CN110673065A - 一种磁场检测传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种磁场检测传感器，包括：基板、悬臂梁、感应金属线、输出电路以及输入电路，其中，悬臂梁的固定端设置在基板上，悬臂梁的自由端在基板的凹槽上方悬空设置。悬臂梁上固定设有感应金属线，感应金属线在悬臂梁上形成U形回路。输入电路连接感应金属线的一端，以向感应金属线输入交变电流，在区域含有磁场时，使感应金属线受磁场力作用带动悬臂梁产生振动；感应金属线的另一端连接输出电路，以检测悬臂梁上感应金属线随振动产生的感生电动势，通过测量感生电动势的大小检测测量区域内的磁场。本申请提供的磁场检测传感器可高度集成、快速响应，可实现传感器微型化，可对局部放电和电弧放电产生的磁场进行检测。

Description

一种磁场检测传感器

技术领域

本申请涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种磁场检测传感器。

背景技术

电力系统中，局部放电的脉冲电流在导线及接地线传导中会产生磁场，为消除放电带来的安全隐患，需对其放电特性进行检测，其中，对放电产生的瞬态磁场进行检测，是放电特性检测的重要过程。

同时，开关电器在断开电流时，电器的触头间便会产生电弧放电，电弧放电也会影响电力系统的安全性能，因此也需要对电弧放电情况进行检测。由于电弧是导通电流的导体，在任何流通电流的导体周围都要产生磁场，电弧周围会产生磁场，因此可以通过检测电弧周围的磁场变化，检测电弧放电情况。

为了实现对局部放电和电弧放电情况进行检测，需要使用磁场检测传感器。磁场检测传感器可以在外界磁场下，辨别出磁场强度的强度和方向，并通过磁场强度和方向，间接检测电力传输情况，以实现对电流、速度、角度等变化量的非接触式测量。典型的磁场传感器包括化学材料式磁场传感器和机械结构式磁场传感器。其中，机械结构式磁场传感器利用电磁感应原理将磁场对电流的作用力转化为电压变化信号，因其结构简单、造价低廉被广泛应用在磁场检测中。

但是，由于机械结构式磁场检测传感器中需要感应线圈等感应部件，使得机械结构式磁场检测传感器，其体积大、分辨率低且功耗大不适于对局部放电和电弧放电产生的磁场进行检测。并且，受限于传感器中机械结构的内部应力和材料疲劳特性，现有的机械结构式磁场检测传感器在使用较长时间后，会出现检测响应偏差，影响检测结果，缩短传感器的使用寿命。

发明内容

本申请提供了一种磁场检测传感器，以解决传统机械结构式传感器体积大不适于对局部放电和电弧放电产生的磁场进行检测的问题。

本申请提供一种磁场检测传感器，包括：基板、悬臂梁、感应金属线、输出电路以及输入电路；

其中，所述基板的中部设有凹槽，所述悬臂梁的固定端设置在所述基板上，所述悬臂梁的自由端在所述基板的凹槽上方悬空设置；所述感应金属线固定在所述悬臂梁上，所述感应金属线沿所述悬臂梁的固定端延伸至自由端，后回转至固定端形成U形回路；

所述输入电路连接所述感应金属线的一端，以向所述感应金属线输入交变电流，在区域含有磁场时，使感应金属线受磁场力作用带动所述悬臂梁产生振动；所述感应金属线的另一端连接所述输出电路，以检测所述感应金属线随振动产生的感生电动势。

可选的，所述磁场检测传感器还包括多晶硅应力电阻；所述多晶硅应力电阻设置在所述悬臂梁靠近固定端的锚区位置，所述多晶硅应力电阻连接所述感应金属线和所述输出电路，以检测所述悬臂梁的振动形变量。

可选的，所述磁场检测传感器还包括限流电阻，所述限流电阻的一端连接所述感应金属线与所述多晶硅应力电阻之间，所述限流电阻的另一端接地。

可选的，所述磁场检测传感器还包括引导电阻；所述输入电路通过所述引导电阻连接所述感应金属线。

可选的，所述基板为硅基衬底的矩形块体，所述基板上通过硅腐蚀工艺形成硅腐蚀区和空区，所述凹槽设置在所述硅腐蚀区内。

可选的，所述悬臂梁为多种材料制成的多层悬臂梁结构。

可选的，所述悬臂梁为U形悬臂梁结构。

可选的，所述输出电路包括输出电阻；所述输出电阻的一端连接所述感应金属线，所述输出电阻的另一端接地；所述输出电阻的两端设有检测触点，以检测所述输出电阻两端的输出电压。

可选的，所述磁场检测传感器还包括信号处理电路；所述信号处理电路连接所述输出电阻的检测触点，以对输出电压进行提取和降噪处理。

可选的，输入所述感应金属线的交变电流为2mA～20mA的正弦电流。

由以上技术方案可知，本申请提供一种磁场检测传感器，包括：基板、悬臂梁、感应金属线、输出电路以及输入电路，其中，悬臂梁的固定端设置在基板上，悬臂梁的自由端在基板的凹槽上方悬空设置。悬臂梁上固定设有感应金属线，感应金属线在悬臂梁上形成U形回路。输入电路连接感应金属线的一端，以向感应金属线输入交变电流，在区域含有磁场时，使感应金属线受磁场力作用带动悬臂梁产生振动；感应金属线的另一端连接输出电路，以检测悬臂梁上感应金属线随振动产生的感生电动势，通过测量感生电动势的大小检测测量区域内的磁场。本申请提供的磁场检测传感器可高度集成、快速响应，可实现传感器微型化，可对局部放电和电弧放电产生的磁场进行检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种磁场检测传感器的结构示意图；

图2为本申请实施例衬底的结构示意图；

图3为本申请实施例多层悬臂梁结构示意图；

图4为本申请实施例信号处理电路的连接示意图；

图5为本申请信号处理电路内部结构示意图；

图6为本申请磁场检测传感器的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

本申请提供的磁场检测传感器，因其整体尺寸较小、测量精度较高、符合弱电环境，可应用于微机电系统。微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是指由尺寸在几毫米乃至更小的电子元件构成的机电系统。微机电系统集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体，以半导体制造技术为基础，融合光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作成型。

参见图1，为本申请一种磁场检测传感器的结构示意图。由图1可知，本申请提供的磁场检测传感器，包括以下部件：基板1、悬臂梁2、感应金属线3、输出电路4以及输入电路5。其中，基板1用于支撑其他部件；悬臂梁2用于在检测过程中，受磁场安培力作用产生振动，以驱动感应金属线3切割磁感线，产生感生电动势；感应金属线3用于通入有规律的交变电流，以产生安培力；输出电路4用于检测感生电动势，以确定磁场强度和方向；输入电路5用于向感应金属线3输入有规律的交变电流。

所述基板1可以为硅基衬底的矩形块体，基板1的中部设有凹槽，为了实现高度集成化，如图2所示，可以采用硅腐蚀工艺形成硅腐蚀区和空区。其中，空区是指未经过硅腐蚀工艺处理的区域，硅腐蚀区为在硅基衬底上腐蚀出现的凹陷区域，以便在较薄的厚度下实现悬臂梁2的安装，因此，所述基板1上的凹槽设置在所述硅腐蚀区内。

例如，硅基衬底为外形尺寸小于4英寸的矩形块体，硅腐蚀区域加工采用乙二胺磷苯二酚(EDP)或者四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀形成。在硅基衬底顶面的中部设有凹槽，再在硅基衬底的顶面设置悬臂梁结构。

所述悬臂梁2的固定端设置在所述基板1上，所述悬臂梁2的自由端在所述基板1的凹槽上方悬空设置。实际应用中，悬臂梁2可以是安装在硅基衬底基板1上的金属悬臂梁，也可以是与基板1材质相同，通过蚀刻工艺形成的悬臂梁结构。

在实际应用中，由于悬臂梁2需要在安培力作用下能够产生振动作用，并且为了提高检测精度，产生的振动幅度不宜过小，因此，悬臂梁2可以采用弹性较好的金属材质制成，例如铝或铝的合金等。进一步地，悬臂梁2可以为多种材料制成的多层悬臂梁结构，例如，悬臂梁结构由三层材料组成，由上而下每层材料分别为铝(Al)，二氧化硅(SiO₂)以及硅(Si)，三层材料的厚度分别为0.8um，0.3um，10um，这种结构的悬臂梁2既便于制造，又能够满足弹性要求。

所述感应金属线3固定在所述悬臂梁2上，所述感应金属线3沿所述悬臂梁2的固定端延伸至自由端，后回转至固定端形成U形回路。实际应用中，在感应金属线3中通入有规律的交变电流后，如果感应金属线3所在的区域内存在磁场，流通感应金属线3的感应电流将受到磁场对导线的安培力作用，从而使感应金属线3可以向安培力方向产生运动。由于感应金属线3固定在悬臂梁2上，因此安培力将驱动悬臂梁2产生偏转动作。随着感应金属线3中电流的变化，悬臂梁2受到的安培力作用也是变化的，因此，在磁场作用下悬臂梁2可产生振动。

因此，为了向感应金属线3输入交变电流，所述输入电路5连接所述感应金属线3的一端。输入电路5可以连接电源并内置电流调节装置，可以调制出特定变化规律的交变电流。由于本申请中，交变电流是为了在区域含有磁场时，使感应金属线3受磁场力作用带动所述悬臂梁2产生振动，因此交变电流应采用有稳定周期规律变化的形式，例如正弦波形式的交变电流、余弦波形式的交变电流、三角波形式的交变电流、矩形波形式的交变电流等。例如，输入所述感应金属线3的交变电流为2mA～20mA的正弦电流。

在悬臂梁2产生振动后，悬臂梁2可带动感应金属线3产生切割磁感线的运动，根据电磁感应原理，振动将产生按照振动规律变化的感生电动势。通过检测产生的感生电动势，即可实现对磁场进行检测。

实际应用中，当金属线通上正弦电流后，电流范围为2mA～20mA。根据安培力作用，如果检测区域中的磁场方向与悬臂梁2的顶部上的金属线垂直，就会对感应金属线3产生交变的安培力：

F＝Il×B

式中，F为悬臂梁2的顶部感应金属线3所受洛伦兹力，l为悬臂梁2的顶部感应金属线3的长度，I为输入的正弦电流，B为待测磁场强度。

根据上述作用力，可以将悬臂梁2看作弹簧质量块系统，因此悬臂梁2的振动幅度可表示为：

式中，A为悬臂梁2结构的最大振幅，Q为悬臂梁2振动时的品质因素，k为振动的刚度系数，f为振动频率。

当悬臂梁2振动时，感应金属线3会随着悬臂梁2一起振动，为了提高传感器的灵敏度，悬臂梁2在谐振频率处振动。悬臂梁2上的感应金属线3所加电流频率与悬臂梁2的本振频率相同。在磁场作用下感应金属线3上就会感生电动势为：

式中，

为悬臂梁结构本振频率。

可见，通过检测感应金属线3上的感生电动势即可以确定待测位置的磁场强度或方向。

为了实现对感生电动势进行检测，本申请中所述感应金属线3的另一端连接所述输出电路4。实际应用中，所述输出电路4包括输出电阻；所述输出电阻的一端连接所述感应金属线3，所述输出电阻的另一端接地；所述输出电阻的两端设有检测触点，以检测所述输出电阻两端的输出电压。

由以上技术方案可知，本申请提供一种磁场检测传感器，包括：基板1、悬臂梁2、感应金属线3、输出电路4以及输入电路5，其中，悬臂梁2的固定端设置在基板1上，悬臂梁2的自由端在基板1的凹槽上方悬空设置。悬臂梁2上固定设有感应金属线3，感应金属线3在悬臂梁2上形成U形回路。输入电路5连接感应金属线3的一端，以向感应金属线3输入交变电流，在区域含有磁场时，使感应金属线3受磁场力作用带动悬臂梁2产生振动；感应金属线3的另一端连接输出电路4，以检测悬臂梁2上的感应金属线3随振动产生的感生电动势，通过测量感生电动势的大小检测测量区域内的磁场。本申请提供的磁场检测传感器可高度集成、快速响应，可实现传感器微型化，可对局部放电和电弧放电产生的磁场进行检测。

同时，通过在基板1上通过硅腐蚀工艺加工定型凹槽、悬臂梁2等器件，可以进一步提高集成度，使磁场检测传感器的整体尺寸可以保持在毫米或微米级，即达到MEMS系统要求，从而便于将传感器集成在检测设备之中。

为了提高检测的准确性，在本申请的部分实施例中，所述磁场检测传感器还包括多晶硅应力电阻6；所述多晶硅应力电阻6设置在所述悬臂梁2靠近固定端的锚区位置，所述多晶硅应力电阻6连接所述感应金属线3和所述输出电路4，以检测所述悬臂梁2的振动形变量。

本实施例所述多晶硅应力电阻6采用多晶硅结构，可以在受到挤压或变形时，改变其本身电阻量，从而改变其两端的电压值。实际应用中，由于多晶硅应力电阻6设置在悬臂梁2靠近固定端的锚区位置，因此多晶硅应力电阻6的电阻变化的变化规律与悬臂梁2的振动频率线性相关。即在输出的信号中可以产生一个随着振动变化的电压变化值，即从多晶硅应力电阻6可以通过嵌入多晶硅应力电阻6将悬臂梁2的振动形变转换为可测的电信号。显然，实际应用中，在微小的形变情况下，多晶硅应力电阻6和悬臂梁2的形变呈线性关系。

进一步地，所述磁场检测传感器还包括限流电阻8，所述限流电阻8的一端连接所述感应金属线3与所述多晶硅应力电阻6之间，所述限流电阻8的另一端接地。实际应用中，限流电阻8可以起到限流作用，避免电压或电流过大造成温度变化，以致电阻变化，影响测试结果。

进一步地，所述磁场检测传感器还包括引导电阻7；所述输入电路5通过所述引导电阻7连接所述感应金属线3。实际应用中，引导电阻7可以用来引导正弦电流If到悬臂梁2的感应金属线3中，同时也具有一定限流作用，使整个磁场检测传感器保持的在较低的电位状态，便于进行结果输出。所述引导电阻7亦可以用来表示为输入电路5至感应金属线3之间的电阻值，以便进行分析处理。

可见，如图3所示，在本申请提供的实施例中，引导电阻7(Rf)表示用来引导电流If到悬臂梁2的感应金属线3的电阻，限流电阻8(R1)为限流作用的电阻。所述传感器的输出电压Vs是输出电阻(R)上的电压，其变化规律与多晶硅应力电阻6(RG)的变化有关。

在本申请的部分实施例中，所述悬臂梁2为U形悬臂梁结构。即悬臂梁2可以和感应金属线3均为U形结构，U形结构的悬臂梁2可以便于在悬臂梁2上固定感应金属线3。同时，U形结构的悬臂梁2还可以减小悬臂梁2等效悬臂宽度，以便于在较小的安培力的作用下即可以在悬臂梁2上产生振动作用。本实施例中，感应金属线3可以镀覆在U形悬臂梁2上，以便感应金属线3与U形悬臂梁2之间的固定连接。即感应金属线3镀在U型悬臂梁2的上表面，可看作是一层金属导线层，感应金属线3从悬臂梁2的一侧(一个固定端)进入，环绕悬臂梁2一周以后从梁(固定端)的另外一侧(另一个固定端)流出，形成回路。

显然，悬臂梁2的结构不只限于U形悬臂梁，还可以为E形、T形和梳齿形等其它形状的悬臂梁结构，相应的感应金属线3也可以呈现为其他对应形状的回路形状。实际应用中，可以根据不同的使用需求，确定U形悬臂梁2的具体尺寸规格，例如，U型悬臂梁2的两个固定端间距为400um，活动端的梁宽为20um，整个U形悬臂梁的长度为1000um。

在本申请的部分实施例中，如图4所示，所述磁场检测传感器还包括信号处理电路9；所述信号处理电路9连接所述输出电阻的检测触点，以对输出电压进行提取和降噪处理。如图5所示，信号处理电路9包括传感、混频、放大和滤波等完整的信号处理电路。信号处理电路9可以从强噪声中提取有用信号，从而提高检测输出信号的信噪比。

实际应用中，还可以对交流的微弱信号，采用的放大器就是OP系列的，减小噪声对信号的影响。在放大电路后接上相应的滤波电路，对信号有选择的读取。由于所述传感器输出的信号中，一般只关心在某一谐振频率点附近的输出信号，所以信号处理电路9可以采用带通滤波器来实现对信号的选取。

如图6所示，本申请提供的磁场检测传感器可以采用PN结自停止腐蚀工艺进行加工得到，具体地，所述传感器的具体加工流程如下：首先对4英寸(10.16cm)的硅片进行N+扩散和氧化，扩散层的厚度和悬臂梁最终的厚度相同，接着溅射金属并刻蚀引线，然后背面电化学腐蚀衬底到N+扩散层停止，最后正面ICP释放结构。

由以上技术方案可知，本申请提供的一种磁场检测传感器，可用于对局部放电和电弧放电进行检测。所述磁场检测传感器包括由硅腐蚀区域和空区域构成的基板1、U型悬臂梁2、感应金属线3、多晶硅应力电阻、信号处理电路9等部件。本申请提供的磁场检测传感器可以在电力设备发生局部放电或电弧放电时，检测放电产生暂态电磁场。通过镀在U型悬臂梁2上的感应金属线3通入正弦电流信号，可在磁场作用下使悬臂梁2顶部的感应金属线3上产生往复的安培力作用，使悬臂梁2产生振动。同时，感应金属线3随着悬臂梁2一起振动时，会切割磁感线产生感生电动势，将感生电动势对应的信号作为输出信号，而达到测量磁场的目的。本申请提供的磁场检测传感器具有可高度集成化、快速响应、传感器微型化和应用广泛的优点。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁场检测传感器，其特征在于，包括：基板(1)、悬臂梁(2)、感应金属线(3)、输出电路(4)以及输入电路(5)；

其中，所述基板(1)的中部设有凹槽，所述悬臂梁(2)的固定端设置在所述基板(1)上，所述悬臂梁(2)的自由端在所述基板(1)的凹槽上方悬空设置；所述感应金属线(3)固定在所述悬臂梁(2)上，所述感应金属线(3)沿所述悬臂梁(2)的固定端延伸至自由端，后回转至固定端形成U形回路；

所述输入电路(5)连接所述感应金属线(3)的一端，以向所述感应金属线(3)输入交变电流，在区域含有磁场时，使感应金属线(3)受磁场力作用带动所述悬臂梁(2)产生振动；所述感应金属线(3)的另一端连接所述输出电路(4)，以检测所述感应金属线(3)随振动产生的感生电动势。

2.根据权利要求1所述的磁场检测传感器，其特征在于，所述磁场检测传感器还包括多晶硅应力电阻(6)；所述多晶硅应力电阻(6)设置在所述悬臂梁(2)靠近固定端的锚区位置，所述多晶硅应力电阻(6)连接所述感应金属线(3)和所述输出电路(4)，以检测所述悬臂梁(2)的振动形变量。

3.根据权利要求2所述的磁场检测传感器，其特征在于，所述磁场检测传感器还包括限流电阻(8)，所述限流电阻(8)的一端连接所述感应金属线(3)与所述多晶硅应力电阻(6)之间，所述限流电阻(8)的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的磁场检测传感器，其特征在于，所述磁场检测传感器还包括引导电阻(7)；所述输入电路(5)通过所述引导电阻(7)连接所述感应金属线(3)。

5.根据权利要求1所述的磁场检测传感器，其特征在于，所述基板(1)为硅基衬底的矩形块体，所述基板(1)上通过硅腐蚀工艺形成硅腐蚀区和空区，所述凹槽设置在所述硅腐蚀区内。

6.根据权利要求1所述的磁场检测传感器，其特征在于，所述悬臂梁(2)为多种材料制成的多层悬臂梁结构。

7.根据权利要求1所述的磁场检测传感器，其特征在于，所述悬臂梁(2)为U形悬臂梁结构。

8.根据权利要求1所述的磁场检测传感器，其特征在于，所述输出电路(4)包括输出电阻；所述输出电阻的一端连接所述感应金属线(3)，所述输出电阻的另一端接地；所述输出电阻的两端设有检测触点，以检测所述输出电阻两端的输出电压。

9.根据权利要求8所述的磁场检测传感器，其特征在于，所述磁场检测传感器还包括信号处理电路(9)；所述信号处理电路(9)连接所述输出电阻的检测触点，以对输出电压进行提取和降噪处理。

10.根据权利要求1所述的磁场检测传感器，其特征在于，输入所述感应金属线(3)的交变电流为2mA～20mA的正弦电流。

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