CN110286338B - 一种适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，包括绝缘基底和设于绝缘基底上的谐振部件，所述谐振部件为方框结构且两端通过锚点支撑固定在绝缘基底上，所述谐振部件的中部设有双端固支梁，所述双端固支梁的表面设有压电部件，所述双端固支梁的每一侧均设有两个间隙布置的悬臂梁，每一个悬臂梁的下表面设有一个软磁薄膜。本发明针对现有三轴磁传感器方案1/f噪声较大的问题，采用压电驱动、一体化设计的方式实现三轴磁传感器被测磁场的调制，具有高调制效率、高一致性、高一体化程度及实现简单的优点。

Description

一种适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构
技术领域
本发明涉及微弱磁信号探测技术领域，具体涉及一种适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构。
背景技术
三轴磁传感器在汽车电子、工业自动控制、存储、地质勘探、生物医学、航空航天等各个领域具有广泛的应用前景及巨大的市场需求，小型化、高精度、低功耗、高稳定性等越来越成为磁传感器的发展趋势。巨磁阻（Giant Magnetoresistance, GMR）传感器及隧道结磁电阻（Tunneling Magnetoresistance，TMR）传感器，具有体积小、灵敏度高、稳定性高、线性范围宽等优势，具有发展成为小型化高性能三轴磁传感器的巨大潜力。
随着GMR及TMR磁敏感元件的迅速发展，磁场测量的灵敏度不断提高，1/f噪声逐渐成为限制敏感元件性能提升的主要因素。众多应用领域中，被测磁场大多属于低频段，比如地磁导航的缓变磁场、磁异目标的磁场、地质勘探中的异常磁场等，抑制1/f噪声从而提升磁传感器的磁场分辨力，对推动高性能磁传感器的应用具有重要意义。
磁通调制技术是抑制1/f噪声的有效手段，其主要思路是将被测外磁场调制到高频区域，从而避免了1/f噪声的影响。目前报导的磁通调制结构大多以单轴为主，很少存在针对三轴磁传感器的三轴一体化调制结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，本发明针对现有三轴磁传感器方案1/f噪声较大的问题，采用压电驱动、一体化设计的方式实现三轴磁传感器被测磁场的调制，具有高调制效率、高一致性、高一体化程度及实现简单的优点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，包括绝缘基底和设于绝缘基底上的谐振部件，所述谐振部件为方框结构且两端通过锚点支撑固定在绝缘基底上，所述谐振部件的中部设有双端固支梁，所述双端固支梁的表面设有压电部件，所述双端固支梁的每一侧均设有两个间隙布置的悬臂梁，每一个悬臂梁的下表面设有一个软磁薄膜。
可选地，所述绝缘基底为采样氧化铝陶瓷制成。
可选地，所述谐振部件的方框结构两侧下部各设有一对间隙布置的锚点，且所述双端固支梁的端部均位于两个锚点之间。
可选地，所述谐振部件为单晶硅材料通过腐蚀和/或刻蚀工艺制成。
可选地，所述压电部件采用锆钛酸铅压电陶瓷制成。
可选地，所述软磁薄膜为在悬臂梁的下表面采用电镀或溅射形成的高导磁性膜。
可选地，所述压电部件通过键合方式固定于谐振部件的双端固支梁上。
可选地，所述压电部件的电极组件包括激励底电极、顶电极以及两个反馈电极，所述激励底电极设于双端固支梁上表面，所述顶电极以及两个反馈电极均设于压电部件上表面，且所述顶电极设于压电部件上表面中部，所述顶电极的每一端均设有一个与顶电极间距布置的反馈电极。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、本发明包括绝缘基底和设于绝缘基底上的谐振部件，谐振部件为方框结构且两端通过锚点支撑固定在绝缘基底上，谐振部件的中部设有双端固支梁，双端固支梁的表面设有压电部件，双端固支梁的每一侧均设有两个间隙布置的悬臂梁，每一个悬臂梁的下表面设有一个软磁薄膜，本发明针对一体式三轴磁传感器1/f噪声较大的问题，采用压电驱动、一体化设计的方式实现三轴磁传感器被测磁场的调制，具有调制效率、一致性、一体化程度高的优点。
2、本发明的结构可采用MEMS工艺制备，具有体积小，实现简单的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的主视结构图。
图2为本发明实施例中绝缘基底和谐振部件部分的主视结构图。
图3为本发明实施例的剖视结构图。
图4为一体式三轴磁场传感器的主视结构示意图。
图5为一体式三轴磁场传感器的剖视结构示意图。
图6为本发明实施例集成一体式三轴磁场传感器的主视结构示意图。
图7为本发明实施例集成一体式三轴磁场传感器的剖视结构示意图。
图例说明：1、绝缘基底；2、谐振部件；21、锚点；22、双端固支梁；23、悬臂梁；3、压电部件；31、激励底电极；32、顶电极；33、反馈电极；4、软磁薄膜；5、磁场测量单元；6、磁变轨单元。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，包括绝缘基底1和设于绝缘基底1上的谐振部件2，谐振部件2为方框结构且两端通过锚点21支撑固定在绝缘基底1上，谐振部件2的中部设有双端固支梁22，双端固支梁22的表面设有压电部件3，双端固支梁22的每一侧均设有两个间隙布置的悬臂梁23，每一个悬臂梁23的下表面设有一个软磁薄膜4。
本实施例中，绝缘基底1为采样氧化铝陶瓷制成。
如图1、图2和图3所示，谐振部件2的方框结构两侧下部各设有一对间隙布置的锚点21，且双端固支梁22的端部均位于两个锚点21之间。
本实施例中，谐振部件2为单晶硅材料通过腐蚀和/或刻蚀工艺制成。
本实施例中，压电部件3采用锆钛酸铅压电陶瓷制成，具体为具有较高压电系数和机械品质因数的PZT8系列锆钛酸铅压电陶瓷。
本实施例中，软磁薄膜4为在悬臂梁23的下表面采用电镀或溅射形成的高导磁性膜。
本实施例中，压电部件3通过键合方式固定于谐振部件2的双端固支梁22上。
如图1、图2和图3所示，压电部件3的电极组件包括激励底电极31（GND）、顶电极32（Vd1、Vd2）以及两个反馈电极33（Vo1、Vo2），激励底电极31设于双端固支梁22上表面，顶电极32以及两个反馈电极33均设于压电部件3上表面，且顶电极32设于压电部件3上表面中部，顶电极32的每一端均设有一个与顶电极32间距布置的反馈电极33。通过将激励底电极31接地，激励顶电极32接频率为磁场调制结构一阶谐振频率的交流信号，可实现磁场调制结构的弯曲振动。两个反馈电极33则作为反馈输出端，经过电荷放大变为电压信号作为谐振的反馈信号，用于磁场调制结构振动的稳定性控制。
本实施例适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构实际上是为一体式三轴磁传感器的调制组件部分。如图4和图5所示，本实施例适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构所适用的一体式三轴磁传感器包括四个磁测量单元5、磁变轨单元6及与本实施例适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构共用的绝缘基底1，四个磁测量单元5呈中心对称布置于绝缘基底1的表面，磁变轨单元6上半部分为长方体形状，下半部分为四个条状长方体，磁变轨单元6通过下半部分的四个条状长方体跨于磁测量单元5的上方。采用磁变轨单元6和四个磁测量单元5可实现磁场三分量的测量，具体原理可参见公开号为CN107894576A的中国专利文献。
如图6和图7所示，包含本实施例的一种适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构的一体式三轴磁传感器，包括绝缘基底1、四个磁测量单元5、磁变轨单元6、谐振部件2、压电部件3和四个软磁薄膜4。四个磁测量单元5呈中心对称布置于绝缘基底1的表面，谐振部件2键合于绝缘基底1的表面，且双端固支梁22上设有的四个悬臂梁23分别位于四个磁测量单元5的正上方。四个软磁薄膜4在四个悬臂梁23的下表面，并分别悬置于四个测量单元5的正上方，压电部件3键合于谐振部件2的双端固支梁22上，磁变轨单元6通过下半部分的四个条形长方体结构跨于磁测量单元5的上方。四个软磁薄膜4、谐振部件2和压电部件3共同构成了适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，其具体原理如下：
在磁场调制结构不工作的情况下，假设四个磁测量单元5测得的磁场为直流磁场。当给压电部件3施加频率为调制结构的模态频率的激励信号时，谐振部件2发生谐振，带动悬臂梁23上的四个软磁薄膜4在四个磁测量单元5上方上下振动。当软磁薄膜4距离磁测量单元5较近时，磁测量单元5处的磁场因软磁薄膜4的导磁作用增大而减小；当软磁薄膜4距离磁测量单元5较远时，磁测量单元5处的磁场因软磁薄膜4的导磁作用减小而增大。因此，四个软磁薄膜4的上下振动导致四个磁测量单元5处的磁场由直流变化到交流，实现了磁场信号的调制。三分量磁场的解耦可以参考专利CN107894576A，在此不再复述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，其特征在于：包括绝缘基底（1）和设于绝缘基底（1）上的谐振部件（2），所述谐振部件（2）为方框结构且两端通过锚点（21）支撑固定在绝缘基底（1）上，所述谐振部件（2）的中部设有双端固支梁（22），所述双端固支梁（22）的表面设有压电部件（3），所述双端固支梁（22）的每一侧均设有两个间隙布置的悬臂梁（23），每一个悬臂梁（23）的下表面设有一个软磁薄膜（4），所述压电部件（3）的电极组件包括激励底电极（31）、顶电极（32）以及两个反馈电极（33），所述激励底电极（31）设于双端固支梁（22）上表面，所述顶电极（32）以及两个反馈电极（33）均设于压电部件（3）上表面，且所述顶电极（32）设于压电部件（3）上表面中部，所述顶电极（32）的每一端均设有一个与顶电极（32）间距布置的反馈电极（33）。
2.根据权利要求1所述的适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，其特征在于：所述绝缘基底（1）为采样氧化铝陶瓷制成。
3.根据权利要求1所述的适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，其特征在于：所述谐振部件（2）的方框结构两侧下部各设有一对间隙布置的锚点（21），且所述双端固支梁（22）的端部均位于两个锚点（21）之间。
4.根据权利要求1所述的适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，其特征在于：所述谐振部件（2）为单晶硅材料通过腐蚀和/或刻蚀工艺制成。
5.根据权利要求1所述的适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，其特征在于：所述压电部件（3）采用锆钛酸铅压电陶瓷制成。
6.根据权利要求1所述的适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，其特征在于：所述软磁薄膜（4）为在悬臂梁（23）的下表面采用电镀或溅射形成的高导磁性膜。
7.根据权利要求1所述的适用于一体式三轴磁传感器的磁场调制结构，其特征在于：所述压电部件（3）通过键合方式固定于谐振部件（2）的双端固支梁（22）上。
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