CN106687817B - 基于膜的磁强计 - Google Patents

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Abstract

各种示例性实施例涉及用于测量振荡频率的磁强计装置，该磁强计装置包括：包括连接至金属膜的第一输入的电压偏置和放大器的馈通环路；连接至膜输出的膜接地部；包括连接至放大器的第二输入的第一固定板输出的固定板，其中固定板与金属膜物理分离但是通过洛伦兹力连接至金属膜，以及其中物理分离由于磁场相对于电流的方向的角度而不同；对洛伦兹力敏感的第二固定板输出；以及电路，该电路连接至第二固定板输出以基于洛伦兹力而计算磁力的角度。

Description

基于膜的磁强计
本文中公开的各种示例性实施例总体上涉及包括金属膜的、测量并且报告装置相对于磁场的取向的电子装置或装置部件。
多自由度惯性测量单元或IMU是测量并且报告装置的速度、取向和重力的电子装置或装置部件，并且其可以是用于导航和定向目的的移位手持装置的部件。IMU的一个实施例包括通常集成在微机电系统(MEMS)中的加速度计、陀螺仪、高度计和罗盘或磁强计的多封装组合或多芯片组合。
尽管IMU的小型化、集成化、标准化和成本降低已经使得它们广泛用作移位应用诸如智能电话以及基于导航和定位的特定用途的装置中的罗盘和磁强计，但是市场上的IMU仍然需要专门制造并且在一些情况下需要昂贵的材料，不必要地增加这些装置的物料清单(BOM)成本。
鉴于目前对小的、经济有效的、灵敏的罗盘的需求，呈现了各种示例性实施例的简要概述。在以下概述中进行了一些简化和省略，该概述旨在强调和引入各种示例性实施例的一些方面，但是不限制本发明的范围。在随后的章节中将给出足以使本领域的普通技术人员能够实施和使用发明概念的优选示例性实施例的详细描述。
各种示例性实施例涉及用于测量振荡频率的磁强计装置，该磁强计装置包括：包括连接至金属膜的第一输入的电压偏置和放大器的馈通环路；连接至膜输出的膜接地部；包括连接至放大器的第二输入的第一固定板输出的固定板，其中固定板与金属膜物理分离但是通过洛伦兹(Lorentz)力连接至金属膜，以及其中物理分离由于磁场相对于电流方向的角度而不同；对洛伦兹力敏感的第二固定板输出；以及电路，该电路连接至第二固定板输出以基于洛伦兹力而计算磁力的角度。在可替选的实施例中，金属膜包括连续的金属片。在一些实施例中，金属膜还包括以平行线的方式从膜输入延伸到膜输出的连续金属绕组。在一些另外的示例性实施例中，金属膜还包括其中嵌入有金属绕组的电介质片。
在一些实现方式中，磁力的角度由磁场相对于电流方向的角度给出。
在一些实施例中，反馈环路被配置成驱动交变电流通过金属膜。
在一些实施例中，电流方向由被反馈环路驱动通过金属膜的交变电流的方向给出。
在一些实现方式中，电流方向由金属膜的第一输入和膜输出之间的电流方向给出。
在一些实施例中，磁强计装置，尤其是电路，被配置成测量金属膜的振荡频率和/或该振荡频率的移位。
在一些实现方式中，振荡频率的移位由磁场引起。
在一些实现方式中，磁强计装置，尤其是电路，被配置成基于振荡频率和/或振荡频率的移位而计算磁力的角度。
各种示例性实施例涉及用于测量振荡频率的磁强计装置，该磁强计装置包括：包括连接至金属膜的第一输入的电压偏置和放大器的馈通环路；连接至膜输出的膜接地部；包括连接至放大器的第二输入的第一固定板输出的固定板，其中固定板与金属膜物理分离但是通过洛伦兹力连接至金属膜，以及其中物理分离由于磁场相对于电流方向的角度而不同；对洛伦兹力敏感的第二固定板输出；以及电路，该电路连接至第二固定板输出以基于洛伦兹力而计算磁场的角度。
在一些实现方式中，磁场的角度由磁场相对于电流方向的角度给出。
在一些实现方式中，磁强计装置，尤其是电路，被配置成基于振荡频率和/或振荡频率的移位而计算磁场的角度。
在一些实施例中，金属膜具有与金属膜的机械质量成比例的等效电感、与金属膜的机械刚度成比例的等效电容和与金属膜的机械阻尼成比例的等效电阻。在一些实施例中，放大器包括电流控制的电压源。在一些可替选的实施例中，电流控制的电压源包括增益。在一些实施例中，固定板具有与金属膜相同的比例(proportion)。在可替选的实施例中，金属膜是独立的。在一些实施例中，固定板固定到基板。在一些其他可替选的实施例中，固定板固定到晶片。
各种示例性实施例涉及测量装置的取向的方法，该方法包括：驱动交变电流通过金属膜；测量金属膜中的振荡频率的移位；以及基于振荡频率的移位和电流方向而计算外部磁场相对于金属膜的角度。可替选的实施例还包括创建用于驱动金属膜进入振荡的反馈环路。在一些实施例中，振荡接近金属膜的机械谐振频率。
在一些实现方式中，外部磁场相对于金属膜的角度对应于外部磁场相对于被驱动通过金属膜的交变电流的方向的角度。
在一些可替选的实施例中，创建反馈环路的步骤包括产生电容位移电流；将该电容位移电流馈送至放大器；通过放大器将电容位移电流放大；以及将经放大的电流作为电压馈送至金属膜。在一些可替选的实施例中，该方法还包括在金属膜和固定接地板之间生成偏置电压。在一些实施例中，固定接地板距金属膜的距离是小的。在可替选的实施例中，固定接地板具有与金属膜相同的比例。
在一些实施例中，计算磁力的角度的步骤还包括消除可能引起振荡频率失谐的效应。在可替选的实施例中，消除效应的步骤包括针对一个或更多个电流方向扣除振荡频率。该方法的可替选的实施例还包括滤除来自金属膜振荡的干扰。在一些实施例中，滤除干扰的步骤包括在足够的时间段中测量振荡器的频率。
各种示例性实施例涉及用于测量装置的取向的磁强计装置，该磁强计装置包括：包括金属膜和反馈环路的振荡器；反馈环路，其被配置成驱动交变电流通过金属膜并且驱动金属膜进入振荡；以及处理器，其被配置成测量由反馈环路和金属膜引起的振荡频率的移位，并且基于振动频率的移位和电流方向而计算外部磁场相对于电流方向的角度。在一些可替选的实施例中，振荡接近金属膜的机械谐振频率。在可替选的实施例中，反馈环路还包括放大器并且进一步被配置成产生电容位移电流；将该电容位移电流馈送至放大器；通过放大器将电容位移电流放大；以及将经放大的电流作为电压馈送至金属膜。
在一些可替选的实施例中，磁强计装置还包括固定接地板，该装置进一步被配置成在金属膜和固定接地板之间生成偏置电压。在其他实施例中，固定接地板距金属膜的距离是小的。在一些实施例中，固定接地板具有与金属膜相同的比例。在可替选的实施例中，在计算外部磁力的角度时，处理器进一步被配置成消除振荡频率失谐效应。在一些可替选的实施例中，处理器进一步被配置成在消除振荡频率失谐效应时，针对一个或更多个电流方向扣除振荡频率。
在磁强计装置的可替选的实施例中，处理器进一步被配置成滤除来自金属膜振荡的干扰。在其他实施例中，处理器进一步被配置成在足够的时间段中测量振荡器的频率。
在一些实施例中，处理器连接至固定接地板，用于测量振荡频率的移位。
应当认识到，以这种方式，各种示例性实施例实现对磁场的角度敏感的、小的、经济有效的装置。特别地，通过测量金属膜经受由磁场的作用而生成的力的位移。
为了更好地理解各种示例性实施例，参照附图，在附图中：
图1图示了示例性独立金属膜在被激发至机械谐振时的行为；
图2A图示了图1中的膜的示例性的可替选的实施例；
图2B图示了图1的膜的横截面；
图3图示了示例性电流相对于示例性磁场的方向对振荡频率的影响；
图4图示了电等效于图1所示的振荡器的示例性电路；
图5图示了谐振器膜的导纳在虚平面中的图线；
图6图示了嵌入金属膜和基板中的绕组的横截面；
图7图示了用于将传感器读数输出以基于膜的位移而计算磁场的电路和膜的横截面；
图8图示了电等效于图7的膜和电路的示例性电路。
根据前文，期望使用不太昂贵的、适于较小外形并且可以用于实现测量各种条件的多个传感器的材料来测量装置相对于磁场的取向。
本领域中已知的基于洛伦兹力的MEMS传感器，诸如霍尔(Hall)效应传感器或各向异性磁阻(AMR)传感器，电子地感测由于作用在磁场中承载电流的导体上的洛伦兹力而引起的MEMS结构的机械运动。(注意，已知的洛伦兹力传感器中的导体由半导体材料构造)。换言之，这些传感器测量机械位移。在各种应用中，机械结构常常被驱动至其谐振，以便获得最大的输出信号。压阻换能和静电换能可以用于电子地检测磁场的取向。压阻效应是在施加机械应变时半导体或金属的电阻率改变。
针对较低成本的、容易制造的磁强计的期望，描述了一种用于使用标准的、非磁的、互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容材料来测量地球磁场的平面内取向的系统和方法。例如，本文中描述的系统可以基于振荡的金属膜的机械振荡频率移位的测量。这与目前已知的使用霍尔效应或AMR传感器的磁强计应用截然不同，霍尔效应或AMR传感器由于它们所需的机械性质(包括，例如测量物理位移和由半导体制造的性质)而与其他传感器分立组装。另外，因为包括独立膜的磁强计可以使用与安装在CMOS顶部的现有MEMS传感器(诸如，压力传感器)的材料相同的材料来制造，所以磁传感器可以组合在形成惯性测量单元的零部件的单个CMOS芯片上，而不需要增加任何工艺复杂性或相关联的成本。这对于各种应用是有益的，诸如具有多个功能(例如，用于感测气压(例如，在高度计中)和物理方位，气压和物理方位可以组合以实现3D位置确定)的传感器的封装中的一个部件，因为可以被包括在移动装置或其他手持装置、导航设备或车辆中。
可以使用洛伦兹力和静电力的组合来将独立的金属膜激发至机械振荡。可以高度准确地测量频率。洛伦兹力取决于平面内磁场和通过金属膜传送的电流之间的角度。角度的改变将引起洛伦兹力的改变，并且因此振荡频率出现轻微的但可检测到的失谐。测量振荡频率的移位使得能够确定地球磁场相对于磁强计的取向。
在金属膜具有与用于感测诸如环境压力的其他物理环境条件的膜相同的尺寸和物理性质的情况下，同一膜可以用于感测两种条件。例如，可以采用时分复用来将同一物理传感器用作高度计和磁强计。除了节约制造成本和材料成本以及简化制造工艺以外，通过将功能组合在单个结构上可以实现较小的外形。
另外，感应器和其他磁场生成元件可以容易地集成在下面的CMOS上，使得能够使用电激励对磁强计进行原位(in-situ)校准和调整。因为所需部件可以是集成的，所以校准过程可以在现场重复，从而补偿由老化或其他因素引起的任何传感器漂移。此外，由于压力和温度测量会在靠近磁强计的位置进行，所以在校准期间可以更准确地了解并抑制针对除了磁场以外的诸如环境压力或温度的力的任何磁强计交叉灵敏度。
现参照附图，其中相同的附图标记指示相同的部件或步骤，公开了各种示例性实施例的广泛方面。
图1图示了示例性独立金属膜110在通过洛伦兹力Flor和静电力Fel的组合被激发至机械谐振时的行为。基于膜的磁强计100可以包括在振荡器环路(包括iin、Cft、V、膜110、地150、iout、跨阻放大器TIA和地140)中的膜110。洛伦兹力Flor可以通过驱动诸如AC电流iin的电流120通过膜110、结合地球磁场B来生成。因为洛伦兹力随着电流密度线性变化，所以可以使用具有低电阻和较大电流密度的金属膜110，使得它们(例如，与具有较高电阻的半导体相比)可以生成较大的洛伦兹力。
诸如膜110的示例性金属膜相比于本领域中已知的基于半导体的洛伦兹力传感器具有若干优点。简言之(稍后讨论更详细的计算)，洛伦兹力Flor是金属膜110的长度l乘以电流iin乘以磁场B乘以磁场方向与电流方向之间的角度的正弦的乘积(Flor＝l*iin*B*sinα)，但因为膜是机械系统，所以随机机械噪声也将影响膜110的移动。这种随机噪声可以表示为力其中kb是玻尔兹曼(Boltzmann)常数，T是膜110周围的绝对温度，γ是膜110的阻尼系数(因为膜110与其周围的气体相互作用)，乘以在其中进行测量的带宽Δf(如同任何白噪声现象，带宽是因素)，并且可以在传感器计算中考虑。信噪比越大，则磁强计将越灵敏。通过产生相对于系统机械噪声Fnoise的大的洛伦兹力Flor，可以使信噪比最大化，系统机械噪声Fnoise应当尽可能小。通过使阻尼系数γ最小化可以使Fnoise最小化，通过使膜110的品质因子Q最大化可以实现阻尼系数γ的最小化。生成洛伦兹力Flor所需的功率P是通过膜110传送的电流iin和膜的电阻R的函数(P＝iin 2*R)，因为金属的电阻小于半导体的电阻，所以在金属膜110中生成大的洛伦兹力Flor所需功率较小。另外，增加长度l将增加洛伦兹力Flor。通过图2A中示出的示例性的可替选的实施例可以在不增大膜110的尺寸的情况下实现长度l的增加。
图2A示出了膜110的示例性的可替选的实施例210。在一些实施例中，作为针对由连续的金属片组成的膜110的替选，金属膜210可以包括金属迹线(tracer)220，如图2B中所示的那样，金属迹线220可以嵌入膜110中。迹线220可以作为从输入vin侧延伸到输出地150的串联金属线/绕组(围绕膜的一个连续延伸形成线圈)而被嵌入，并且一起形成膜210。
在长导线的情况下保持低电阻是重要的，因为如上所述，对于较大电流将存在较大洛伦兹力以及小的功率耗散，金属绕组可以用于使l变长，同时保持R是低的。大部分基于洛伦兹力的传感器使用掺杂的硅，其具有约1mΩ*cm的电阻系数，其是金属绕组的约为1μΩ*cm(微欧姆·厘米)的电阻系数的1000倍；因此金属膜在信噪比和功率耗散方面更高效。另外，使用多个迹线绕组而不是单个片将使导线长度最大并且导致迹线的较高的组合总电阻以及与电源电压的较好的阻抗匹配，因为膜210连接至CMOS，所以可以为1-3V；相比于通过具有较低电阻(例如，0.1Ω)的片，通过具有较高电阻(例如，＞1KΩ)的多个迹线更容易实现从约1V的电源电压的1mW的示例性输入电流的耗散。可替选地，v转换器可以用于降低通过膜片的电流，但是这种布置将增加可以避免的复杂度和成本。
在示例性膜210中，迹线宽度wt可以为2μm，相邻迹线之间的间距可以为0.5μm，迹线的数目N可以为90，并且膜宽度w和长度l可以为220μm。洛伦兹力Flor被示出为与迹线绕组220正交，其中磁力B垂直于绕组220。金属绕组220可以被嵌入电介质片230中以形成膜210。因为迹线的数目N为90，所以用于产生洛伦兹力Flor的有效长度lwire为膜宽度的N倍或者90*220μm，在图1的简单膜中表示为Flor＝l*iin*B*sinα的洛伦兹力的计算变为乘以N倍，使得Flor＝N*l*iin*B*sinα，因此使用金属绕组的膜中的洛伦兹力相比于单个金属膜高得多，在单个金属膜中l受限于膜片的长度。
通过利用宽2μm间距0.5μm的线进行与图1、2A和2B中所示的相似的测量，可以预期示例性金属膜的谐振频率为878.956KHz，品质因子Q为223.8，质量m为6.26-10kg，弹簧常数k为1.914N/m，并且阻尼系数γ(根据Q、m、和k计算，因为Q＝sqrt(k*m)/γ)为1.53-5Ns/m。注意，可以预期连续的金属膜与具有由电介质覆盖的刻蚀沟槽以形成迹线绕组的膜具有相对类似的机械性质。如上所述，方块电阻可以为0.1Ω，并且导线的总电阻为1KΩ。
如图1所示，在电流iin具有垂直于磁场B的分量120并且电流iin和磁场B两者均在膜110的平面中定向的情况下，洛伦兹力Flor与膜110正交或垂直而定向。除了通过金属膜110与距金属膜110距离小的固定接地板130之间的DC偏置电压V以外，还可以通过AC电压vin生成静电力Fel。(注意，在没有任何电流的情况下，接地板130和膜110将仍然隔开小的距离)。因为金属膜110具有有限的电阻，所以在AC电流iin被施加至膜110时导致的电压降引起AC电压vin。注意，在示例性罗盘100中，因为膜110在一侧接地150，所以跨越膜110的电压降将等于vin。
此外，当AC电流iin被驱动120通过可以包括将相对于固定接地板130(其可以固定到基板或晶片)移动的金属板的自由移动的膜110时，引起电容位移电流iout，电容位移电流iout可以被馈送至跨导放大器TIA以将信号放大并且将其作为电压vin反馈至独立的金属膜，使得可以创建反馈环路以驱动独立的金属膜以接近其机械谐振频率的频率进入振荡。如果电流iin是频率与膜110的谐振频率匹配的AC电流，则在DC磁场中，在膜110的机械谐振处生成AC洛伦兹力Flor。洛伦兹力Flor和静电力Fel的相互作用将引起频率移位；静电力继而由金属膜110和接地板130之间的静电力生成。
振荡频率将取决于环路相位，该环路相位取决于洛伦兹力的大小，并且因而振荡频率将取决于正在被测量的磁场。因此，通过测量振荡频率可以得到磁场相对于AC驱动电流的方向，并且因而确定地球磁场的方向。
相对于诸如图1中的膜110的示例性独立膜的俯视图，图3图示了示例性电流iin相对于地球磁场B的方向120对振荡频率的影响。如图3所示，在电流iin在不同方向上传送通过膜110时，可以建立全360°角度鉴别iy、ixy、ix、iyx等(回到iy)。注意，因为在地球表面的给定区域中地球磁场B具有相对固定的幅值，所以当装置旋转时将改变的唯一变量是角度α。在x方向120上行进的电流iin相比于在y方向上行进的电流将引起不同的振荡频率失谐，这是因为两者之间的洛伦兹力的幅值不同。类似地，来自在x＝y对角线上行进的电流120的频率失谐将不同于来自在x＝-y对角线上行进的电流120的频率失谐。通过确定参考频率，将关于不同电流方向的这些频率进行比较，并且测量这些不同的失谐频率的差别，可以360°辨析角度α并且完全辨别磁场。因此，可以预期基于频率测量而确定磁场相比于基于机械测量的确定实现更高的分辨率和准确度。此外，为了消除也可能引起振荡频率失谐的不想要的效应，诸如由例如材料老化、温度和偏置电压变化引起的频率移位，可以针对不同电流方向扣除振荡频率。
由电场引起的任何干扰将添加至输入电压vin或输出电流iout,并将以振荡幅度噪声或相位噪声的形式将噪声添加至振荡器。如下文讨论的，如果这种噪声是随机的，可以通过在充足的时间段内测量振荡器的频率来滤除。振荡频率或相位的持久移位相比于随机干扰不太可能，但是可以通过校准技术滤除。在一些实施例中，滤除电磁干扰(EMI)的方法可以是使面向地球外部的板接地。注意，在图1中，接地板130连接至虚拟地140，但是图1的布置可以变更，使得膜110连接至地(通过TIA)以便抑制EMI。注意，还可以使用接地板或其他方法将包括磁强计100的CMOS芯片分离地屏蔽。
还要注意，如果磁强计100是具有占空周期的(仅按间隔接通或根据需要接通)，则在可以取得可靠的读数之前膜的机械惯性将需要简短的“预热”延迟。该延迟对于用户而言可能是不可检测的，因为在示例性实施例中它可能是1ms(例如，品质因子Q*周期，其中示例性Q＝100并且频率＝100KHz)，但是一些应用可能需要频繁读数。因此，如果需要跨越较长时间段(例如1s)的测量时段，则装置可以具有占空周期，但是如果期望或需要每毫秒的测量，则装置可以在长达测量所需的时间内接通(因为否则机械将太慢以致不能适应占空周期并且仍不能进行准确的所需测量)。
为了计算地球磁场的平面内取向，可以确定用于根据磁场的方向来描述诸如示例性膜110的膜的振荡频率与参考频率之间的关系的模型。如上文所述，洛伦兹力等于电流乘以磁场的外积。
作用在示例性膜110上的时间交变的洛伦兹力Flor可以写为(式[1])Flor＝liinejω tBsinα，其中l为膜的长度，B为磁场幅值，并且α为磁场与电流iin的方向之间的角度。因此，洛伦兹力Flor与电流iin被强制通过的膜110的长度l、磁场B以及电流iin与磁场B之间的角度α的正弦sinα成比例，其中电流iin是频率为jωt的AC电流并且磁场B为DC场(AC电流乘以DC场产生AC洛伦兹力)。在其中膜110包括一起形成膜110的嵌入的示金属迹线而不是连续的金属片的实施例中，式liinejωtBsinα将乘以对应于延伸通过膜110的金属线的数目的整数N。因此，如上所讨论的，通过使用多个N迹线而不是连续的金属片，洛伦兹力Flor将为原来的N倍并且传感器的灵敏度也将为原来的N倍。
行进通过膜110的电流iin和电压vin通过欧姆定律相关，(式[2])其中因子1/2将跨越膜110的整个长度的电压降考虑在内(由于如上文讨论的地150)，因此平均电压是总电压降的一半(换言之，计算假设电压等于膜110的中心的电压)。
因此，洛伦兹力Flor可以用电压vin表示为(式[3])该式从前两个式[1]、[2]得出。膜110和接地板130之间的静电力Fel也可以用电压表示，膜110上的平均AC电压引起如由(式[4])所表述的吸引静电力，其中V为静态偏置电压，ε0为介电常数，A＝lw为膜110的面积，并且g为膜110与接地板130之间的间隙的距离。
输出电流iout与膜110的速度有关。这在许多MEMS中是标准表达式，其中如果在偏置电压下的电容发生改变，则产生位移电流iout。膜的偏转引起电容改变，并且因而位移电流可以表示为(式[5])其中是膜的平面外定向速度。
此外，独立的膜110可以被认为是由运动方程(质量m乘以膜110的加速度加上阻尼γ乘以膜110的速度加上弹簧力k乘以膜110的位移x)控制的质量-弹簧系统，(式[6])并且与施加至膜的力，即洛伦兹力Flor和静电力Fel平衡，通过将[3]、[4]、[5]和[6]组合，其在电学上可以重写为阻抗(输入电压vin与输出电流iout之间的关系)，使得(式[7])(换言之，输入电压vin等效于由电感引起的阻抗、由电阻引起的阻抗和由电容引起的阻抗)。
LB、RB和CB(机械质量、阻尼和刚度)可以表示为(式[8])(电感与质量m成比例)、(式[9])(电阻与阻尼γ成比例)以及(式[10])(电容与弹簧力k成反比)，其中静电耦合因子η和磁失谐因子δ可以表示为(式[11])和(式[12])如可以看到的，δ是磁场的函数，如果磁场B＝0，则δ＝0的，并且LB、CB和RB是固定值，如果B≠0且sinα≠0(因为如果电流iin和磁力B平行，则也将不存在洛伦兹力Flor)，则LB、CB和RB将根据磁场改变值。因此，如果膜220要用作罗盘，则式(式[13])将是相关的，因为其可以基于地球磁场B和如上记载的随着装置旋转而改变的变量α，并且因此通过测量振荡频率的移位δ的值的改变，值α的改变可以用于确定方向。其他的磁场B的测量也是可能的。
图4图示了作为类似于图1中示出的振荡器环路的振荡器的完整电路的电等效物的示例性电路400。如上述[7]所示，可以用等效电感、电容和电阻来描述机械谐振器(诸如谐振膜110)的谐振，其在图4中由电元件电阻器RB、电容器CB和电感器LB表示，其中RB与膜110的机械阻尼成比例、CB与膜110的机械刚度成比例并且LB与系统的机械质量成比例。串联RLC连接可以由上述运动方程描述并且与由膜结合膜110下面的平面(例如，接地板130)所形成的馈通电容Cft并联。跨导放大器TIA可以被视为具有增益M的电流控制的电压源(CCVS)。因此，TIA/CCVS将进入的电流转换为电压vin，该电压vin通过并联的寄生馈通Cft和谐振电路RB、CB和LB前进，需要电容器Cft，因为除了机械谐振以外，膜110和接地板130之间存在一些电容串扰。假定CCVS的相移是恒定的，并且在Cft//RB-CB-LB支路上的相移也可以是恒定的，以便满足振荡条件(根据巴克豪森(Barkhausen)稳定准则)。因为相移是恒量，所以其遵循RB-CB-LB的值和振荡频率之间存在的关系。因此，在将磁场施加于电路400(其表示基于膜的罗盘100)时，该场将改变等效电阻RB，使得振荡频率将成比例改变，因为振荡器环路400中的相移正在移位。例如，如果RB、CB和LB改变一部分△，则示例性电路400的振荡频率改变(因为磁场和振荡频率之间的关系)，使得馈通电容Cft与RB、CB和LB之间相互影响。振荡频率可以被测量作为输出，以便使用本文中描述的计算来确定磁场。
图5图示了在虚平面中的谐振器110的导纳(其为1/阻抗)的图线。谐振器的导纳由(式[14])描述。如果ω0被定义为(式[15])Q被定义为(式[16])且ω被定义为(式[17])ω＝ω0+Δω，并且假设Δω＜＜ω0，则导纳([14])可以重写为(式[18])导纳的相位可以是恒量，使得实部和虚部之比是恒量，(式[19])假设Q<<1，[19]可以进一步简化为(式[20])取关于RB的微分(式[21])并且Δω将RB的任何改变联系至振荡频率的改变。
在针对接近谐振频率ω0的频率在x轴上绘制导纳的实部(1/RB,α1,1/RB,α2)而在y轴上绘制RLC支路的虚图线(ωα1Cft,ωα2Cft)时，产生与谐振点ωα1、ωα2相交的圆的图线。与ωα1、ωα2相交的圆上的每个点对应于频率ω，并且当ω增加时，圆在顺时针方向上跟随；因此，如果对频率进行扫描，则图线将沿着圆。在绘制总导纳时，圆可以沿着虚轴通过等于馈通导纳jωCft的量进行转换。如由图5中与原点交叉的直线510所示，在振荡器环路中，导纳的相位由放大器增益M的相位固定。如果谐振电路400放置在磁场中，则元件RB、CB和LB的值将改变，并且圆将扩展(例如，圆与ωα2相交)或收缩(例如，圆与ωα1相交)。线与x轴交叉的角度等于M的相移。固定相位线510与圆的交叉ωα1、ωα2设定振荡频率。振荡器可以锁定在对应于圆上处于固定相位的点的频率处。固定相位线510示出谐振频率(固定相位线与圆图线的相交点ωα1、ωα2图示了谐振频率)。在圆图线扩展或收缩时，交叉点ωα1、ωα2与每个绘制的圆相关地移动，表示振荡的频移。失谐因子δ引起振荡频率的移位，因为失谐因子δ引起圆的直径520的改变，并且因而引起固定相位线与导纳圆相交在与相交点ωα1、ωα2不同的交点。
因此，总之，磁场相对于磁强计100的取向的改变引起作用于膜110的洛伦兹力Flor改变，从而引起等效阻抗RB改变，引起谐振频率改变(式[21])。
表1图示了诸如当前在一些压力传感器应用中使用的膜的示例性膜的性质。这些膜参数仅是示例性的，但是这些参数值可以用于说明谐振频率移位的幅值。可以使用不同的参数来实现膜，并且值将通过简单的缩放规则彼此相关地改变，例如，如果膜为原来的2倍，则谐振频率将为原来的1/2，质量将为原来的2倍并且刚度将为原来的1/2等。虽然金属膜的尺寸和制造可能有一些变化，但是表1的示例性膜是针对低成本、制造简单且与CMOS集成的示例性尺寸。
通过如上所述计算导纳圆可以得到表1的示例性膜的振荡频率的移位。例如，如果在AC电流平行于磁场行进(与ωα1相交的圆)时以及在AC电流垂直于地球磁场(与ωα2相交的圆)时计算导纳，则直径的改变被计算为约1％。放大器相位可以固定在例如60°的值，其固定振荡频率并且使得能够计算由圆直径520的改变而引起的频移。因此，地球磁场旋转90°将引起振荡频率移位50ppm，其完全在大多数频率测量系统的分辨率范围内。
表1
符号 值 单位 描述
B 2.50E-05 T 地球磁场的幅值
V 10 V 施加至膜的电压偏置
l 3.50E-04 m 膜的长度
w 3.50E-04 m 膜的宽度
g 1.00E-06 m 膜下面的间隙
f<sub>0</sub> 6.00E+05 Hz 谐振频率
k 1.23E+04 N/m 膜刚度
m 8.62E-10 kg 膜质量
Q 1.00E+02 品质因子
Rs 1.00E-01 W 膜的方块电阻
固定相位线510与圆的交叉标记振荡频率，并且在磁场取向改变引起圆直径改变时移位。
根据前文，参照膜110的致动、位移或移动可以将磁场的方向测量理解为响应于由磁场、偏置电压和电流生成的洛伦兹力Flor。图6图示了如可以嵌入在金属机械膜610(敞开于空气)中的线圈620的一个绕组的横截面，其中线圈还被示出为嵌入在基板630中。电源电流i开始于基板630中的电流源640处，行进通过嵌入在膜610中的导线的质量m，并且在继续通过导线线圈环路之前遇到基板630中的电阻R。如本领域的技术人员可以理解的，膜610是弹簧/质量系统600，所以膜610具有质量m、刚度k和阻尼系数γ。假设在膜610的平面中、存在沿着晶片表面的磁场B，则洛伦兹力Flor将如所示的那样将膜610向下拉出平面。另外，膜也将经受布朗(Brownian)(随机)力Fnoise，如上文所讨论的，其是机械噪声。
注意，在一些实施例中，如果所需测量的是地球磁场，则还可以考虑由线圈自身生成的磁场。影响膜610的总磁场B可以由地球磁场B0和线圈的磁场两者引起，使得(式[22])为了测量地球磁场B0，可以进行计算以消除由线圈引起的磁场的影响总磁场B的效应。上文关于图2A被表示为N*l*iin*B的洛伦兹力Flor因而可以表示为(式[23])或(式[24])在质量/弹簧系统600中，经受外力Flor和Fnoise，运动x的方程可被得到为(式[25])NlB0i＝-ω2mx+jωγx+kx(仅考虑随电流i的给定频率ω变化的项，频率ω是可以施加在系统上的频率)。因为如[25]所见，可以得到仅关于地球磁力B0的运动方程，因此可以通过测量膜610的位移x来考虑线圈的磁场。注意，由线圈自身生成的磁场的频率将不同于由地球磁场生成的磁场的频率，并且因此线圈自身生成的磁场可以如所示的那样变得与B0的测量无关。
如上文所讨论的，洛伦兹力Flor的大小取决于磁场与嵌入膜中的导线或膜片之间的角度，使得Flor将根据磁场相对于膜的角度α的角度而不同，因为在x方向上行进的电流相比于在y方向上行进的电流将引起振荡频率的不同失谐。导线或膜610的位移在其谐振频率处最大。膜610在谐振频率ω0处的峰值位移xpk可以表示为(式[26])(Q乘以力，除以弹性常数k，或者Q乘以导线的数目N、膜的长度(并且因而导线的每个线圈的长度)l、地球磁场B0和通过导线的电流i；除以膜的弹性常数k)。最后，注意，由提供的另外的位移将提供如上文所讨论的信噪比。因此，通过计算洛伦兹力Flor并考虑Fnoise，可以确定地球磁场B0的角度α。
通过参照图2A和图6所示的示例性膜210、610可以检测到的最小洛伦兹力Flor可以由质量/弹簧系统600的机械检测极限来确定，在极限处随机噪声量淹没洛伦兹力。换而言之，当随机噪声等于洛伦兹力时，传感器处于检测极限。作为具体示例，如在示例性膜210、610中示出的机械检测极限，其中绕组的数目N可以是90，环路的深度d可以是5μm，膜210、610的长度l可以是220μm，电流i可以是1mA均方根(rms)，电阻R可以是1KΩ并且带宽Δf可以是4Hz，洛伦兹力Flor可以是8.4*10-10N，噪声力Fnoise可以是1.0*10-12N，位移x为9.9*10-12m(～10皮米)，以及机械检测极限为(25纳特斯拉每平方根赫兹)。通过比较，霍尔罗盘传感器具有的本底噪声，并且相比于使用如本文中所表述的金属膜的罗盘灵敏性较低。
为了如上所述测量膜610的位移并因此测量磁力B0，可以电地测量位移x。图7图示了参照在基板740的顶部上且在膜610之下的电极720的膜610的横截面。电极720可以是保持在电位Vbias的、与膜610相距间隙距离g的板，使得板720和膜610通过电容C电容性耦接(因为它们彼此接近以及电压Vbias)，电容C生成可以测量到的位移电流。
图8图示了电等效于图7的系统的示例性电路。如在图7和图8中可以看到的，两个位移电流源，isense(由膜位移引起的输出电流)和inoise可以通过洛伦兹力Flor和随机噪声Fnoise使膜610移动距离x而引起；这两个电流isense和inoise可以被推动通过偏置电阻器Rbias以及由膜610的板和电极720的板构成的电容C。由洛伦兹力Flor的位移并且因此由电容C的位移而生成的电流可以表示为噪声电流inoise取决于电流的带宽，膜的刚度和偏置电阻Rbias的数量，并且可以表示为为了使噪声的影响最小化，期望使Rbias最大化，其可以表示为因为推动电流通过Rbias和C的阻抗，它们生成输出信号vsense(由膜的位移引起的输出电压)，如本文中所说明的那样可以测量输出信号vsense以确定B0。可以针对值x(位移)和C(电容)计算输出读数vsense，因为如本文中所讨论的那样针对洛伦兹力Flor的膜的尺寸l2、间隙的尺寸g和电容C将是已知的。Rbias可以非常大，使得等于偏置电压乘以电容的位移导数乘以相对于电容归一化的位移的vsense可以表示为
注意，出于检测的目的，可以通过放大器730对vsense进行放大，除了由电路引起的电噪声vnise以外，这还将引入电噪声vnoise amp。然而，示例性计算将表明相比于机械噪声，电噪声对传感器的检测极限的影响将是可以忽略的。可以预期放大器噪声大于随机机械噪声。在长度l为220μm、间隙g为500nm、偏置电压Vbias为10V、带宽Δf为4Hz、以及针对示例性放大器的放大器噪声vnoise,amp为～20nV rms的示例性膜610中，电容C可以是860fF，电阻Rbias>>200KΩ并且峰值传感器电压vsense,peak＝200V；电检测极限将为(2纳特斯拉每平方根赫兹)。如上所讨论的，机械检测极限为并且组合将为或者几乎与单独的机械噪声没有不同。
根据前文，各种示例性实施例提供了以廉价、多用途、小尺寸的形式来制造的磁强计。特别地，通过实现嵌入在基于CMOS的磁强计中的金属膜，感测包括该膜的振荡器的相移。
根据前文描述将明显的是，本发明的各种示例性实施例可以以硬件和/或固件来实现。此外，各种示例性实施例可以实现为存储在机器可读存储介质上的指令，该机器可读存储介质可以由至少一个处理器读取并执行以执行本文中详细描述的操作。机器可读存储介质可以包括用于以可由诸如个人计算机或便携式计算机、服务器或其他计算装置的机器读取的形式存储信息的任何机制。因此，机器可读存储介质可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪速存储器装置和类似的存储介质。
本领域的技术人员应认识到的是，本文中的任何框图表示体现本发明的原则的说明性电路的概念视图。类似地，将认识到的是，任何流程图、过程图、状态转换图、伪编码等表示可以基本上在机器可读介质中表示并且因此由计算机或处理器执行的各种处理，而不管这种计算机或处理器是否明确示出。
虽然已经具体参照其特定示例性方面对各种示例性实施例进行了详细描述，但是应当认识到的是，本发明能够具有其他实施例并且其细节能够在各个明显的方面进行修改。如对于本领域的技术人员显而易见的是，在保持在本发明的精神和范围内的情况下，可以进行各种变化和修改。因此，前述公开、描述和附图仅出于说明性目的并且不以任何方式限制本发明，本发明仅由权利要求限定。

Claims (20)

1.一种磁强计装置(100)，包括：
-金属膜和反馈环路，所述反馈环路被配置成驱动所述金属膜进入振荡，所述反馈环路包括连接至所述金属膜(110)的第一输入的电压偏置和放大器；
-连接至膜输出的膜接地部(150)；
-固定板(130)，其包括连接至所述放大器的第二输入的第一固定板输出，其中所述固定板(130)与所述金属膜(110)物理分离但是通过洛伦兹力(Flor)连接至所述金属膜(110)，以及其中所述物理分离的距离由于磁场(B)相对于电流方向的角度而不同；
-对所述洛伦兹力(Flor)敏感的第二固定板输出；以及
-电路，其连接至所述第二固定板输出以基于所述洛伦兹力(Flor)和所述金属膜的振荡频率的移位而计算磁力的角度。
2.根据权利要求1所述的磁强计装置，其中所述金属膜还包括连续的金属片。
3.根据权利要求1所述的磁强计装置，其中所述金属膜还包括以平行线的方式从所述膜输入延伸至所述膜输出的连续金属绕组。
4.根据权利要求3所述的磁强计装置，其中所述金属膜还包括其中嵌入有所述金属绕组的电介质片。
5.根据权利要求1所述的磁强计装置，其中所述金属膜具有与所述金属膜的机械质量成比例的等效电感、与所述金属膜的机械刚度成比例的等效电容和与所述金属膜的机械阻尼成比例的等效电阻。
6.根据权利要求1所述的磁强计装置，其中所述放大器包括电流控制的电压源。
7.根据权利要求6所述的磁强计装置，其中所述电流控制的电压源包括增益。
8.根据权利要求1所述的磁强计装置，其中所述金属膜是独立的。
9.根据权利要求1所述的磁强计装置，其中所述固定板固定到基板。
10.根据权利要求1所述的磁强计装置，其中所述固定板固定到晶片。
11.一种用于测量装置的取向的磁强计装置(100)，所述磁强计装置(100)包括：
-振荡器，其包括金属膜(110)和反馈环路；
-所述反馈环路，其被配置成：
-驱动交变电流通过所述金属膜(110)并且驱动所述金属膜(110)进入振荡；
-产生电容位移电流；
-将所述电容位移电流馈送至所述反馈环路的放大器；
-通过所述放大器将所述电容位移电流放大；以及
-将经放大的电流作为电压馈送至所述金属膜；
-处理器，其被配置成：
测量由所述反馈环路和金属膜(110)引起的振荡频率的移位；以及
基于所述振荡频率的移位和电流方向而计算外部磁场相对于所述电流方向的角度。
12.根据权利要求11所述的磁强计装置，其中所述振荡接近所述金属膜的机械谐振频率。
13.根据权利要求11所述的磁强计装置，还包括固定接地板，所述装置进一步被配置成在所述金属膜和所述固定接地板之间生成偏置电压。
14.根据权利要求13所述的磁强计装置，其中所述处理器被连接至所述固定接地板，用于测量所述振荡频率的移位。
15.根据权利要求11所述的磁强计装置，其中，在计算外部磁力的角度时，所述处理器进一步被配置成消除振荡频率失谐效应。
16.根据权利要求15所述的磁强计装置，所述处理器进一步被配置成在消除所述振荡频率失谐效应时，针对一个或更多个电流方向扣除所述振荡频率。
17.根据权利要求11所述的磁强计装置，所述处理器进一步被配置成滤除来自所述金属膜的振荡的干扰。
18.根据权利要求17所述的磁强计装置，所述处理器进一步被配置成在充足的时间段内测量所述振荡器的频率。
19.一种用于测量装置的取向的磁强计装置(100)，所述磁强计装置(100)包括：
-振荡器，其包括金属膜(110)和反馈环路；
-所述反馈环路，其被配置成驱动交变电流通过所述金属膜(110)，并且驱动所述金属膜(110)进入振荡；
-处理器，其被配置成：
-测量由所述反馈环路和金属膜(110)引起的振荡频率的移位；
-基于所述振荡频率的移位和电流方向而计算外部磁场相对于电流方向的角度，以及
-在计算所述外部磁场的角度时，通过针对一个或更多个电流方向扣除所述振荡频率来消除振荡频率失谐效应。
20.一种用于测量装置的取向的方法，包括：
-驱动交变电流通过金属膜(110)；
-产生电容位移电流；
-将所述电容位移电流馈送至放大器；
-通过所述放大器将所述电容位移电流放大；以及
-将经放大的电流作为电压馈送至所述金属膜；
-测量所述金属膜(110)中的振荡频率的移位；以及
-基于所述振荡频率的移位和电流方向而计算外部磁场相对于所述金属膜(110)的角度。
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