CN108039404A - 一种悬臂梁式磁传感器、其制备方法与使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种悬臂梁式磁传感器，包括底座与悬臂梁，悬臂梁的一端固定在底座上，另一端为自由端，并且悬臂梁上设置磁体；工作状态时，悬臂梁在振源作用下发生振动，当外界磁场作用于磁体，磁体产生磁扭矩使该振动的频率与振幅发生变化，通过检测该振动的频率与振幅实现该磁场的探测。该磁传感器结构简单，能够实现高灵敏度的磁场探测。

Description

一种悬臂梁式磁传感器、其制备方法与使用方法

技术领域

本发明涉及磁场探测技术，具体涉及一种悬臂梁式磁传感器、其制备方法与使用方法。

背景技术

磁传感器是传感器中的一个重要组成部分，是把磁学信号变换成为电信号等其他所需形式的信息输出的传感器。经过近一个世纪的发展，磁传感器在人类社会生活的各个方面发挥着越来越来重要的作用，每年全世界有数以十亿计的磁传感器投入使用。伴随着磁传感器的日臻完善，各行各业对其提出了越来越高的要求，尤其是要求其探测精度越来越高，同时要求其使用量程越来越宽，进一步拓宽应用领域，以满足实际应用的需求。因此，具有高的探测精度同时具有宽的使用量程是磁传感器新的发展方向之一，也越来越受到了研究学者的广泛关注。

目前，较为常见的磁传感器主要有以下几类：霍尔(Hall)传感器、磁通门和电流感应磁传感器、磁电阻型传感器等。从目前的研究现状来看，室温下磁传感器的探测精度与量程通常是顾此失彼。因此，制备即满足高的探测精度又能实现宽的探测量程的磁场传感器仍然是一大挑战，寻求新型的磁传感器是目前努力的方向之一。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种磁传感器，具有悬臂梁结构，称为悬臂梁式磁传感器，包括底座与悬臂梁，悬臂梁的一端固定在底座上，另一端为自由端；其中，悬臂梁上设置磁体；

工作状态时，悬臂梁在振源作用下发生振动，当外界磁场作用于磁体，磁体产生磁扭矩，从而影响该振动的频率与振幅发生变化，通过检测该振动的频率与振幅实现该外界磁场的探测。

所述磁体为磁性材料，作为优选，采用矫顽力大的永磁材料薄膜；作为进一步优选，所述磁体采用磁致伸缩材料。

所述振源不限，包括压电晶振片等。

所述振源用于使悬臂梁发生振动，其安装位置不限，可以将所述悬臂梁结构，包括底座与悬臂梁，安装在振源上，当振源振动，使底座与悬臂梁发生共振；也可以将底座固定，振源安装在悬臂梁上，当振源振动带动悬臂梁发生共振。

所述磁体形态不限，作为优选，所述磁体是设置在悬臂梁上的磁性薄膜，其厚度优选为100纳米～1000纳米。

所述磁体在悬臂梁上的位置不限，作为优选，所述磁体设置在靠近悬臂梁自由端的位置，最优选为设置在悬臂梁自由端的端部。

所述悬臂梁的材料不限，包括半导体材料以及金刚石等，半导体材料不限，例如n型硅、p型硅、碳化硅等；作为优选，所述悬臂梁采用金刚石材料。

所述悬臂梁尺寸不限。

所述底座的材料不限，包括半导体材料以及金刚石等，半导体材料不限，例如n型硅、p型硅、碳化硅等；作为优选，所述底座采用金刚石材料。

所述底座的材料用于固定支撑悬臂梁，其尺寸不限。

为了提高探测灵敏度，所述悬臂梁优选为微纳米尺寸，作为进一步优选，其长度为1微米～500微米，宽度为1微米～100微米，厚度为1微米～50微米。进一步优选，所述底座为微纳米尺寸，作为更优选，所述底座的长度为50微米～5000微米，宽度为10微米～1000微米，厚度为5微米～500微米。在这种微悬臂梁结构中，作为一种变形结构，所述悬臂梁的自由端固定连接另一底座，在此结构中，作为一种实现形式，所述悬臂梁呈U型结构。

本发明还提供了一种制备上述悬臂梁式磁传感器的方法，包括如下步骤：

采用磁控溅射在悬臂梁上沉积磁体材料，或者将磁体材料制成可涂敷材料涂敷在悬臂梁上。

所述的悬臂梁结构的制备方法不限，包括光刻技术与刻蚀技术相结合，首先在衬底表面光刻悬臂梁以及底座的图案，然后刻蚀出去该图案以外的衬底部分。

本发明的悬臂梁式磁传感器的使用方法包括如下步骤：

(1)对该磁传感器中的磁体施加磁场大小固定的外加磁场，测试该磁传感器中悬臂梁的振动频率和/或振幅，改变外加磁场的大小，得到一系列在某一固定外加磁场下的悬臂梁上的参考振动频率和/或参考振幅；

(2)保持与步骤(1)中的测试条件相同，测试该磁传感器中悬臂梁的实际振动频率和/或实际振幅，将该实际振动频率和/或实际振幅与步骤(1)中得到的参考振动频率和/或参考振幅进行比对，与之相同的参考振动频率或参考振幅所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。

综上所述，本发明采用悬臂梁结构构成一种新型的磁传感器，通过悬臂梁结构设计，在悬臂梁上设置磁体，工作状态时外界磁场作用于该磁体，磁体产生磁扭矩，影响该振动的频率和/或振幅发生变化，通过检测该振动的频率与振幅实现该外界磁场的探测。另外，该磁传感器结合了悬臂梁的信号放大作用，实现了高灵敏度的磁场探测，尤其是当采用微尺寸的悬臂梁以及大矫顽力的磁性材料时，能够制得高灵敏度的磁场探测，在磁传感器技术领域中具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中微悬臂梁式磁传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例2中微悬臂梁式磁传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例3中微悬臂梁式磁传感器的结构示意图。

具体实施方案

下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。

图1中的附图标记为：底座1、悬臂梁2、磁体3。

实施例1：

本实施例中，悬臂梁式磁传感器的结构如图1所示，包括底座1与悬臂梁2，悬臂梁2的一端固定在底座1上，另一端为自由端，并且在悬臂梁自由端的端部设置磁体3。

底座呈长方体结构，由层叠的薄膜材料组成，自下而上依次为硅层、二氧化硅层、铝镓氮层与氮化镓层，底座的长度为500微米，宽度为500微米，厚度为1000微米。

悬臂梁呈长方体结构，由铝镓氮层与氮化镓层组成，悬臂梁的长度为250微米，宽度为40微米，厚度为4微米。

磁体为100纳米厚的镍薄膜。

上述悬臂梁式磁传感器的制备方法包括如下步骤：

(1)微悬臂梁以及底座的制备

采用层叠的薄膜材料为衬底，自下而上依次为硅层、二氧化硅层、铝镓氮层以及氮化镓层，在氮化镓层表面采用紫外光刻方法制备悬臂梁以及底座的图案；然后，采用刻蚀方法去除该图案以外的光刻胶、氮化镓以及铝镓氮，使位于该图案下方的二氧化硅层被裸露出，接着，用碘酒清洗除去位于图案表面的光刻胶，得到处理后的衬底；再将处理后的衬底放入体积百分比浓度为10％的氢氟酸与90％的硝酸的混合溶液中刻蚀半小时，使悬臂梁图案下方的二氧化硅发生反应被腐蚀掉，悬臂梁一端以基座为支撑被固定，另一端悬浮。

(2)磁体的制备

在悬臂梁自由端的端部采用磁控溅射方法沉积100纳米～1000纳米厚的镍薄膜。

该悬臂梁式磁传感器的磁信号表征如下：

(1)将该磁传感器置于压电晶振片上，对压电晶振片施加电压使其振动，调节压电晶振片的频率使磁传感器中的基座与悬臂梁处于共振状态用，测试悬臂梁的振动频率与振幅；

(2)对该磁传感器中的磁体施加磁场大小固定的外界磁场，采用与步骤(1)相同的测试条件测试在该磁场作用下悬臂梁的参考振动频率和/或参考振幅，发现与步骤(1)中得到的振动频率相比，该参考振动频率发生变化；改变外界磁场的大小，得到一系列在固定外加磁场下的参考振动频率。

在实际应用中，测试该磁传感器中悬臂梁的实际振动频率，具体测试条件与步骤(1)中所述的测试条件相同；将该实际振动频率与步骤(2)中得到的参考振动频率相对比，与之相同的振动频率所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。

实施例2：

本实施例中，悬臂梁式磁传感器的结构如图2所示，包括两个底座1与悬臂梁2，悬臂梁2的一端固定在底座1上，另一端固定在另一个底座上，并且在悬臂梁上设置磁体3。

底座呈长方体结构，由层叠的薄膜材料组成，自下而上依次为硅层、二氧化硅层、铝镓氮层与氮化镓层，底座的长度为500微米，宽度为500微米，厚度为1000微米。

悬臂梁呈长方体结构，由铝镓氮层与氮化镓层组成，悬臂梁的长度为250微米，宽度为40微米，厚度为4微米。

磁体为100纳米厚的镍薄膜。

上述悬臂梁式磁传感器的制备方法包括如下步骤：

(1)微悬臂梁以及底座的制备

采用层叠的薄膜材料为衬底，自下而上依次为硅层、二氧化硅层、铝镓氮层以及氮化镓层，在氮化镓层表面采用紫外光刻方法制备悬臂梁以及底座的图案；然后，采用刻蚀方法去除该图案以外的光刻胶、氮化镓以及铝镓氮，使位于该图案下方的二氧化硅层被裸露出，接着，用碘酒清洗除去位于图案表面的光刻胶，得到处理后的衬底；再将处理后的衬底放入体积百分比浓度为10％的氢氟酸与90％的硝酸的混合溶液中刻蚀半小时，使悬臂梁图案下方的二氧化硅发生反应被腐蚀掉，悬臂梁两端以基座为支撑被固定，中间处于悬浮状态。

(2)磁体的制备

在悬臂梁上采用磁控溅射方法沉积100纳米～1000纳米厚的镍薄膜。

测试该磁传感器中悬臂梁在振源作用下发生振动的频率与振幅；然后，对悬臂梁上的磁体施加外加磁场，观察振动频率与振幅的变化，通过该振动频率与振幅的变化量获知所施加的磁场。

该悬臂梁式磁传感器的磁信号表征如下：

(1)将该磁传感器置于压电晶振片上，对压电晶振片施加电压使其振动，调节压电晶振片的频率使磁传感器中的基座与悬臂梁处于共振状态用，测试悬臂梁的振动频率与振幅；

(2)对该磁传感器中的磁体施加磁场大小固定的外界磁场，采用与步骤(1)相同的测试条件测试在该磁场作用下悬臂梁的参考振动频率和/或参考振幅，发现与步骤(1)中得到的振动频率相比，该参考振幅发生变化；改变外界磁场的大小，得到一系列在固定外加磁场下的参考振幅。

在实际应用中，测试该磁传感器中悬臂梁的实际振幅，具体测试条件与步骤(1)中所述的测试条件相同；将该实际振幅与步骤(2)中得到的参考振幅相对比，与之相同的振幅所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。

实施例3：

本实施例中，悬臂梁式磁传感器的结构如图3所示，包括两个底座1与悬臂梁2，悬臂梁2呈U型结构，悬臂梁2的一端固定在底座1上，另一端固定在另一个底座上，并且在悬臂梁上设置磁体3。

底座呈长方体结构，由层叠的薄膜材料组成，自下而上依次为硅层、二氧化硅层、铝镓氮层与氮化镓层，底座的长度为500微米，宽度为500微米，厚度为1000微米。

悬臂梁呈长方体结构，由铝镓氮层与氮化镓层组成，悬臂梁的长度为250微米，宽度为40微米，厚度为4微米。

磁体为100纳米厚的镍薄膜。

上述悬臂梁式磁传感器的制备方法包括如下步骤：

(1)微悬臂梁以及底座的制备

采用层叠的薄膜材料为衬底，自下而上依次为硅层、二氧化硅层、铝镓氮层以及氮化镓层，在氮化镓层表面采用紫外光刻方法制备悬臂梁以及底座的图案；然后，采用刻蚀方法去除该图案以外的光刻胶、氮化镓以及铝镓氮，使位于该图案下方的二氧化硅层被裸露出，接着，用碘酒清洗除去位于图案表面的光刻胶，得到处理后的衬底；再将处理后的衬底放入体积百分比浓度为10％的氢氟酸与90％的硝酸的混合溶液中刻蚀半小时，使悬臂梁图案下方的二氧化硅发生反应被腐蚀掉，悬臂梁两端以基座为支撑被固定，中间处于悬浮状态。

(2)磁体的制备

在悬臂梁上采用磁控溅射方法沉积100纳米～1000纳米厚的镍薄膜。

测试该磁传感器中悬臂梁在振源作用下发生振动的频率与振幅；然后，对悬臂梁上的磁体施加外加磁场，观察振动频率与振幅的变化，通过该振动频率与振幅的变化量获知所施加的磁场。

该悬臂梁式磁传感器的磁信号表征如下：

(1)将该磁传感器置于压电晶振片上，对压电晶振片施加电压使其振动，调节压电晶振片的频率使磁传感器中的基座与悬臂梁处于共振状态用，测试悬臂梁的振动频率与振幅；

(2)对该磁传感器中的磁体施加磁场大小固定的外界磁场，采用与步骤(1)相同的测试条件测试在该磁场作用下悬臂梁的参考振动频率和参考振幅，发现与步骤(1)中得到的振动频率和振幅相比，该参考振动频率和参考振幅发生变化；改变外界磁场的大小，得到一系列在固定外加磁场下的参考振动频率和参考振幅。

在实际应用中，测试该磁传感器中悬臂梁的实际振幅，具体测试条件与步骤(1)中所述的测试条件相同；将该实际振动频与振幅与步骤(2)中得到的参考振动频率和参考振幅相对比，与之相同的参考振动频率和参考振幅所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种悬臂梁式磁传感器，其特征是：包括底座与悬臂梁，悬臂梁的一端固定在底座上，另一端为自由端；并且，悬臂梁上设置磁体；

工作状态时，悬臂梁在振源作用下发生振动，当外界磁场作用于磁体，该振动的频率与振幅发生变化，通过检测该振动的频率与振幅实现磁场的探测。

2.如权利要求1所述的悬臂梁式磁传感器，其特征是：所述磁体采用矫顽力大的永磁材料薄膜；

作为优选，所述磁体采用磁致伸缩材料。

3.如权利要求1所述的悬臂梁式磁传感器，其特征是：所述振源是压电晶振片；

作为优选，所述悬臂梁是半导体材料或者金刚石。

4.如权利要求1所述的悬臂梁式磁传感器，其特征是：所述底座与悬臂梁安装在振源上；或者，将底座固定，振源安装在悬臂梁上；

作为优选，所述磁体是设置在悬臂梁上的磁性薄膜；

作为优选，所述磁性薄膜厚度为100纳米～1000纳米。

5.如权利要求1所述的悬臂梁式磁传感器，其特征是：所述磁体设置在靠近悬臂梁自由端的位置，优选为设置在悬臂梁自由端的端部。

6.如权利要求1所述的悬臂梁式磁传感器，其特征是：所述悬臂梁为微纳米尺寸；

作为优选，所述悬臂梁长度为1微米～500微米，宽度为1微米～100微米，厚度为1微米～50微米。

7.如权利要求6所述的悬臂梁式磁传感器，其特征是：所述底座为微纳米尺寸；

作为优选，所述底座的长度为50微米～5000微米，宽度为10微米～1000微米，厚度为5微米～500微米。

8.如权利要求1所述的悬臂梁式磁传感器，其特征是：所述悬臂梁的自由端固定连接另一底座；

作为优选，所述悬臂梁呈U型结构。

9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的悬臂梁式磁传感器的制备方法，其特征是：采用磁控溅射在悬臂梁上沉积磁体材料，或者将磁体材料制成可涂敷材料涂敷在悬臂梁上；

作为优选，所述的悬臂梁结构的制备方法为：首先在衬底表面光刻悬臂梁以及底座的图案，然后刻蚀出去该图案以外的衬底部分。

10.如权利要求1至8中任一权利要求所述的悬臂梁式磁传感器的使用方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)对该磁传感器中的磁体施加磁场大小固定的外加磁场，测试该磁传感器中悬臂梁的振动频率和/或振幅，改变外加磁场的大小，得到一系列在某一固定外加磁场下的悬臂梁上的参考振动频率和/或参考振幅；

(2)保持与步骤(1)中的测试条件相同，测试该磁传感器中悬臂梁的实际振动频率和/或实际振幅，将该实际振动频率和/或实际振幅与步骤(1)中得到的参考振动频率和/或参考振幅进行比对，与之相同的参考振动频率或参考振幅所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。