CN112986872B - 一种pt对称微机械磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PT对称微机械磁场传感器，包括衬底、第一微机械结构、第二微机械结构、静电耦合结构、可调阻尼电路和磁场输入结构，其中第一微机械结构和第二微机械结构通过静电结构耦合，且镜像对称，可调阻尼电路作用于第一微机械结构的等效阻尼和第二微机械结构的等效阻尼符号相反、大小相等。本传感器系统工作在PT对称状态的奇点区域，根据已有PT对称系统的研究报道，偏置在奇异点的PT对称微机械磁场传感器的灵敏度将比传统的非PT对称系统有数量级的提高。

Description

一种PT对称微机械磁场传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种PT对称微机械磁场传感器，属于微电子技术领域。

背景技术

磁场传感器是一种能够测量磁场的传感器，使用较多的磁场传感器有感应线圈磁强计、磁通门磁力仪、质子磁力仪、光泵磁力仪、磁阻传感器、巨磁阻抗传感器等。

目前研究和应用较多的光纤磁场传感器通过检测光纤内传输光的强度、波长、相位、偏振态等参数感知环境磁场的强度、方向等信息。除了光纤磁场传感器外，半导体集成电路工艺和MEMS（微机电系统）技术的发展和进步，大大促进了半导体磁场传感器的发展。多种不同原理和结构的半导体微型磁场传感器被发明出来。

在1998年，美国华盛顿大学的C. M. Bender教授提出了一种PT对称的哈密顿量，该哈密顿量不具有厄米性，但也同样有实解。这里的P和T分别代表了宇称（Parity）变换和时间（Time）变换。在Bender教授提出PT对称概念后，国际上众多学者和研究机构很快加入到了这种非厄米的PT对称的研究之中。到目前为止，PT对称非厄米量子体系的理论框架已基本形成。除了在量子体系中的研究，PT对称理论也在不同类型的经典物理系统中得到了验证，同时PT对称系统的一些特殊的性质和现象也被逐步发现。研究最早、报道最多的PT对称系统是光学系统，然后逐步扩散到电学、声学等多种系统。利用PT对称理论构造的经典物理系统获得了一些特殊性质和有趣现象，例如，单向隐身、完美吸收、磁光非互易性等；特殊性能包括：超灵敏传感、单模激光等。但目前对于PT对称系统的研究主要还是集中在光学系统和电学系统，而PT对称微机械结构以及基于该结构的磁场传感器还未见研究报道。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种PT对称微机械磁场传感器，该方案中，PT对称微机械磁场传感器则是基于PT对称原理的系统，因此本发明构造的磁场传感系统展现出新的物理现象或效应。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种PT对称微机械磁场传感器，所述传感器包括衬底、第一微机械结构、第二微机械结构、静电耦合结构、可调阻尼电路和磁场输入结构；其中第一微机械结构、第二微机械结构、静电耦合结构、可调阻尼电路和磁场输入结构均设置在衬底上；所述第一微机械结构和第二微机械结构对称的设置在磁场输入结构的两侧；所述可调阻尼电路通过引线与第一微机械结构或第二微机械结构连接。

作为本发明的一种改进，所述第一微机械结构包括第一谐振梁、第一谐振梁上电极和锚区、第一谐振梁下电极和锚区、第一反馈梁、第一反馈梁电极和锚区一、第一反馈梁电极和锚区二、第一左连接梁、第一右连接梁和第一耦合梁；第一谐振梁的上、下部分分别连接到第一谐振梁上电极和锚区、第一谐振梁下电极和锚区；第一谐振梁的左边通过第一左连接梁连接第一反馈梁；第一谐振梁的右边通过第一右连接梁连接第一耦合梁；第一反馈梁和第一反馈梁电极和锚区一、第一反馈梁电极和锚区二相互靠近形成反馈电容。根据静电力公式，相互靠近形成反馈电容，可以产生反馈力。电容电极越靠近，反馈电容越大，反馈静电力越大。

作为本发明的一种改进，所述第二微机械结构包括第二谐振梁、第二谐振梁上电极和锚区、第二谐振梁下电极和锚区、第二反馈梁、第二反馈梁电极和锚区一、第二反馈梁电极和锚区二、第二左连接梁、第二右连接梁和第二耦合梁；第二谐振梁的上、下部分分别连接到第二谐振梁上电极和锚区、第二谐振梁下电极和锚区；第二谐振梁的左边通过第二左连接梁连接第二反馈梁；第二谐振梁的右边通过右第二连接梁连接第二耦合梁；第二反馈梁和第二反馈梁电极和锚区一、第二反馈梁电极和锚区二相互靠近形成反馈电容，根据静电力公式，相互靠近形成反馈电容，可以产生反馈力。电容电极越靠近，反馈电容越大，反馈静电力越大。

作为本发明的一种改进，所述第一微机械结构的第一耦合梁和第二微机械结构的第二耦合梁正对靠近，形成静电耦合结构。

作为本发明的一种改进，所述可调阻尼电路包括，输出端口、输入端口，跨阻放大器，带通滤波器，增益控制器以及相位控制器；输入端口连接到跨阻放大器的输入，跨阻放大器的输出连接到带通滤波器的输入，带通滤波器的输出连接到增益控制器，增益控制器的输出连接到相位控制器的输入，相位控制器的输出连接到输出端口，该电路可以对反馈信号进行增益调节和相位调节，从而对微机械结构的等效阻尼系数进行调节。

其中输出端口、输入端口通过引线连接到第一微机械结构的第一反馈梁电极和锚区一、第一反馈梁电极和锚区二。

作为本发明的一种改进，所述磁场输入结构包括悬梁，转动平板，感应线圈，感应线圈上电极，感应线圈下电极，电极锚区以及锚区；悬梁一端连接转动平板，一端处于第一耦合梁和第二耦合梁的中间；转动平板的一端连接电极锚区，一端连接锚区；感应线圈设置在转动平板上，感应线圈一端连接感应线圈上电极，一端连接感应线圈下电极。

作为本发明的一种改进，所述第一微机械结构和第二微机械结构按M-M’中线镜像对称且质量相等，便于更好的形成PT对称结构。

作为本发明的一种改进，所述可调阻尼电路作用于第一微机械结构的等效阻尼和第二微机械结构的等效阻尼符号相反、大小相等,便于更好的形成PT对称结构。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，1）从量子物理的基本原理来看，目前已有的微机械磁场传感器都是基于厄米原理的系统，而本发明的PT对称微机械磁场传感器则是基于PT对称原理的系统，因此本发明构造的磁场传感系统展现出新的物理现象或效应；2）根据已有PT对称系统的研究报道， 将PT对称微机械磁场传感器偏置在奇异点的灵敏度将比传统的非PT对称系统有数量级的提高，至少可以提高2个数量级以上。根据PT对称理论，当其偏置在奇点附近时，系统的本征频率变化量与微扰呈1/2次方的关系，且微扰量越小，系统灵敏度越高；3）本发明有利于进一步完善PT对称理论体系；4）本发明采用PT对称结构可以更好地抑制共模噪声，例如环境温度、环境气压的变化。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为本发明的剖面图。

图3为本发明的可调阻尼电路原理图。

图中：1、第一微机械结构，2、第二微机械结构，3、衬底，4、静电耦合结构，5、可调阻尼电路，6、磁场输入结构，11、第一谐振梁，12、第一谐振梁上电极和锚区，13、第一谐振梁下电极和锚区，14、第一反馈梁，15、第一反馈梁电极和锚区一，16、第一反馈梁电极和锚区二，17、第一左连接梁，18、第一右连接梁，21、第二谐振梁，22、第二谐振梁上电极和锚区，23、第二谐振梁下电极和锚区，24、第二反馈梁，25、第二反馈梁电极和锚区一，26、第二反馈梁电极和锚区二，28、第二左连接梁，27、第二右连接梁， 41、第一耦合梁，42、第二耦合梁，51、输出端口，52、输出端口，53、跨阻放大器，54、带通滤波器，55、增益控制器，56、相位控制器；61、悬梁，62、转动平板，63、感应线圈，64、感应线圈上电极，65、感应线圈下电极，66、电极锚区，67、锚区。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1—图3，一种PT对称微机械磁场传感器，所述传感器包括衬底3、第一微机械结构1、第二微机械结构2、静电耦合结构4、可调阻尼电路5和磁场输入结构6；其中第一微机械结构1、第二微机械结构2、静电耦合结构4、可调阻尼电路5和磁场输入结构6均设置在衬底3上；所述第一微机械结构1和第二微机械结构2对称的设置在磁场输入结构6的两侧；所述可调阻尼电路5通过引线7与第一微机械结构1或第二微机械结构2连接。所述第一微机械结构1包括第一谐振梁11、第一谐振梁上电极和锚区12、第一谐振梁下电极和锚区13、第一反馈梁14、第一反馈梁电极和锚区一15、第一反馈梁电极和锚区二16、第一左连接梁17、第一右连接梁18和第一耦合梁41；第一谐振梁11的上、下部分分别连接到第一谐振梁上电极和锚区12、第一谐振梁下电极和锚区13；第一谐振梁11的左边通过第一左连接梁17连接第一反馈梁14；第一谐振梁11的右边通过第一右连接梁18连接第一耦合梁41；第一反馈梁14和第一反馈梁电极和锚区一15、第一反馈梁电极和锚区二16相互靠近形成反馈电容。所述第二微机械结构2包括第二谐振梁21、第二谐振梁上电极和锚区22、第二谐振梁下电极和锚区23、第二反馈梁24、第二反馈梁电极和锚区一25、第二反馈梁电极和锚区二26、第二左连接梁28、第二右连接梁27和第二耦合梁42；第二谐振梁21的上、下部分分别连接到第二谐振梁上电极和锚区22、第二谐振梁下电极和锚区23；第二谐振梁21的左边通过第二左连接梁28连接第二反馈梁24；第二谐振梁21的右边通过右第二连接梁27连接第二耦合梁42；第二反馈梁24和第二反馈梁电极和锚区一25、第二反馈梁电极和锚区二26相互靠近形成反馈电容。所述第一微机械结构1的第一耦合梁41和第二微机械结构2的第二耦合梁42正对靠近，形成静电耦合结构4。所述可调阻尼电路5包括，输出端口51、输入端口52，跨阻放大器53，带通滤波器54，增益控制器55以及相位控制器56；输入端口52连接到跨阻放大器53的输入，跨阻放大器53的输出连接到带通滤波器54的输入，带通滤波器54的输出连接到增益控制器55，增益控制器55的输出连接到相位控制器56的输入，相位控制器56的输出连接到输出端口51；其中输出端口51、输入端口52通过引线7连接到第一微机械结构1的第一反馈梁电极和锚区一15、第一反馈梁电极和锚区二16；所述磁场输入结构6包括悬梁61，转动平板62，感应线圈63，感应线圈上电极64，感应线圈下电极65，电极锚区66以及锚区67；悬梁61一端连接转动平板62，一端处于第一耦合梁41和第二耦合梁42的中间；转动平板62的一端连接电极锚区66，一端连接锚区67；感应线圈63设置在转动平板62上，感应线圈63一端连接感应线圈上电极64，一端连接感应线圈下电极65。待检测的磁场通过感应线圈63产生洛伦兹力，使转动平板62和悬臂61发生偏转，从而改变第一耦合梁41和第二耦合梁42之间的耦合强度。

实施例2：参见图1—图3，作为本发明的一种改进，所述第一微机械结构1和第二微机械结构2按M-M’中线镜像对称且质量相等，便于更好的形成PT对称结构。其余结构和优点与实施例1完全相同。

实施例3：参见图1—图3，作为本发明的一种改进，所述可调阻尼电路5作用于第一微机械结构1的等效阻尼和第二微机械结构2的等效阻尼符号相反、大小相等，便于更好的形成PT对称结构。其余结构和优点与实施例1完全相同。

工作原理：参照图1—图3，本发明的PT对称微机械磁场传感器的工作原理为：

PT对称原理：微机械结构A和微机械结构B呈镜像对称，它们具有完全相同的质量和弹性系数。同时可调阻尼电路（C）作用于微机电结构A的等效阻尼和微机电结构B的等效阻尼符号相反、大小相等。负阻尼通过相位控制器来调整，当反馈信号与谐振器振动信号同相时，系统体现负阻尼。阻尼的大小通过增益控制器和相位控制器共同调整。

磁场敏感原理：无磁场输入时，微机械结构A和微机械结构B处于PT对称状态，且通过设置可调阻尼电路和微调电极将传感系统的工作点调至奇点区域。有磁场输入后，通电感应线圈（D3）将产生与磁场成比例的洛伦兹力，该洛伦兹力使转动平板（D2）和悬梁（D1）发生偏转。悬梁（D1）的偏转将改变微机械结构A和微机械结构B之间的耦合系数，从而改变PT对称微机械系统的本征频率。由于传感系统工作在奇异点区域，因此本征频率随耦合系数的变化会非常剧烈，也就是说，传感系统在奇异点的本征频率会随输入磁场剧烈变化。

本发明的PT对称微机械磁场传感器的工作过程为：

测量前：将PT对称微机械磁场传感器置于真空环境，通过调节使两个微机械结构的阻尼满足大小相等正负相反的要求。同时，将可调阻尼电路中包含的振动信号经过缓冲器后连接到动态信号分析仪进行分析。系统处于PT对称时，可以通过设置可调阻尼电路和微调电极将传感系统的工作点调至奇点区域。系统偏置完成后，利用磁场标定仪器对本发明的传感器进行标定，建立其本征频率与不同输入磁场之间的关系。

测量时：当有磁场输入时，利用动态信号分析仪读出本发明传感器的本征频率，与标定值进行对比，即可得到待测磁场值。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (6)

1.一种PT对称微机械磁场传感器，其特征在于，所述传感器包括衬底（3）、第一微机械结构（1）、第二微机械结构（2）、静电耦合结构（4）、可调阻尼电路（5）和磁场输入结构（6）；其中第一微机械结构（1）、第二微机械结构（2）、静电耦合结构（4）、可调阻尼电路（5）和磁场输入结构（6）均设置在衬底（3）上；所述第一微机械结构（1）和第二微机械结构（2）对称的设置在磁场输入结构（6）的两侧；所述可调阻尼电路（5）通过引线（7）与第一微机械结构（1）或第二微机械结构（2）连接；所述第一微机械结构（1）的第一耦合梁（41）和第二微机械结构（2）的第二耦合梁（42）正对靠近，形成静电耦合结构（4)；

所述磁场输入结构（6）包括悬梁（61），转动平板（62），感应线圈（63），感应线圈上电极（64），感应线圈下电极（65），电极锚区（66）以及锚区（67）；其中悬梁（61）一端连接转动平板（62），一端处于第一耦合梁（41）和第二耦合梁（42）的中间；转动平板（62）的一端连接电极锚区（66），一端连接锚区（67）；感应线圈（63）设置在转动平板（62）上，感应线圈（63）一端连接感应线圈上电极（64），一端连接感应线圈下电极（65）；有磁场输入后，通电的感应线圈将产生与磁场成比例的洛伦兹力，该洛伦兹力使转动平板（62）和悬梁（61）发生偏转，悬梁（61）的偏转将改变第一微机械结构和第二微机械结构之间的耦合系数，从而改变PT对称微机械系统的本征频率；利用磁场标定仪器对传感器进行标定，建立其本征频率与不同输入磁场之间的关系；当待测磁场输入时，读出传感器的本征频率，与标定值进行对比，即可得到待测磁场值。

2.根据权利要求1所述的PT对称微机械磁场传感器，其特征在于，所述第一微机械结构（1）包括第一谐振梁（11）、第一谐振梁上电极和锚区（12）、第一谐振梁下电极和锚区（13）、第一反馈梁（14）、第一反馈梁电极和锚区一（15）、第一反馈梁电极和锚区二（16）、第一左连接梁（17）、第一右连接梁（18）和第一耦合梁（41）；第一谐振梁（11）的上、下部分分别连接到第一谐振梁上电极和锚区（12）、第一谐振梁下电极和锚区（13）；第一谐振梁（11）的左边通过第一左连接梁（17）连接第一反馈梁（14）；第一谐振梁（11）的右边通过第一右连接梁（18）连接第一耦合梁（41）；第一反馈梁（14）和第一反馈梁电极和锚区一（15）、第一反馈梁电极和锚区二（16）相互靠近形成反馈电容。

3.根据权利要求2所述的PT对称微机械磁场传感器，其特征在于，所述第二微机械结构（2）包括第二谐振梁（21）、第二谐振梁上电极和锚区（22）、第二谐振梁下电极和锚区（23）、第二反馈梁（24）、第二反馈梁电极和锚区一（25）、第二反馈梁电极和锚区二（26）、第二左连接梁（28）、第二右连接梁（27）和第二耦合梁（42）；第二谐振梁（21）的上、下部分分别连接到第二谐振梁上电极和锚区（22）、第二谐振梁下电极和锚区（23）；第二谐振梁（21）的左边通过第二左连接梁（28）连接第二反馈梁（24）；第二谐振梁（21）的右边通过右第二连接梁（27）连接第二耦合梁（42）；第二反馈梁（24）和第二反馈梁电极和锚区一（25）、第二反馈梁电极和锚区二（26）相互靠近形成反馈电容。

4.根据权利要求3所述的PT对称微机械磁场传感器，其特征在于，所述可调阻尼电路（5）包括，输出端口（51）、输入端口（52），跨阻放大器（53），带通滤波器（54），增益控制器（55）以及相位控制器（56）；输入端口（52）连接到跨阻放大器（53）的输入，跨阻放大器（53）的输出连接到带通滤波器（54）的输入，带通滤波器（54）的输出连接到增益控制器（55），增益控制器（55）的输出连接到相位控制器（56）的输入，相位控制器（56）的输出连接到输出端口（51）；其中输出端口（51)、输入端口（52）通过引线（7）连接到第一微机械结构（1）的第一反馈梁电极和锚区一（15）、第一反馈梁电极和锚区二（16）。

5.根据权利要求4所述的PT对称微机械磁场传感器，其特征在于，所述第一微机械结构（1）和第二微机械结构（2）按M-M’中线镜像对称且质量相等。

6.根据权利要求5所述的PT对称微机械磁场传感器，其特征在于，所述可调阻尼电路（5）作用于第一微机械结构（1）的等效阻尼和第二微机械结构（2）的等效阻尼,符号相反、大小相等。

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