
9 第二金属线圈
Vp 直流电源
Vin 交流电源
Vout 电压输出端
R 电阻
C 电容
91 驱动电路
92 差分电压放大器
93 解调电路
94 低通滤波器
95 微机械磁场传感器
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至图2c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：谐振振子和形成于所述谐振振子表面上的绝缘层、接地铝层2及至少一层金属线圈；所述谐振振子包括：谐振振子结构31、主支撑梁32、第一锚点33、第二锚点36、S型折叠梁34和驱动电极35；其中，所述谐振振子结构31包括四个弹性梁。采用弹性梁作为谐振振子结构31，降低了整个磁传感器的谐振频率，使输出的调制电压信号能够很方便的通过解调芯片进行解调。
所述谐振振子结构31为轴对称结构，所述谐振振子结构31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。所述第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边，所述第一对称轴和第二对称轴还可以分别为所述正方环形两条对角线的延长线。所述谐振振子结构31的材料可以为单晶硅、多晶硅、非晶硅或碳化硅。
所述谐振振子结构31是指键合完成后，在硅片上刻出的用于溅射铝线圈的硅基板，施加驱动电压后谐振振子工作在谐振模态。
所述主支撑梁32为T型。
所述S型折叠梁34位于每个所述弹性梁的两端，且所述S型折叠梁34的一端与相邻所述弹性梁的一端相连接；所述主支撑梁32的一端与所述S型折叠梁34的自由端相连接；所述第一锚点33及所述第二锚点36与所述主支撑梁32的自由端相连接，其中，所述第一锚点33及所述第二锚点36形成有焊盘，所述谐振振子结构31的所述第一锚点33及所述第二锚点36通过形成在其上的焊盘分别连接电压输出端Vout，即采用差分方式输出方式测得该感应电动势Vout进而测量待测磁场大小。采用S型折叠梁34实现所述谐振振子结构31和锚点的连接，保证了谐振振子谐振时是沿垂直于谐振振子的方向移动，相比于一般的双端固支梁的组成的方环形而言，大大提高了谐振梁所围成面积单位时间内的变化量，进而增加了金属线圈内磁通量的变化，进一步增大了磁场的灵敏度。
所述驱动电极35分别分布于所述谐振振子结构31的相对侧，且与所述谐振振子结31之间形成有驱动间隙，所述驱动电极35通过电阻R连接至直流电源Vp，且所述驱动电极35通过电容C连接至交流电源Vin，以使所述谐振振子结构31为单端电容激励驱动方式(请参阅图2a)，同时，由于采用了差分方式输出，则两个差分输出信号与输入驱动信号之间形成两个容性耦合信号，又由于这两个容性耦合信号大小相等，则差分方式输出会消除输出信号中的容性耦合信号。
优选地，本实施例中，如图2a所示，所述驱动电极35为位于正方环形谐振振子结构31的相对侧，并且所述驱动电极35与谐振振子结构31之间形成有驱动间隙，驱动电极35采用梳齿状，如图2b所示，所述驱动电极35为两对，且每对分别对称分布于该四根所述谐振振子结构31的相对侧，即每对所述驱动电极35分别对称分布于各该四根所述谐振振子结构31的边相对侧，但并不局限于此。所述梳齿驱动电极可以为推挽驱动结构，在每根所述弹性梁的两侧各有一个正负驱动电极，同时施加不同极性的电压，驱动所述弹性梁工作。采用梳齿状驱动电极，梳齿状电极的作用在于减小空气阻尼对弹性梁的影响，进一步增大弹性梁的谐振位移。
所述接地铝层2形成于所述谐振子结构上的绝缘层上并接地，且所述接地铝层2的上表面形成有绝缘层。在结构层的设计上添加了接地铝层2，在进行输出电压信号解调时，有效的避免了谐振振子信号的串扰，保证了在没有磁场信号的前提下，金属线圈两端不会由谐振振子的串扰而产生电压信号。
所述金属线圈可以为一层、两层或三层及以上的多层。当所述金属线圈为两层或多层时，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：第一层金属线圈以第一锚点33为始端顺时针环绕，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始端相连，且第三层金属线圈以始端开始顺时针环绕，此时，第一层、第二层及第三层的金属线圈的绕向均相同，第三次层线圈的末端通过主支撑梁32与第二锚点36上的焊盘相连。
优选地，本实施例中，以所述金属线圈为两层为例，此时，如图2c所示，所述绝缘层包括第一绝缘层1、第二绝缘层6及所述第三绝缘层8；所述接地铝层2位于所述第一绝缘层1与所述第二绝缘层6之间。
所述第一绝缘层1形成于所述谐弹性梁振振子结构31及主支撑梁32和S型折叠梁34的上表面，同时，所述第一锚点33、第二锚点36与形成于其上的焊盘之间形成有所述第一绝缘层1。所述谐振振子结构31、主支撑梁32、S型折叠梁、第一锚点33及第二锚点36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。
所述第一金属线圈7分别形成于所述接地铝层2上的第二绝缘层6上，所述第一金属线圈7为其对应的所述第二绝缘层6上沿第一锚点33开始的单匝线圈，需要指出的时是，第一金属线圈7可以是多匝。其中，谐振振子结构上的第二金属线圈7为顺时针环绕，第二金属线圈9也采用顺时钟的绕向方式。由于各层的金属线圈绕向方式相同，则两层金属线圈产生的感应电动势串联。
所述第三绝缘层8形成于第一金属线圈7之上，同时，在第一锚点33处形成第一通孔81，第一金属线圈7始端的焊盘通过第一通孔81与第二金属线圈层在第一锚点处的焊盘重叠，形成线圈的一端输出。第三绝缘层8在第一金属线圈7的另一端形成第二通孔82，第二金属线圈9的一端通过通孔82与第一金属线圈7实现串联连接。
所述第二金属线圈9形成于第三绝缘层8的上表面，第二金属线圈9末端通过通孔82与第一金属线圈7末端相连，始端通过所述主支撑梁32形成位于第二锚点36上表面的焊盘，作为线圈感应电压另一端的输出。
所述第一金属线圈7和第二金属线圈9的材质可以为铝，但并不局限与此，二者的材料可以相同也可以互不相同，但二者为保证良好的电学连接则二者的材料选自金、铜或铝。
需要说明的是，所述金属线圈的圈数为一圈(未封闭)，所述金属线圈为方形或矩形；所述金属线圈还可为多圈，所述金属线圈为方形螺旋状或矩形螺旋状，但需要保证位于谐振振子结构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，所述金属线圈为两层、分别形成于所述绝缘层6、8上的正方形螺旋状金属线圈7和9。
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结构上加载金属线圈来实现。本发明利用单端电容激励驱动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，采用差分方式输出方式测量金属线圈两端的感应电动势进而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35上同时施加由直流电源Vp和交流电源Vin提供的相叠加的驱动信号，以使谐振振子结构为单端电容激励驱动方式；
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。
本发明还提供一种微机械磁场传感器的电路结构，在本实例一中，如图2d所示，所述电路结构至少包括：驱动电路91、解调电路93、差分电压放大器92、低通滤波器94和微机械磁场传感器95。其中，
所述微机械磁场传感器95为本实施例中所述的微机械磁场传感器，具体可参考本实施例中相关所述内容，这里不再累述。
所述驱动电路91的电压包括交流电压和直流电压两个部分，交流电压通过电容连接到所述微机械磁场传感器95的驱动电极，直流电压通过电阻连接到所述微机械磁场传感器95的驱动电极；所述驱动电路91的实现包括两种方式：自激闭环驱动和开环强迫驱动；优选地，本实施例中，所述驱动电路91采用自激闭环驱动；
所述差分电压放大器92为双端输入、单端输出结构，所述差分电压放大器92的两输入端分别连接所述微机械磁场传感器95的金属线圈的两端；
所述解调电路93可以通过解调芯片或是自建电路来实现，适于解调被调制的所述微机械磁场传感器95的输出信号；所述解调电路93的输入端连接所述差分电压放大器92的输出端；
所述低通滤波器94的输入端连接所述解调电路93的输出端，所述低通滤波器94的输出端连接外部的显示设备(未示出)。
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S型折叠梁实现弹性梁和锚点的连接，保证了谐振振子谐振时是沿垂直于谐振振子的方向移动，相比于一般的双端固支梁的组成的方环形而言，大大提高了谐振梁所围成面积单位时间内的变化量，进而增加了金属线圈内磁通量的变化，进一步增大了磁场的灵敏度。
2)本发明采用弹性梁作为谐振结构，降低了整个磁传感器的谐振频率，使输出的调制电压信号能够很方便的通过解调芯片进行解调。
3)本发明采用梳齿状驱动电极，梳齿状电极的作用在于减小空气阻尼对弹性梁的影响，进一步增大弹性梁的谐振位移。
4)在结构层的设计上添加了接地铝层，在进行输出电压信号解调时，有效的避免了谐振振子信号的串扰，保证了在没有磁场信号的前提下，线圈两端不会由谐振振子的串扰而产生电压信号。
5)本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在弯曲模态，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；
6)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双层金属线圈结构，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
请参阅图3a和图3b，本实施例还提供一种微机械磁场传感器，本实施例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四根弹性梁及四个驱动电极，而本实施例中，所述谐振振子结构为两根弹性梁及两个驱动电极；且本实施例相较于实施例一增设了第二固支结构38。所述微机械磁场传感器(结构、制作方法、工作原理及有益效果)的其余相同之处请参阅实施例一的相关描述，在此不再一一赘述。
所述谐振振子结构31为碳化硅，其第一对称轴平行于第一驱动电极的长边或宽边。在本实施例中，如图3b所示，所述第一对称轴平行于第一驱动电极的长边，即输出电压由所述S型折叠梁34的两端引出。所述第二固支结构38适于实现所述两根弹性梁的耦合。
所述驱动电极35分别分布于各该谐振振子结构31的相对侧，并且所述驱动电极35与谐振振子结构31形成有驱动间隙，在本实施例中，如图3b所示，所述驱动电极为两个，且对称分布于各该矩形板谐振振子结构31的第一对称轴的两侧，即所述驱动电极35分布于谐振振子结构31的长边相对侧。
所述第一绝缘层1形成于所述谐振振子结构31、主支撑梁32、S型折叠梁34及第二固支结构38的上表面，同时，所述第一锚点33与形成于其上的焊盘之间形成有所述第一绝缘层1。优选地，所述谐振振子结构31、主支撑梁32、S型折叠梁、第一锚点33、第二锚点36及所述第二固支结构38形成于同一平面内，则所述第一绝缘层1形成于该平面的上表面上。
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)与实施例一基本相同，区别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，其余相同之处请参阅实施例一中的相关描述。
实施例三
请参阅图4a和图4b，本实施例还提供一种微机械磁场传感器，本实施例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四根弹性梁及四个驱动电极，而本实施例中，所述谐振振子结构为单根弹性梁及单个驱动电极；且本实施例相较于实施例一增设了第一固支结构37。所述微机械磁场传感器(结构、制作方法、工作原理及有益效果)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。
所述第一固支结构37的一端与靠近所述第一锚点33的所述S型折叠梁34相连接，另一端与靠近所述第二锚点36的所述S型折叠梁36相连接；所述第一固支结构37上形成有绝缘层，至少一层所述金属线圈同时形成于所述谐振振子结构31及所述第一固支结构37上的绝缘层上以形成环形金属线圈结构。
所述第一绝缘层1形成于所述谐振振子结构31、主支撑梁32、S型折叠梁34及第一固支结构37的上表面，同时，所述第一锚点33与形成于其上的焊盘之间形成有所述第一绝缘层1。优选地，所述谐振振子结构31、及第一锚点33形成于同一平面内，则所述第一绝缘层1形成于该平面的上表面上。
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，所述第一金属线圈始端连接到第一锚点33结构上的焊盘输出电压，经过所述第一固支结构37，末端通过第二通孔82连接到第二金属线圈。
本实施例三的微机械磁场传感器的电路结构(未图示)与实施例一基本相同，区别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，其余相同之处请参阅实施例一中的相关描述。
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S型折叠梁实现弹性梁和锚点的连接，保证了谐振振子谐振时是沿垂直于谐振振子的方向移动，相比于一般的双端固支梁的组成的方环形而言，大大提高了谐振梁所围成面积单位时间内的变化量，进而增加了金属线圈内磁通量的变化，进一步增大了磁场的灵敏度。
2)本发明采用弹性梁作为谐振结构，降低了整个磁传感器的谐振频率，使输出的调制电压信号能够很方便的通过解调芯片进行解调。
3)本发明采用梳齿状驱动电极，梳齿状电极的作用在于减小空气阻尼对弹性梁的影响，进一步增大弹性梁的谐振位移。
4)在结构层的设计上添加了接地铝层，在进行输出电压信号解调时，有效的避免了谐振振子信号的串扰，保证了在没有磁场信号的前提下，线圈两端不会由谐振振子的串扰而产生电压信号。
5)本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在弯曲模态，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；
6)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双层金属线圈结构，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：谐振振子和形成于所述谐振振子表面上的绝缘层、接地铝层及至少一层金属线圈；其中，
所述谐振振子包括：
具有轴对称结构的谐振振子结构，包括至少一根弹性梁；
S型折叠梁，位于每个所述弹性梁的两端，且所述S型折叠梁的一端与相邻所述弹性梁的一端相连接；
主支撑梁，一端与所述S型折叠梁的自由端相连接；
第一锚点及第二锚点，分别与相邻的所述主支撑梁的自由端相连接，其中，所述谐振振子结构的第一锚点及第二锚点通过形成在其上的焊盘分别连接输出端；
驱动电极，分别分布于各所述谐振振子结构的相对侧，且与各所述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；
所述谐振振子结构及所述主支撑梁的上表面形成有绝缘层，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；
所述接地铝层形成于所述谐振子结构上的绝缘层上，且所述接地铝层的上表面形成有绝缘层；
所述金属线圈分别形成于所述接地铝层上的绝缘层上，所述金属线圈为藉由其对应的所述绝缘层的第一锚点为始端顺时针环绕的金属线圈，其中，所述金属线圈的始端连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且所述金属线圈的末端连接于第二锚点上的焊盘。
2.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述谐振振子结构中包括一根弹性梁。
3.根据权利要求2所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述微机械磁场传感器还包括第一固支结构，所述第一固支结构的一端与靠近所述第一锚点的所述S型折叠梁相连接，另一端与靠近所述第二锚点的所述S型折叠梁相连接；所述第一固支结构上形成有绝缘层，至少一层所述金属线圈同时形成于所述谐振振子结构及所述第一固支结构上的绝缘层上以形成环形金属线圈结构。
4.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述谐振振子结构中包括两根弹性梁。
5.根据权利要求4所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述微机械磁场传感器还包括第二固支结构，所述第二固支结构适于实现所述两根弹性梁的耦合。
6.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述谐振振子结构中包括四根弹性梁。
7.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述驱动电极为梳齿状驱动电极。
8.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述金属线圈为一层。
9.根据权利要求1所述的微机械磁场传感器，其特征在于：所述金属线圈为至少两层，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。
10.根据权利要求9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。
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：所述金属线圈为至少两圈，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：驱动电路、解调电路、差分电压放大器、低通滤波器和如权利要求1至13中任一项所述的微机械磁场传感器。其中，
所述驱动电路的电压包括交流电压和直流电压两个部分，交流电压通过电容连接到所述微机械磁场传感器的驱动电极，直流电压通过电阻连接到所述微机械磁场传感器的驱动电极；所述驱动电路的实现包括两种方式：自激闭环驱动和开环强迫驱动；
所述差分电压放大器为双端输入、单端输出结构，所述差分电压放大器的两输入端分别连接所述微机械磁场传感器的金属线圈的两端；
所述解调电路可以通过解调芯片或是自建电路来实现，适于解调被调制的所述微机械磁场传感器的输出信号；所述解调电路的输入端连接所述差分电压放大器的输出端；
所述低通滤波器的输入端连接所述解调电路的输出端，所述低通滤波器的输出端连接外部的显示设备。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180925 |