CN110118947A - 一种磁传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁传感装置，包括谐振模块、伸缩模块和测频模块；谐振模块与伸缩模块通过耦合的方式连接，测频模块通过电极与谐振模块相连；谐振模块包括一个单独的谐振器，通过接收测频模块的电压信号产生谐振振动；伸缩模块采用磁致伸缩材料，通过接受外部磁场的变化，将磁致伸缩效应产生的应力和弹性模量的变化反馈给谐振模块；测频模块用于驱动谐振模块的谐振振动，并通过测量谐振模块工作状态的变化，获取外部磁场信号。本发明提供了一种单梁谐振器的磁传感装置，将磁场变化转换为谐振器频率变化，实现低成本、高灵敏度的磁场测量。

Description

一种磁传感装置
技术领域
本发明属于传感器领域，更具体地，涉及一种磁传感装置。
背景技术
磁传感器的应用十分广泛，已在工业、国防、科技、医疗等领域都发挥着重要作用，是现代传感器产业的一个主要分支。尤其是矢量磁传感器，如霍尔传感器、各向异性磁阻传感器、巨磁阻传感器、隧道磁电阻传感器、巨磁阻抗传感器和磁电传感器等微小型传感器，因其价格低廉、体积小、功耗低等特点，在低成本的电流测量、位置检测、速度检测、硬盘磁头、无损检测等方面应用更是广泛。但是上述低成本磁传感器都还存在低频1/f噪声比较大的问题，在对准直流磁场的测量时难以实现更高精度测量，如地磁探测、磁异常探测与定位等应用。
谐振式传感器采用某种谐振器的固有振动频率随被测对象的变化而变化的原理进行测量。采用谐振式原理的传感器，如谐振式压力传感器、应力/应变传感器、加速度传感器、温度传感器、气体传感器等，具有数字化输出、量化误差小、线性度高、精度高的特点，常用于高精度测量领域。
磁电型磁传感器也有用到磁致伸缩材料与压电材料的耦合，但是其原理是将磁致伸缩材料因被测磁场变化而产生的应变传递到压电材料上，从而在压电材料上引起输出电压变化，与谐振式原理还有较大区别。磁电型磁传感器检测输出的是压电材料的输出电压信号，而不是其振动频率信号。近些年，也有少量研究人员设计了几种采用MEMS技术加工的谐振式磁传感器，但其大多采用线圈电流在磁场中受到的洛伦兹力来改变谐振器的固有频率的方法，灵敏度低、功耗大、结构可靠性也低。总而言之，需要一种更好的方式来实现谐振式磁场测量。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种磁传感装置，旨在解决现有的谐振式传感器测量磁场存在的成本高、精度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种磁传感装置，包括谐振模块、伸缩模块和测频模块；
谐振模块与伸缩模块通过耦合的方式连接，测频模块通过电极与谐振模块相连；
谐振模块包括一个单独的谐振器，通过接收测频模块的电压驱动信号产生谐振振动，并且在伸缩模块应力和弹性模量的变化的反馈下工作状态发生改变；伸缩模块采用磁致伸缩材料，通过接受外部磁场的变化，将磁致伸缩效应产生的应力和弹性模量的变化反馈给谐振模块；测频模块用于驱动谐振模块的谐振振动，并通过测量谐振模块工作状态的变化，获取外部磁场信号。
优选地，谐振模块与伸缩模块耦合的方式可以为镀膜、涂覆、粘贴、焊接或者化学合成等方法，但不局限于这几种方式。
优选地，测频模块与伸缩模块相连的方式包括引线或者倒装锡球封装。
优选地，外部磁场的变化包括磁场幅度的变化和磁场频率的变化。
优选地，测频模块用于驱动谐振模块的谐振振动的方式可以采用压电激励、电场激励、电磁激励、热激励、激光激励等，但不局限于这几种方式。
优选地，谐振模块的工作状态包括谐振器的谐振频率。
优选地，测频模块测量谐振模块工作状态的变化采用的方式包括扫频模式和谐振模式。扫频模式为测频模块跟踪和测量谐振模块的谐振振幅最高状态的变化，用过测量谐振模块谐振频率的变化，获取外部待测磁场信号的幅度大小和频率；谐振模式为测频模块和谐振模块形成振荡电路，通过跟踪和测量谐振模块在振荡电路下的振荡频率变化，获取外部待测磁场信号的幅度大小和频率。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下
有益效果：
1、本发明提供的磁传感装置采用一个单独的谐振器的谐振模块，谐振器的横截面积较小，在同样的外界磁场强度以及同样的磁力线分布的情况下，较小的横截面积会带来更高的灵敏度；
2、本发明通过采用机械振动的谐振增强效应，使器件一直工作在响应谐振放大的状态，实现了从直流DC磁场到低频AC磁场的高灵敏度检测的目的，且器件工作频率较高，解决了传统磁传感器面临的1/f噪声以及系统本身的低频本征噪声导致输出信号信噪比低的问题；
3、本发明有效地将磁致伸缩材料因接收外部磁场信号导致的应力以及弹性模量的变化转化为谐振器的振动频率的变化，可实现直接数字化信号输出，避免了A/D转换引入的误差，提高了处理精度和噪声免疫；
4、本发明采用的谐振器的主要工作部分是压电绝缘材料，相当于是一个电容器件，所以还具有低功耗、小型化、制备工艺简单的优点。
附图说明
图1是本发明提供的一种磁传感装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的磁传感装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的磁传感装置的工作状态示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种磁传感装置，包括谐振模块101、伸缩模块102和测频模块103；
谐振模块101与伸缩模块102通过耦合的方式连接，测频模块103通过电极与谐振模块相连；
谐振模块101包括一个单独的谐振器，通过接收测频模块103的电压信号产生谐振振动，并且在伸缩模块102应力和弹性模量的变化的反馈下工作状态发生改变；伸缩模块102采用铁钴硅硼磁性层材料，通过接受外部磁场的变化，将磁致伸缩效应产生的应力和弹性模量的变化反馈给谐振模块101；测频模块103用于驱动谐振模块101的谐振振动，并通过测量谐振模块101工作状态的变化，获取外部磁场信号。
具体地，谐振模块101与伸缩模块102耦合的方式可以为镀膜、涂覆、粘贴、焊接或者化学合成等方法，但不局限于这几种方式。
具体地，测频模块103与伸缩模块101相连的方式包括引线或者倒装锡球封装。
具体地，外部磁场的变化包括磁场幅度的变化和磁场频率的变化。
具体地，测频模块103用于驱动谐振模块101的谐振振动的方式可以采用压电激励、电场激励、电磁激励、热激励、激光激励等，但不局限于这几种方式。
具体地，谐振模块101的工作状态包括谐振器的谐振频率。
具体地，测频模块103测量谐振模块工作状态的变化采用的方式包括扫频模式和谐振模式。扫频模式为测频模块103跟踪和测量谐振模块101的谐振振幅最高状态的变化，用过测量谐振模块101谐振频率的变化，获取外部待测磁场信号的幅度大小和频率；谐振模式为测频模块103和谐振模块101形成振荡电路，通过跟踪和测量谐振模块101在振荡电路下的振荡频率变化，获取外部待测磁场信号的幅度大小和频率。
如图2所示为本发明实施例提供的一种磁传感装置，伸缩模块102与单晶石英片制备的谐振梁耦合在一起，并通过共晶焊工艺或胶粘工艺固定于哑铃形的基座104上方，且谐振梁与基座之间要有必要的间隙，以保证谐振梁的自由振动。谐振梁上方设置压电激励的正电极112和负电极113。通常采用金丝球焊工艺或其它引线工艺在谐振器上制备引线，本实施例谐振模块101与测频模块103通过引线105连接。
测频模块103产生一个交流激励电压，通过引线105作用在电极112和113上。谐振模块101将在电场的作用下发生箭头方向的振动，如图3所示。伸缩模块102因磁致伸缩效应产生的应力，将传递到谐振器上，在谐振器上产生拉应力或压应力，从而能够改变谐振器的谐振频率；伸缩模块102在外部磁场作用下，还会发生弹性模量的变化，由于伸缩模块102是与谐振器耦合在一起振动的，所以弹性模量的变化可以改变谐振模块101的谐振频率。测频模块103可跟踪和测量其振幅最高的状态，即测量其谐振频率；通过测量谐振器的谐振频率变化，即可测得外部被测磁场的大小。
综上所述，本发明基于谐振式的磁场传感装置可以实现从直流DC磁场到低频AC磁场的连续性、高分辨率检测；通过机械谐振增强效应以及工作在较高的频率，能够显著的抑制现有磁传感器的低频1/f噪声，同时相比较于其他的谐振器结构，单梁谐振器由于其横截面积小的优势能够实现磁场的高灵敏度检测。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁传感装置，其特征在于，包括谐振模块(101)、伸缩模块(102)和测频模块(103)；
所述谐振模块(101)与所述伸缩模块(102)通过耦合的方式连接，所述测频模块(103)通过电极与所述谐振模块(101)相连；
所述谐振模块(101)包括一个单独的谐振器，通过接收所述测频模块(103)的电压驱动信号产生谐振振动；所述伸缩模块(102)采用磁致伸缩材料，通过接受外部磁场的变化，将磁致伸缩效应产生的应力和弹性模量的变化反馈给所述谐振模块(101)；所述测频模块(103)用于驱动所述谐振模块(101)的谐振振动，并通过测量所述谐振模块(101)工作状态的变化，获取外部磁场信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述谐振器为单梁结构，在所述伸缩模块应力和弹性模量的变化的反馈下工作状态发生改变。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述谐振模块(101)与所述伸缩模块(102)耦合的方式包括镀膜、涂覆、粘贴、焊接或者化学合成。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测频模块(103)通过电极与所述谐振模块(101)相连的方式包括：引线或者倒装锡球封装。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外部磁场的变化包括磁场幅度的变化和磁场频率的变化。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测频模块(103)用于驱动所述谐振模块(101)的谐振振动的方式包括压电激励、电场激励、电磁激励、热激励、激光激励。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述谐振模块(101)的工作状态包括：谐振器的谐振频率。
8.根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于，所述测频模块(103)测量所述谐振模块(101)工作状态的变化，采用的方式包括：扫频模式和谐振模式。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述扫频模式为所述测频模块(103)跟踪和测量所述谐振模块(101)的谐振振幅最高状态的变化，用于测量所述谐振模块(101)谐振频率的变化，获取外部待测磁场信号的幅度大小和频率。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述谐振模式为所述测频模块(103)和所述谐振模块(101)形成振荡电路，通过跟踪和测量所述谐振模块(101)在振荡电路下的振荡频率变化，获取外部待测磁场信号的幅度大小和频率。
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