CN113900053B - 一种基于pt对称原理的mems谐振式磁场传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器及其使用方法，包括左谐振器和右谐振器，所述左谐振器和右谐振器呈左右镜像对称结构，且通过耦合弹簧相连接；左谐振器和右谐振器分别外连阻尼调制电路，阻尼调制电路控制左谐振器和右谐振器的等效阻尼大小相等，符号相反，形成PT对称谐振器系统；还包括左直流电源和右直流电源，所述左直流电源加载在左谐振器上，形成自上向下的直流电流，所述右直流电源加载在右谐振器上，形成自下而上的直流电流，在洛伦兹力的作用下，左右谐振器之间的耦合系数改变，进而改变了PT对称谐振系统的谐振频率，通过阻尼大小调制，使得PT对称谐振器系统工作在耦合系数和损耗参数相等的奇异点，大幅度提高传感器的敏感度。
Description
技术领域
本发明属于微机电（MEMS）技术领域，公开了空间镜像-时间反演（PT）对称原理在微机电的应用，具体涉及一种基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器及其使用方法。
背景技术
磁场传感器广泛应用于工业、汽车、医疗、家电等众多领域，它是电子罗盘、信息读写磁头等元件的核心部件。
磁场传感器通常利用永磁体受力、洛伦兹力、霍尔效应等来检测磁场的大小。2003年，Leichle TG（Leichle T C，Ye W，Allen M G． A Sub-μW Micromachined MagneticCompass［C］IEEE Conference on SENSORS． Kyoto，Japan，2003: 514－517）等人提出一种插指结构的磁场传感器，通过永磁体受磁力作用使得驱动插指结构形变，进而检测磁场方向，但是基于永磁体的磁场传感器，加工难度高，一致性差，不利于大批量生产。2012年，陈洁（陈洁. 两种结构MEMS磁场传感器的研究[J]. 传感技术学报, 2012(12):1648-1652.）等人提出一种悬臂梁结构和一种双端固支梁结构的磁场传感器，两者都是通过梁上通电导线受洛伦兹力的作用改变谐振频率，进而检测磁场的大小。2012年，陈廷（陈廷. 基于霍尔效应的磁感应强度测量装置, CN202522689U[P].）等人提出一种基于霍尔效应的磁场传感器，利用霍尔元件在一个方向上通电流，另一个方向上加磁场，会在第三个方向上产生电压的特性测量磁感应强度，上述传统基于洛伦兹力和霍尔效应的磁场传感器灵敏度较低，检测精度也比较差。
1998 年，Bender和 Boettcher （Bender C M , Boettcher S , Meisinger P N. PT-Symmetric Quantum Mechanics[J]. Journal of Mathematical Physics, 1998,40(5).）提出一个特殊系列的空间镜像-时间反演（PT）对称哈密顿量，对 PT 对称系统进行了理论研究，指出除了厄米系统以外，PT对称系统也可以获得实数解。紧接着，这一理论被拓展到光学、力学、电学等众多领域。2014年Jan Wiersig （Wiersig J . Enhancing theSensitivity of Frequency and Energy Splitting Detection by Using ExceptionalPoints: Application to Microcavity Sensors for Single-Particle Detection[J].Phys.rev.lett, 2014,112(20):203901.1-203901.5.）等人提出，将PT对称系统偏置在奇异点附近，外界参量对系统施加微扰，就将引起系统频率分裂，利用这一原理设计的传感器灵敏度极高。因而如何将PT对称原理融合应用于传感器的设计和生产中，成为了微机电技术领域急需研究和开发的问题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中的问题，为大幅度提高传感器的灵敏度，提出了一种基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器及其使用方法，包括左谐振器和右谐振器，所述左谐振器和右谐振器呈左右镜像对称结构，且通过耦合弹簧相连接；左谐振器和右谐振器分别外连阻尼调制电路，阻尼调制电路控制左谐振器和右谐振器的等效阻尼大小相等，符号相反，形成PT对称谐振器系统；还包括左直流电源和右直流电源，所述左直流电源加载在左谐振器上，形成自上向下的直流电流，所述右直流电源加载在右谐振器上，形成自下而上的直流电流，在洛伦兹力的作用下，通过阻尼大小调制，使得PT对称谐振器系统工作在耦合系数与损耗参数相等的奇异点，大幅度提高传感器的敏感度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器，包括左谐振器和右谐振器，所述左谐振器和右谐振器呈左右镜像对称结构，且通过耦合弹簧相连接；其中，左谐振器和右谐振器分别外连阻尼调制电路，阻尼调制电路分别控制左谐振器和右谐振器的等效阻尼大小相等，符号相反，形成PT对称谐振器系统；
还包括左直流电源和右直流电源，所述左直流电源加载在左谐振器上，形成自上向下的直流电流，所述右直流电源加载在右谐振器上，形成自下而上的直流电流，在洛伦兹力的作用下，左右谐振器之间的耦合系数改变，进而改变了PT对称谐振系统的谐振频率，通过阻尼大小调制，使得PT对称谐振器系统工作在耦合系数和损耗参数相等的奇异点。
作为本发明的一种改进，所述左谐振器包括左谐振插指、左驱动插指和左检测插指，右谐振器包括右谐振插指、右驱动插指和右检测插指，左谐振插指和右谐振插指的上下两端固定在传感器衬底上，其余部分悬于衬底之上；左驱动插指、左检测插指和右驱动插指、右检测插指固定在传感器衬底上，耦合弹簧悬于传感器衬底之上。
作为本发明的一种改进，左驱动插指和左谐振插指之间设置左驱动端口，左检测插指和左谐振插指之间设置左检测端口；右驱动插指和右谐振插指之间设置右驱动端口，右检测插指和右谐振插指之间设置右检测端口，所述左检测端口、左驱动端口和右检测端口、右驱动端口分别和阻尼调制电路相连，当存在垂直纸面的磁场时，左右谐振器之间的耦合系数因左谐振插指和右谐振插指受洛伦兹力的作用而改变。
为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：一种基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器的使用方法，包括如下步骤：
S1，通过阻尼调制电路分别控制左谐振器和右谐振器，使得左谐振器和右谐振器的等效阻尼始终保持大小相等，符号相反，形成PT对称谐振器系统；
S2，打开左直流电源和右直流电源，使得左谐振器中的左谐振插指上形成自上向下的直流电源，右谐振器中的右谐振插指上形成自下向上的直流电源；
S3，当存在垂直纸面的磁场时，左谐振插指和右谐振插指受到洛伦兹力的作用，使得左右谐振器之间的耦合系数变化，改变了PT对称谐振系统的谐振频率；
S4，通过阻尼大小调制使得PT对称谐振器系统工作在耦合系数等于损耗参数的奇异点，检测PT对称谐振系统谐振频率变化用于测量磁场大小。
与现有技术相比，本发明提出的基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器，由于PT对称谐振器系统的工作在奇异点，任何微扰都将引起谐振频率的极大变化，因此，本发明的MEMS谐振式磁场传感器具有极高的灵敏度，且结构简单，操作方便，性价比更高，更加适合微机电领域的批量生产。
附图说明
图1 为本发明基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器的结构剖面俯视图；
图2 为本发明基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器的弹簧等效模型图；
图3为基于DP（Diabolical Point）谐振式磁场传感器的等效弹簧模型图；
图4为本发明实施例1中PT对称谐振系统和DP谐振系统归一化谐振频率变化对比图；
图5为本发明实施例1中PT对称谐振系统和DP谐振系统的灵敏度对比图；
图6为本发明的阻尼调制电路结构图。
其中，1.左谐振插指、2.左驱动插指、3.左检测插指、4.右谐振插指、5.右驱动插指、6.右检测插指、7.耦合弹簧、8.左驱动端口、9.左检测端口、10.右驱动端口、11.右检测端口、12.左直流电源、13.右直流电源、14.信号输入端、15.信号输出端、16.机电转换控制电路、17.增益控制电路、18.相位控制电路、19电机转换控制电路。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
实施例1
一种基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器，如图1所示，由左谐振插指1、左驱动插指2、左检测插指3构成左谐振器；由右谐振插指4、右驱动插指5、右检测插指6构成右谐振器，左谐振器和右谐振器呈左右镜像对称结构，且通过耦合弹簧7连接在一起。左谐振插指1和右谐振插指4上下两端固定在传感器衬底上，其余部分悬于衬底之上。左驱动插指2、左检测插指3和右驱动插指5、右检测插指6固定在传感器衬底上，耦合弹簧7悬于衬底之上。
其中，左谐振器和右谐振器分别外连阻尼调制电路，左右两边的阻尼调制电路分别控制左谐振器和右谐振器的阻尼；还包括左直流电源12和右直流电源13，当电源打开，左直流电源12加载在左谐振器上，形成自上向下的直流电流，右直流电源13加载在右谐振器上，形成自下而上的直流电流。
当使用本实施例中基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器时：
（1）首先通过阻尼调制电路分别控制左谐振器和右谐振器，使得左谐振器和右谐振器的等效阻尼c始终保持大小相等，符号相反，形成PT对称谐振器系统；
（2）然后，打开左直流电源12和右直流电源13，使得左谐振器中的左谐振插指1上形成自上向下的直流电源，右谐振器中的右谐振插指4上形成自下向上的直流电源；
（3）当存在垂直纸面的磁场时，左谐振插指1和右谐振插指4受到洛伦兹力的作用，使得左右谐振器之间的耦合系数μ变化，改变了PT对称谐振系统的谐振频率；
（4）通过阻尼大小调制使得PT对称谐振器系统工作在耦合系数和损耗参数相等的奇异点，检测PT对称谐振系统谐振频率变化用于测量磁场大小。
如图2所示，基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器的弹簧等效模型图，其中k为谐振器等效弹性系数，m为谐振器等效质量，c为谐振器等效阻尼系数，kc为左右谐振器耦合等效弹性系数，则谐振器的固有谐振频率为
，谐振器损耗参数
，左右谐振器间耦合参数为
，PT对称奇异点有
。该实施例中，谐振器等效弹性系数k=1400 N/m，等效质量m=5×10-10 kg，等效阻尼系数c=8.36×10-7 N·s/m，则固有谐振频率
(对应
)，损耗参数
，耦合等效弹性系数kc=1.40 N/m。
图3为基于DP（Diabolical Point）谐振式磁场传感器的等效弹簧模型图，与图2对比可看出，左谐振器和右谐振器呈镜像对称结构，且通过耦合弹簧相连接，但没有阻尼控制系统，其余参数与PT对称谐振系统的参数保持一致。
对系统谐振频率用谐振器固有频率
进行归一化。当磁场产生的洛伦兹力使左右谐振器之间的等效弹性系数由kc变为
，即耦合系数μ发生微小变化
时，PT对称谐振系统的归一化谐振频率变化远大于DP谐振系统的，即如图4所示。因此PT对称系统对磁场产生的洛伦兹力造成的耦合系数微扰的灵敏度也远高于DP谐振式磁场传感器，如图5所示。
综上，在PT对称谐振器系统的奇异点，任何微扰都将引起谐振频率的极大变化，因此，本发明的MEMS谐振式磁场传感器具有极高的灵敏度。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：左驱动插指2和左谐振插指1之间引出左驱动端口8，左检测插指3和左谐振插指1之间引出左检测端口9；右驱动插指5和右谐振插指4之间引出右驱动端口10，右检测插指6和右谐振插指4之间引出右检测端口11。左驱动端口8和右驱动端口10分别和阻尼调制电路相连。
如附图6所示，阻尼调制电路由输入端口14，输出端口15，机电转换控制电路16、电机转换控制电路17、增益控制电路18、相位控制电路19组成。输入端口14和左检测端口9/右检测端口11相连，输出端口15和左驱动端口8/右驱动端口10相连.通过机电转换控制电路16将谐振器的输出转化合适的电信号，然后对该电信号进行增益控制、相位控制，最后通过电机转换控制电路17转换成阻尼调制控制信号反馈到谐振器。等效阻尼的正负通过相位控制器19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；当反馈信号与谐振器振动信号反相时，系统体现正阻尼。阻尼的大小通过增益控制器18和相位控制器19共同调整。
通过左右两边阻尼调制电路控制使得左谐振器和右谐振器的等效阻尼始终保持大小相等，符号相反，形成PT对称谐振器系统。
左直流电源12加载在左谐振插指1的上下两端，形成自上向下的直流电流；右直流电源13加载在右谐振插指4的上下两端，形成自下向上的直流电流。当存在垂直纸面的磁场时，左谐振插指1和右谐振插4指都受到洛伦兹力的作用，洛伦兹力使得左右谐振器之间的耦合系数变化，进而改变了PT对称谐振系统的谐振频率，通过阻尼大小调制使得PT对称谐振器系统工作在奇异点附近，检测PT对称谐振系统谐振频率变化用于测量磁场大小。在PT对称谐振器系统的奇异点附近，任何微扰都将引起谐振频率的极大变化，因此，本发明的MEMS谐振式磁场传感器具有极高的灵敏度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器，其特征在于：包括左谐振器和右谐振器，所述左谐振器和右谐振器呈左右镜像对称结构，且通过耦合弹簧相连接；其中，左谐振器和右谐振器分别外连阻尼调制电路，阻尼调制电路控制左谐振器和右谐振器的等效阻尼大小相等，符号相反，形成PT对称谐振器系统；所述左谐振器包括左谐振插指、左驱动插指和左检测插指，右谐振器包括右谐振插指、右驱动插指和右检测插指，左谐振插指和右谐振插指的上下两端固定在传感器衬底上，其余部分悬于衬底之上；左驱动插指、左检测插指和右驱动插指、右检测插指固定在传感器衬底上，耦合弹簧悬于传感器衬底之上；
还包括左直流电源和右直流电源，所述左直流电源加载在左谐振器上，形成自上向下的直流电流，所述右直流电源加载在右谐振器上，形成自下而上的直流电流，在洛伦兹力的作用下，左右谐振器之间的耦合系数改变，进而改变了PT对称谐振系统的谐振频率，通过阻尼大小调制，使得PT对称谐振器系统工作在耦合系数和损耗参数相等的奇异点。
2.如权利要求1所述的一种基于PT对称原理的MEMS谐振式磁场传感器，其特征在于左驱动插指和左谐振插指之间设置左驱动端口，左检测插指和左谐振插指之间设置左检测端口；右驱动插指和右谐振插指之间设置右驱动端口，右检测插指和右谐振插指之间设置右检测端口，所述左检测端口、左驱动端口和右检测端口、右驱动端口分别和阻尼调制电路相连，当存在垂直纸面的磁场时，左右谐振器之间的耦合系数因左谐振插指和右谐振插指受洛伦兹力的作用而改变。
3.如权利要求1所述的MEMS谐振式磁场传感器的使用方法，其特征在于包括如下步骤：
S1，通过阻尼调制电路分别控制左谐振器和右谐振器，使得左谐振器和右谐振器的等效阻尼始终保持大小相等，符号相反，形成PT对称谐振器系统；
S2，打开左直流电源和右直流电源，使得左谐振器中的左谐振插指上形成自上向下的直流电源，右谐振器中的右谐振插指上形成自下向上的直流电源；
S3，当存在垂直纸面的磁场时，左谐振插指和右谐振插指受到洛伦兹力的作用，使得左右谐振器之间的耦合系数变化，改变了PT对称谐振系统的谐振频率；
S4，通过阻尼大小调制使得PT对称谐振器系统工作在耦合系数和损耗参数相等的奇异点，检测PT对称谐振系统谐振频率变化用于测量磁场大小。
4.包括如权利要求1所述MEMS谐振式磁场传感器的基于PT对称原理的谐振器系统，其特征在于，包括：左谐振器、右谐振器和阻尼调制电路；
所述左谐振器和右谐振器呈左右镜像对称结构，并分别与阻尼调制电路相连接；
所述阻尼调制电路至少包括机电转换控制电路、电机转换控制电路、增益控制电路和相位控制电路，机电转换控制电路将左谐振器和右谐振器的输出转化为电信号，并通过增益控制电路和相位控制电路进行增益和相位控制，再通过电机转换控制电路转换为阻尼调制控制信号，并反馈到左谐振器和右谐振器中，其中，增益控制器和相位控制器控制阻尼大小，相位控制器控制阻尼的正负；
所述系统中左谐振器和右谐振器的等效阻尼始终保持大小相等，符号相反。
5.如权利要求4所述的基于PT对称原理的谐振器系统，其特征在于，相位控制器控制阻尼的正负，当阻尼调制控制信号与谐振器振动信号同相时，系统体现负阻尼；当阻尼调制控制信号与谐振器振动信号反相时，系统体现正阻尼。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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