CN106569155A - 一种基于超磁致伸缩薄膜的悬臂梁叉指电容磁场传感探头 - Google Patents
一种基于超磁致伸缩薄膜的悬臂梁叉指电容磁场传感探头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种基于超磁致伸缩薄膜的叉指电容磁场传感探头，属于微悬臂梁传感器领域。所述的传感探头包括硅基底、固支端、悬臂梁、铬金属膜和超磁致伸缩薄膜。固支端位于硅基底的两侧，悬臂梁通过固支端与硅基底连接，每侧三个悬臂梁，铬金属膜镀在硅基底和悬臂梁的上表面，硅基底和悬臂梁之间形成电容结构，同一侧的电容结构并联。超磁致伸缩薄膜镀在悬臂梁上的铬金属膜上面，一侧悬臂梁上的铬金属膜上面镀正超磁致伸缩薄膜，另一侧镀负超磁致伸缩薄膜，正、负两种超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩系数相同或相近。在待测磁场中，超磁致伸缩薄膜的伸缩导致光纤悬臂梁的挠曲，两侧并联电容的大小发生相反的变化，通过对差动电容的检测分析得出外界磁场的大小。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁场传感探头，尤其涉及一种基于超磁致伸缩薄膜的悬臂梁叉指电容磁场传感探头。
背景技术
磁场传感器是可以将磁场强度转变成电信号输出的器件。传统的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、霍尔传感器、光缆磁力计、磁光传感器等。目前，磁场传感器的发展趋势为灵敏度高、温度稳定性好、抗干扰性强、小型化、集成化、智能化和低功耗，传统的磁场传感器难以完全实现这些优良性能。随着微电子机械系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)的发展，磁场传感器向小型化和微型化发展，不仅可以降低制作成本，还可以实现对狭窄空间的待测信号的检测。和传统器件相比，MEMS磁场传感器具有体积小、重量轻、功耗低、成本低和可靠性高等传统传感器无法比拟的优点，符合磁场传感器的发展趋势。
本发明的磁场传感探头的结构为在硅基底上加工悬臂梁，悬臂梁上表面镀有超磁致伸缩薄膜(GMF：Giant Magnetostrictive Thin Film)，并且形成叉指结构，在硅基底上镀有铬金属膜，悬臂梁上镀有铬金属膜和超磁致伸缩薄膜，硅基底和悬臂梁之间形成电容结构，待测磁场的变化导致超磁致伸缩薄膜的伸缩从而使悬臂梁发生挠曲，电容值发生变化，通过检测电容值的变化可以检测待测磁场的大小，电容式检测具有结构简单和高分辨率的优点，并且能在高温、辐射等恶劣条件下工作。本发明的磁场传感探头具有小型化、重量轻、成本低等优点。
发明内容
本发明针对传统磁场传感器的不足，设计了一种基于超磁致伸缩薄膜的叉指电容磁场传感探头。
本发明采用的技术方案：一种基于超磁致伸缩薄膜的叉指电容磁场传感探头，包括：硅基底、固支端、悬臂梁、铬金属膜、超磁致伸缩薄膜。
所述的固支端位于硅基底的两侧。
所述的悬臂梁通过固支端与硅基底连接，每侧三个悬臂梁，两侧的悬臂梁形成叉指结构。
所述的铬金属膜镀在硅基底和悬臂梁的上表面，硅基底和悬臂梁之间形成电容结构，同一侧的电容结构并联。
所述的超磁致伸缩薄膜镀在悬臂梁上的铬金属膜上面，一侧悬臂梁上的铬金属膜上面镀正超磁致伸缩薄膜，另一侧镀负超磁致伸缩薄膜，正、负两种超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩系数相同或相近。在待测磁场中，由于正、负超磁致伸缩薄膜的伸缩和拉伸，使两侧的悬臂梁分别向硅基底方向和背离硅基底方向挠曲，形成差动电容。
本发明的有益效果是：
1在悬臂梁上表面和硅基上表面镀铬金属膜作为粘附层和电极层，同侧悬臂梁和硅基底之间的电容形成三个电容并联结构，改善了单个检测电容值微弱的问题。
2两侧的悬臂梁形成了叉指结构，在两侧悬臂梁的铬金属膜上面镀正负类型相反的超磁致伸缩薄膜，通过对差动电容的检测得出外界磁场的大小，可以提高传感探头对磁场的检测精度。
3在两侧悬臂梁上的铬金属膜上面镀超磁致伸缩薄膜，超磁致伸缩薄膜具有较大的磁致伸缩系数，能产生较大的磁致伸缩，从而有效地提高了对磁场的检测精度。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明传感探头的立体图。
图2为本发明传感探头的半剖面图。其中，1为硅基底，2为固支端，3为悬臂梁，4为铬金属膜，5为超磁致伸缩薄膜。
图3为本发明传感探头的制作工艺流程图。
图4为本发明传感探头的检测电路流程图。
具体实施方式
本发明所采用的技术方案为：一种基于超磁致伸缩薄膜的悬臂梁叉指结构磁场传感探头，包括：硅基底1，固支端2，悬臂梁3，铬金属膜4，超磁致伸缩薄膜5，如图2所示。
所述的悬臂梁3通过固支端与硅基底连接，在硅基底两侧排列成方向相反的两组，每组三个悬臂梁，两组悬臂梁形成叉指结构，如图1所示。
所述的铬金属膜4镀在硅基底1和悬臂梁3的上表面，充当超磁致伸缩薄膜的粘附层和电极层，硅基底和悬臂梁之间形成电容结构，同侧的三个电容结构并联。
所述的超磁致伸缩薄膜镀在悬臂梁上铬金属膜的上面，一侧悬臂梁的铬金属膜上面镀正超磁致伸缩薄膜，另一侧镀负超磁致伸缩薄膜，两种超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩系数相同或相近，超磁致伸缩薄膜在磁场的作用下产生伸缩，其在常温下各向异性常数几乎为零示出巨大的磁致伸缩效应，磁致伸缩系数高达1500-2000ppm，能够在磁场中实现敏感检测。
本发明制作工艺流程图如图3所示，具体步骤：(a)在清洗后的硅基底上溅射铬金属膜；(b)溅射SiO2牺牲层，利用光刻方法在SiO2牺牲层上刻出固支端的区域；(c)在SiO2牺牲层上生长氮化硅结构层，在氮化硅结构层上溅射铬金属膜；(d)用光刻法得到一侧的悬臂梁形状的区域，溅射正超磁致伸缩薄膜；再用光刻法得到另一侧的悬臂梁形状的区域，溅射负超磁致伸缩薄膜；(e)利用光刻法得到叉指结构的悬臂梁形状的区域，再用刻蚀法在结构层得到叉指悬臂梁结构；(f)去除SiO2牺牲层。
本发明的检测磁场的基本原理为：在磁场中，超磁致伸缩薄膜发生伸缩，从而导致悬臂梁的挠曲。由于在悬臂梁和硅基底上镀有铬金属膜充当电极层，因此在悬臂梁和硅基底之间形成电容，同一侧的三个电容并联，当悬臂梁梁发生挠曲时，两极板间的距离发生变化，从而使电容值发生变化。当待测磁场增大时，镀有正超磁致伸缩薄膜的悬臂梁向硅基底方向挠曲，硅基底与悬臂梁之间的距离变小，电容值变大，而镀有负超磁致伸缩薄膜的悬臂梁背离硅基底方向挠曲，硅基底与悬臂梁之间的距离变大，电容值变小，最后利用对差动电容的检测得出待测磁场的变化。
差动电容检测电路框图如图4所示，整个检测电路由应用差动电容的检测和放大电路、全波整流电路和低通滤波电路组成。高频信号发生器产生的高频正弦波信号施加于被测电容，将被测电容变换成容抗，再通过C/V转换把容抗变成交流电压信号，经过放大器放大，再送入全波整流电路转变成直流电平，最后经过低通滤波，输入到计算机进行分析。
Claims (3)
1.一种基于超磁致伸缩薄膜的的叉指电容磁场传感探头，包括：硅基底、固支端、悬臂梁、铬金属膜、超磁致伸缩薄膜，硅基底上表面镀铬金属膜，固支端位于硅基底的两侧，悬臂梁通过固支端与硅基底连接，每侧三个悬臂梁，两侧的悬臂梁形成叉指结构，悬臂梁上表面镀铬金属膜和超磁致伸缩薄膜。
2.所述的铬金属膜镀在硅基底上表面和悬臂梁的上表面，使悬臂梁和硅基底之间形成电容结构，同侧的三个电容结构并联。
3.所述的超磁致伸缩薄膜镀在悬臂梁上表面的铬金属膜上面，一侧悬臂梁的铬金属膜上面镀正超磁致伸缩薄膜，另一侧镀负超磁致伸缩薄膜，两种超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩系数相同或相近。
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