CN106872913A - 一种频率转换输出的高q值谐振磁传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种频率转换输出的高Q值谐振磁传感器，包括磁敏感单元、振荡电路和频率检测电路；所述磁敏感单元包括磁致伸缩单元以及复合在磁致伸缩单元上的高Q值谐振器；所述磁致伸缩单元将因磁场作用而产生的磁致伸缩应力加载给所述高Q值谐振器；所述振荡电路激励所述高Q值谐振器振荡，并输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的电信号；所述频率检测电路检测出所述谐振频率。本发明可用于静态、准静态和低频磁场的高灵敏度探测，且体积小、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种谐振型磁传感器，特别是采用频率转换方法的谐振磁传感器。
背景技术
具有大磁致伸缩系数的磁致伸缩材料发展，为磁传感器发展带来了新的机遇。将磁致伸缩材料与压电材料复合，会由于“乘积效应”产生磁电效应，可直接用于动态磁场检测，灵敏度可达10-11T(Shuxiang Dong,Jie-Fang Li,and D.Viehland,Ultrahigh magneticfield sensitivity in laminates of TERFENOL-D and Pb(Mg1/3Nb2/3O3–bUltO3crystals,Appl.Phys.Lett.,vol.83,no.11,2003)。然而，由于压电材料层的电容特性，测量时候压电层与测量电路的输入阻抗形成高通滤波器，磁致伸缩/压电复合的磁传感器在低频磁电响应性能较差且不能直接探测静态磁场(Shuxiang Dong,Junyi Zhai,Zhengping Xing,Jie-Fang Li,and D.Viehland，Extremely low frequency response of magnetoelectric multilayercomposites,Appl.Phys.Lett.86,102901,2005)。一些学者在复合磁电换能单元外部绕制线圈来产生磁激励磁场，在激励磁场作用下，利用复合磁电换能单元的磁电输出随磁场变化的特性来进行静态和准静态磁场探测，从而克服复合磁电换能单元低频磁电响应性能较差的缺点。但是，这种线圈激励的方式又带来新的问题，例如线圈激励会产生电磁干扰、焦耳热等问题，从而导致传感器功耗大、稳定性差，还有可能对其它电子设备造成电磁干扰。德国科学家(S.Marauska,R.Jahns,C.Kirchhof,M.Claus,E.Quandt,R.B.Wagner,Highly sensitive wafer-level packaged MEMS magnetic field sensorbased on magnetoelectric composites,Sensors and Actuators A 189,2013,321–327；R.Jahns,S.Zabel,S.Marauska,B.Gojdka,B.Wagner,R.R.Adelung,and F.Faupel,Microelectromechanical magnetic field sensor based onΔE effect,Applied Physics Letters105,052414,2014)设计了磁致伸缩/压电复合的MEMS谐振磁传感器，利用磁场作用下磁致伸缩材料弹性模量变化(即ΔE效应)的特性，引起磁致伸缩/压电复合的MEMS谐振器输出频率变化来探测静态或准静态磁场。这种方法不必使用线圈，电路构建简单，但是其传感器谐振单元采用悬臂梁结构，且磁致伸缩与压电叠层复合的方式降低了可探测到的灵敏度。可探测灵敏度降低的原因如下：在层间理想耦合条件下，叠层复合结构的平均弹性模量为：E＝nmEm+(1-nm)Ep，其中nm是磁致伸缩层所占复合结构的体积比，Em和Ep分别是磁致伸缩层合压电层的弹性模量，由此在磁场作用下叠层结构的平均弹性模量变化量为ΔE＝nmΔEm，因此说频率响应的灵敏度被降低了；另一方面，由于磁致伸缩材料本身的机械损坏较高，悬臂梁谐振器的品质因数(Q值)收到限制，这限制了磁场频率变化量的高精度探测。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有高探测灵敏度的高Q值谐振型磁传感器，可用于静态、准静态和低频磁场的高灵敏度探测，且体积小、成本低。
本发明解决上述技术问题的技术方案为，一种频率转换输出的高Q值谐振磁传感器，包括磁敏感单元、振荡电路和频率检测电路；所述磁敏感单元包括磁致伸缩单元以及复合在磁致伸缩单元上的高Q值谐振器；所述磁致伸缩单元将因磁场作用而产生的磁致伸缩应力加载给所述高Q值谐振器；所述振荡电路激励所述高Q值谐振器振荡，并输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的电信号；所述频率检测电路检测出所述谐振频率。
较佳地，所述高Q值谐振器为三梁谐振结构，其具有三个双端固定的振动梁；所述三梁谐振结构通过其两端设置的谐振器固定座复合在所述磁致伸缩单元上；在所述三梁谐振结构的中间梁的两端分别复合有压电驱动单元和压电检测单元；压电驱动单元和压电检测单元分别通过其电极与所述振荡电路的输入端和输出端连接。
较佳地，所述高Q值谐振器为单梁谐振结构；所述单梁谐振结构复合在所述磁致伸缩单元上，磁致伸缩单元上设置有与振动梁相对应的开口；在振动梁的两端分别复合有压电驱动单元和压电检测单元；压电驱动单元和压电检测单元分别通过其电极与所述振荡电路的输入端和输出端连接。
较佳地，所述振荡电路为锁相振荡电路。
较佳地，所述高Q值谐振器为石英谐振结构，所述石英谐振结构为矩形的石英晶体薄片，在其上下表面中间位置对称镀有电极；所述上下表面的电极分别与所述振荡电路的输入端和输出端连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明所述的磁传感器利用高Q值谐振器在磁致伸缩应力作用下输出的谐振频率产生变化的特性进行磁场检测，具有灵敏度高、响应速度快的特点；(2)本发明不采用线圈，不会产生焦耳热和电磁干扰；(3)本发明采用高Q值谐振器，能够以微机电系统(MEMS)的方式实现，使得磁传感器探头成本低、体积小、制备简单。
附图说明
图1是本发明采用三梁谐振器与磁致伸缩材料复合的磁敏感单元实施方式示意图。
图2是本发明采用单梁谐振器与磁致伸缩材料复合的磁敏感单元实施方式示意图。
图3是本发明采用石英谐振器与磁致伸缩材料复合的磁敏感单元实施方式示意图。
图4是本发明中复合传感器频率转换测量的实施方式示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明频率转换输出的高Q值谐振磁传感器的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
本发明所述频率转换输出的高Q值谐振磁传感器包括磁敏感单元5、振荡电路7和频率检测电路8；所述磁敏感单元包括高Q值谐振器和磁致伸缩单元4，所述高Q值谐振器复合在所述磁致伸缩单元4上。所述磁致伸缩单元4用于在待测磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述高Q值谐振器上，从而引起谐振器的谐振频率变化。所述高Q值谐振器在振荡电路作用下产生振荡输出信号，该信号的频率即为谐振器的谐振频率，频率检测电路用于检测该谐振频率，根据该谐振频率的变化即可换算出待测磁场的量。
所述高Q值谐振器为采用高Q值材料制备、且对外部作用力敏感的谐振器，包含但不限于以下几种：
1)采用压电石英制备的双端固定音叉，音叉的一个梁工作在弯曲振动模式；
2)采用压电石英制备的片状石英谐振器，工作在厚度剪切模式；
3)采用压电石英制备的三梁结构谐振音叉，音叉振动梁工作在弯曲振动模式；
4)采用Si、弹性钢等高Q值材料与压电材料复合制备的谐振结构，该谐振结构具有驱动单元和振动监测单元，可在振荡电路作用下产生振荡输出；
例如采用硅、弹性钢等低损耗材料制备的三梁结构谐振音叉，可将压电驱动单元和压电检测单元分别复合在所述三梁结构谐振音叉的中间梁的两端，压电驱动单元和压电检测单元分别通过其电极与锁相振荡电路的输入端和输出端连接；锁相振荡电路用于激励和维持三梁结构谐振音叉在优化振动模态下振荡，并输出代表三梁音叉谐振频率的电信号；三梁结构谐振音叉的优化振动模态是指中间梁振动方向与两个侧梁振动方向相反时的振动模态。
实施例1
结合图1，在该实施例中，磁敏感单元5中的高Q值谐振器为三梁谐振器，所示磁敏感单元5包括三梁谐振结构1-1、压电驱动单元2-1、压电检测单元2-2、谐振器固定座3和磁致伸缩单元4。
所示三梁谐振结构1-1实质上是一种音叉，是一体化的片状结构，可由Si、弹性钢等低损耗的弹性材料制作而成。三梁谐振结构1具有三个双端固定的振动梁，如图1中的中间梁1-10以及两个侧梁1-20，中间梁1-10的宽度近似为侧梁1-20宽度的两倍。在优化振动模态下，中间梁1-10的振动方向与两个侧梁1-20的振动方向相反，从而中间梁1-10和两个侧梁1-20的弯矩和剪切力抵消，极大的降低了此三个双端固定的振动梁在固定端的耦合振荡损耗，能够提高谐振器的品质因数。压电驱动单元2-1和压电检测单元2-2复合在三梁谐振结构中间梁1-10的两端，其上下表面均具有电极，即上电极和下电极，其中下电极是与中间梁1-10接触的电极。压电驱动单元2-1和压电检测单元2-2均为压电材料薄膜，
将三梁谐振结构1-1通过谐振器固定座3符合在磁致伸缩单元4上，可以获得具有磁-频率转换特征的磁敏感单元5。谐振器固定座3复合在磁致伸缩单元4上表面的两端，三梁谐振结构1-1固定在谐振器固定座3的上部，该复合结构方式下，三梁谐振结构1-1中间的三个振动梁悬空，可自由振动。在待测磁场作用下，磁致伸缩单元4由于磁致伸缩效应产生磁致伸缩应力，该应力经过谐振器固定座3传递到三梁谐振结构1的两端，从而三梁谐振结构1-1两端受力，导致三梁谐振结构1-1的谐振频率发生变化。
实施例2
结合图2，在该实施例中，磁敏感单元5中的高Q值谐振器为单梁谐振器，所示磁敏感单元5包括单梁谐振结构1-2、压电驱动单元2-1、压电检测单元2-2和磁致伸缩单元4。单梁谐振结构1-2只有一个振动梁，压电驱动单元2-1和压电检测单元2-2复合在梁的两端，其上下表面均具有电极，其中下电极是与梁接触的电极。该实施方式中，磁致伸缩单元4为中空结构，单梁谐振结构1-2振动梁的两端直接复合在中空结构的磁致伸缩单元4上，振动梁所在位置与中空结构对应，形成振动梁两端固定、中部悬空的格局。当在待测磁场作用下，磁致伸缩单元4产生纵向的磁致伸缩应力，该应力通过振动梁的两个固定端传递到振动梁上，导致振动梁的谐振频率发生变化。
实施例3
结合图3，在该实施例中，磁敏感单元5中的高Q值谐振器为石英谐振器，所示磁敏感单元5包括石英谐振结构1-3、磁致伸缩单元4。所述石英谐振结构1-3为一个矩形的石英晶体薄片，在其上下表面中间位置对称地镀有电极6(下表面电极没有显示)。当给上下表面的电极6施加电压激励时，石英晶体发生谐振，且由于能限理论，石英晶体的振动被限制在电极范围内，具有高Q值。举例说，石英晶体采用AT切型，那么上下表面的电极6在电压激励下，石英晶片发生厚度切变振动，该振动模式下的谐振频率对纵向的磁致伸缩应力敏感。该实施例中，磁致伸缩单元4两端具有凸台，凸台充当了图1中谐振器固定座3的作用。石英晶体薄片两端直接复合在磁致伸缩单元4两端的凸台上，即可构成具有磁-频率转换特征的磁敏感单元5。
图4是本发明中传感器频率转换测量的实施方式示意图，包含锁相振荡电路7和频率检测电路8。锁相振荡电路用于激励和维持高Q值谐振器在优化振动模态下振荡，并输出高Q值谐振器的谐振频率信号。对于图1和图2所示实施例中具有压电驱动单元2-1和压电检测单元2-2的谐振结构来说，采用双端口的振荡电路。即锁相振荡电路7具有激励信号第一输出端7-1和第二输出端7-2，同时具有检测信号第一输入端7-3和第二输入端7-4。激励信号第一输出端7-1和第二输出端7-2分别连接到压电驱动单元2-1的上下电极，检测信号第一输入端7-3和第二输入端7-4分别连接到压电检测单元2-2的上下电极，同时第二输出端7-2和第二输入端7-4共地连接。锁相振荡电路7的振荡输出信号代表了谐振结构的谐振频率，该输出信号连接到频率检测单元8，由频率检测单元8检测出该谐振频率。通过谐振频率的变化可以获得待测磁场频率的变化，进一步可获得磁场的量值，完成磁场测量。频率检测单元8可采用频率计数方法检测，采用常规电路即可实现。
图3所示谐振结构1的谐振器，不必采用双端口的振荡电路。只需要采用传统的晶振振荡电路即可，例如门振荡电路、米勒振荡电路、皮尔斯振荡电路等。
Claims (5)
1.一种频率转换输出的高Q值谐振磁传感器，其特征在于，包括磁敏感单元(5)、振荡电路(7)和频率检测电路(8)；所述磁敏感单元包括磁致伸缩单元(4)以及复合在磁致伸缩单元(4)上的高Q值谐振器；所述磁致伸缩单元(4)将因磁场作用而产生的磁致伸缩应力加载给所述高Q值谐振器；所述振荡电路(7)激励所述高Q值谐振器振荡，并输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的电信号；所述频率检测电路(8)检测出所述谐振频率。
2.如权利1所述谐振磁传感器，其特征在于，所述高Q值谐振器为三梁谐振结构(1-1)，其具有三个双端固定的振动梁；所述三梁谐振结构(1-1)通过其两端设置的谐振器固定座(3)复合在所述磁致伸缩单元(4)上；在所述三梁谐振结构(1-1)的中间梁的两端分别复合有压电驱动单元(2-1)和压电检测单元(2-2)；压电驱动单元(2-1)和压电检测单元(2-2)分别通过其电极与所述振荡电路(7)的输入端和输出端连接。
3.如权利1所述谐振磁传感器，其特征在于，所述高Q值谐振器为单梁谐振结构(1-2)；所述单梁谐振结构(1-2)复合在所述磁致伸缩单元(4)上，磁致伸缩单元(4)上设置有与振动梁相对应的开口；在振动梁的两端分别复合有压电驱动单元(2-1)和压电检测单元(2-2)；压电驱动单元(2-1)和压电检测单元(2-2)分别通过其电极与所述振荡电路(7)的输入端和输出端连接。
4.如权利2或者3所述谐振磁传感器，其特征在于，所述振荡电路(7)为锁相振荡电路。
5.如权利1所述谐振磁传感器，其特征在于，所述高Q值谐振器为石英谐振结构(1-3)，所述石英谐振结构(1-3)为矩形的石英晶体薄片，在其上下表面中间位置对称镀有电极(6)；所述上下表面的电极分别与所述振荡电路(7)的输入端和输出端连接。
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