CN1886669A - 共振磁强计设备 - Google Patents

Abstract

描述了一种共振磁强计(20)，包括具有元件(26)和用于使交流电(AC)流经所述振荡元件(26)的装置的基板。该磁强计的特征在于，还提供驱动装置(46，48)，用于向所述振荡元件(26)施加磁场无关的振荡力。描述了该磁强计的一种微型机电系统(MEMS)实施方式。

Description

共振磁强计设备

本发明涉及一种磁强计，尤其涉及一种微型机电系统(MEMS)自共振磁强计。

共振磁强计是众所周知的。最早的一个基于共振磁强计的MEMS是由D.K.Wickenden等在论文“MEMS based resonating XylophoneBar Magnetometers”，SPIE Conference Proceedings-Micromachined Devices and Components IV，SPIE Vol.3514，pp350-358，1998中描述的。Wickenden等的设备包括表面微型机械棒，在其第一共振模式的节点被固定到一对电极。在使用中，交流电以该棒的共振频率流经该棒。在存在磁场的情况下，罗伦兹力(Lorenzforce)使该棒共振，并且任何这种运动的幅度被电容感测以提供对于该施加磁场强度的指示。

最近，对于基本MEMS共振磁强计设计的改变已经由Zaki Izham、Michael CL Ward、Kevin M Brunson和Paul C Stevens在论文“共振磁强计的发展”中记载，参见Proceedings of the 2003Nanotechnology Conference and Trade show，February 23-27，SanFrancisco，Volume 1，pp 340-343，ISBN 0-9728422-0-9。Izham等的共振磁强计由绝缘硅(SOI，silicon-on-insulator)晶片形成，包括具有两组固定-固定悬架(fixed-fixed suspension)的振荡质量块，以使其能够沿该晶片平面的轴线运动。具有该振荡质量块共振频率附近的频率的AC电流沿该悬架流过，从而在存在磁场的情况下导致该质量块共振。一组电极被连接到该质量块以允许电容测量任何磁场感应运动的幅度。

为了最大化共振磁强计中的Q放大，有必要确保供给到该振荡质量块的AC电流的频率与其共振频率匹配或者充分接近。虽然可以在理论上预测和/或测量杆(beam)的共振频率，但是温度变化、应力感应效应和/或共振杆悬架中存在的任何非线性都会导致变化。如果应用了具有远离该共振条件的频率的AC电流，那么由于缺少罗伦兹力的Q放大，该设备的灵敏度将会大大降低。

为了确保该共振横杆被驱动以共振，已知可以响应于用于感测该横杆振荡频率的拾取电路的输出而调节频率生成器的输出频率。然后使用锁相环来确保所应用AC的频率跟踪该共振横杆的振荡频率的任何改变。然而，锁相环电路会引入不希望的相位噪声，因为它们必须不断地搜索最优频率。

在高灵敏度应用例如罗盘等中，共振磁强计需要在大约500-5000之间的机械质量因子(Q)和在大约500Hz到30kHz范围内的共振频率。该高Q因子意味着用于向共振横杆结构供给AC电流的频率生成器需要具有比在几kHz中的1Hz更好的精确性。这种高分辨率频率生成器的提供以及锁相环电路的提供，增加了操作该设备所需的控制电子设备的成本和复杂性。

本发明的目的是提供一种共振磁强计设备，其中减轻了上述缺点中的至少一些。

根据本发明的第一方面，共振磁强计包括振荡元件和用于使交流电(AC)流经所述振荡元件的装置，其特征在于，还提供驱动装置用于对该振荡元件施加与磁场无关的振荡力。

由该驱动装置(例如静电)施加到振荡元件的振荡力与磁场强度无关，并且优选地具有足以保证在使用期间使该振荡元件连续共振的振幅。在应用磁场时，由于所述磁场与流经该振荡元件的AC电流交互会引起罗伦兹振荡力的产生。如上所述，对于给定AC的幅度，罗伦兹振荡力的大小依赖于应用到该振荡元件的磁场强度。在没有磁场的情况下，不会有罗伦兹振荡力被施加到该振荡元件上(即该罗伦兹振荡力即具有零幅度)。

因而提供一种共振磁强计，其中通过组合磁场相关的(即罗伦兹)振荡力和由驱动装置施加的磁场无关的振荡力而驱动振荡元件进行共振。从而本发明提供了一种磁强计，其与现有技术的设备不同，具有即使在没有应用磁场的情况下也可以被驱动共振的振荡元件。在应用磁场时，该振荡元件的振荡幅度将会以可检测的方式改变。

通过提供驱动装置而确保振荡元件被连续驱动共振，提供了仅在应用磁场时被驱动共振的现有技术设备所不具有的多个优点。首先，能够连续测量振荡元件的共振频率。这在该磁强计被用于使得共振特性发生明显变化的各种不同环境中时(例如不同温度、压力等)是有利的。以前，仅当应用足够强的磁场时才能够进行这种共振频率的测量。第二，该磁强计典型地具有比现有技术设备更低的磁场强度检测阈值，在现有技术设备中所应用的磁场强度必须足够强以激励共振。

应当注意的是，通过AC与磁场交互而产生的罗伦兹力和由驱动装置提供的振荡力优选地被设置成同相或异相。在这种情况下，振荡元件的振荡幅度将会增加或减少，在存在应用磁场时依赖于磁场方向。可以理解，该磁场方向可以很容易地通过振荡幅度增加或减少来确定。

有利的，该磁强计包括依赖于该振荡元件的偏移(deflection)而提供电输出信号的感测装置。

方便地，该驱动装置包括用于接收由感测装置产生的电信号的正反馈电路。从而该驱动装置被设置成使用正反馈环驱动振荡元件共振。换句话说，该感测装置所产生的信号被该正反馈电路适当处理(例如按照需要放大和/或相移)和被驱动装置使用以产生(例如静电)振荡力。这就确保了该驱动装置连续地对振荡元件施加其共振频率的振荡力。换句话说，这可以说是该驱动装置对振荡元件的自共振驱动。应当注意的是，在设备启动时，该设备所固有的机械噪声和驱动电路所固有的电噪声被发现足以激励共振。

优选地，驱动装置提供固定幅度的振荡力。换句话说，该驱动装置是以所谓的“恒定驱动模式”工作并且对振荡元件施加恒定振荡力(例如通过对静电驱动电极应用恒定幅度AC驱动电压)。在没有磁场并且因此也没有罗伦兹力的情况下，该振荡元件将会以恒定振幅振荡。然而，磁场与流经该振荡元件的AC的交互会产生振荡罗伦兹力，该罗伦兹力会以与磁场强度直接相关的量来改变振荡元件的振荡振幅。

替代地，驱动装置被设置成向振荡元件施加可调幅度的振荡力，其中在使用期间调节该振荡力以保持振荡元件的给定振荡振幅。换句话说，驱动装置可以被设置成使得该磁强计在所谓“恒定幅度模式”下工作，由该驱动装置施加的振荡力足以保证该振荡元件以某个固定振幅共振。从而磁场的应用将使得该驱动装置改变其所施加的振荡力的幅度，以便维持振荡元件共振的固定振幅。在这种情况下，驱动装置所施加的振荡力的幅度提供了对于磁场强度的测量。

有利地，用于使AC流经振荡元件的装置包括设置成接收该感测装置所产生的电输出信号的反馈电路。从而提供反馈环(可以包括适当的放大等)用于生成流经振荡元件的AC电流。由于该AC电流是直接从振荡元件的振荡中获取的，所以它将具有总是等于其共振频率的频率。从而不需要提供单独的振荡源来生成该AC电流，并且也不需要在现有技术磁强计中用于确保AC频率跟踪该振荡元件的共振频率的锁相环装置。因而所得到的磁强计与现有技术的设备相比，降低了复杂性，并且制造更廉价。

应当注意，提供锁相环以控制该驱动装置和产生流经该振荡元件的AC电流确保了该第一和第二力相对于彼此而适当调节相位。这进一步提高了磁场强度测量的准确性。

有利地，该感测装置包括设置在基板上并且具有可以根据该振荡元件而改变的电容的至少一个传感器电极。换句话说，该感测装置通过电容拾取器(capacitative pickup)而测量该振荡元件的运动。

该感测装置可以有利地包括设置在基板上的多个拉长(elongate)传感器电极，并且振荡元件可以包括与所述多个拉长传感器电极相互交叉的多个拉长电极。换句话说，提供相互交叉的电极组以根据振荡元件运动而产生所需的电容变化。为了允许确定运动方向，本领域技术人员将会理解，每个拉长传感器电极可以被方便地设置成更接近于其相邻的一对振荡元件拉长电极中的一个。

该振荡元件的电极可以方便地被维持在预定的直流电(DC)极化电压。在这种情况下，可以直接测量该振荡元件的电极和基板之间的电容。

替代地，可以有利地向该振荡元件的电极应用高频AC极化电压(或所谓的试探(probe)信号)。高频试探信号的使用确保了该放大电极的1/f噪声不会显著影响电容拾取器的质量。该频率也大大高于该振动结构的机械响应。优选地，该高频试探信号是在50KHz到几十MHz的范围内，更优选地为大于100KHz，更进一步优选为大约1MHz。从而实施高频电容拾取会改善由感测装置产生的输出电信号的信噪比。

有利地，该多个传感器电极可以被电连接以形成两个电极组，该两个电极组被设置成提供差分电容拾取器。如下面将详细说明地，由每个电极组提供的运动感应电容信号可以被设置成使得它们是异相的。然而，来自驱动电路在每个电极组产生的信号中的连通总是同相的。因此，减去该信号(即确定该信号差)将减少噪声效应并且提供更干净的运动感应信号。该差分电容拾取器提供了具有比使用直接拾取所获得的信号显著更低噪声水平的输出电信号。

方便地，该用于使AC流经振荡元件的装置包括用于改变所述AC幅度的装置。控制应用到振荡元件的AC的幅度使得能够调节该磁强计的灵敏度。对于给定的磁场强度，增加该应用的AC将会增加罗伦兹振荡力的幅度，从而增强对于振荡元件振幅的磁场感应效应。所应用AC的幅度还可以被减少到零以便能够评估该振荡元件的共振特性而不受任何磁场感应影响。这就允许了用于校准目的的Q测量。

优选地，该驱动装置包括形成在基板上的至少一个驱动电极，用于向振荡元件静电施加振荡力。有利地，该驱动装置包括形成在基板上的多个第一拉长驱动电极，而振荡元件包括多个第二拉长驱动电极，其中该第一拉长驱动电机与该第二拉长驱动电极相互交叉。换句话说，实施了静电梳状驱动装置。这种梳状驱动的提供降低了所应用静电力对于振荡元件位移的依赖性，并从而减少了该振荡元件的运动失真。

虽然基于静电的驱动装置是优选的，但是也可以可选地或替代地使用热驱动装置或压电驱动装置。

方便地，该振荡元件包括共振横杆。

振荡元件可以有利地包括锚定在基板上的至少两个可弯曲腿部件，所述AC流经所述可弯曲腿部件中的至少一个。该可弯曲腿部件优选地被设置成当振荡元件振荡时弯曲。而且，该振荡元件可以方便地包括设置成基本垂直于所述至少两个腿部件并且与之互连的基本刚性的横杆。该横杆可以有利地包括从其上垂直突出的多个拉长电极。这些拉长电极可以被用作静电驱动装置的一部分或者用于提供电容拾取器。

优选地，该用于使交流电(AC)流经振荡元件的装置被设置成向所述腿部件供给差分AC电压以使得所述横杆接收预期极化电压。换句话说，极化电压(V)加ΔV被应用到腿部件的一端，而极化电压(V)减ΔV被应用到该腿部件的另一端。假定沿该腿部件中间设置该横杆，则它将被保持在该极化电压V。并且，该腿部件两段之间的电势差将是2ΔV。可以应用交替的ΔV以使得所需的AC电流流经该振荡元件的腿部件，而将该横杆保持在预期极化电压。

有利地，该振荡元件被设置成沿平行于基板平面的一个平面上的轴振荡。

应当注意的是，由于一些原因，在本发明的MEMS磁强计的悬挂振荡元件内会出现应力。例如，由于该基板的热膨胀/收缩与该振荡元件的膨胀/收缩不同(即热膨胀不一致)，导致在两个锚点锚定到基板的振荡元件会通过该锚点受到压缩或拉伸应力。这特别是发生在使用前将基板安装在封装中或在该磁强计内存在温度梯度的情况中。因此优选地，该磁强计的振荡元件包括至少一个应力消除装置，例如弹性可变形应力消除结构，用于减少在该MEMS磁强计设备的悬挂部分内的应力。这种应力消除结构优选地被设置成作为弹簧工作，用于吸收该振荡元件受到的任何拉伸/压缩力。以这种方式，防止该振荡元件在使用期间和/或当待用时的变形或弯曲。

而且，已经发现通过多个锚点固定在基板上的振荡元件的共振频率会随着振荡幅度而发生非线性变化。该共振频率随着振荡幅度的变化需要在磁场强度(以及因而导致振荡幅度)变化时连续调节沿可导路径流动的AC的频率。这会减少设备的灵敏度，尤其是对于快速变化的磁场，如果不能维持最优的Q放大的话。提供具有应力消除结构的振荡元件会减少该非线性效应，因为该应力消除结构的弹簧状本质将允许该振荡元件在振荡幅度变化时发生轻微的膨胀/收缩。

虽然对于各种MEMS设备，应力消除结构是已经公知的，但是这种结构典型地包括“折回(folded back)”型装置。在共振磁强计中包括这种折回结构将导致电流沿可导路径在各个方向流动；例如电流会通过折回结构的折回而在相反方向流动。从而在存在磁场的情况下，由向前流动电流的区域感应的罗伦兹力将会抵消从电流在相反方向流动的区域产生的罗伦兹力。因而折回应力消除结构的包含会导致对于给定的磁场强度，合力减少的振荡力被施加到该振荡元件上，从而降低了该磁强计的整体灵敏度。由于这个原因，本领域技术人员典型地将会认为，设备灵敏度减少是在共振磁强计的振荡元件中包含应力消除结构所不可避免的和不可接受的结果，从而典型地会低估应力消除结构在磁强计设备中的使用。

为了确保应力消除结构对于设备性能具有最小影响，通过本发明的设备的应力消除结构的可导路径优选地被设置为，最小化在与电流的基本方向相反的方向上沿该可导路径的剩余部分流动的电流成分。换句话说，提供一种MEMS共振磁强计，具有包括用于负载电流的可导路径和至少一个弹性可变形应力消除结构的振荡元件，所述至少一个弹性可变形应力消除结构具有构成所述可导路径一部分的可导部件，其中所述可导部件被设置成最小化在与电流的基本方向相反的方向上沿该可导路径的剩余部分流动的电流成分。

应当注意，该“电流的主要(primary)方向”仅仅是电流通过该振荡元件的主方向，例如如果该可导路径通过该应力消除结构，则该电流方向被忽略。在最简单的情况，该振荡元件通向该应力消除结构和从该应力消除结构发出的可导路径将是基本为直线的可导轨迹，限定了第一轴。从而电流的基本方向将是电流沿该可导路径的直线部分的方向(即沿第一轴)。在这种情况下，该应力消除结构优选地将被设置成最小化在相反方向流经该可导路径剩余部分的、任何流经该应力消除结构的电流。应当理解的是，在使用中，交流电(AC)将沿该可导路径通过以便在存在磁场时施加所需的罗伦兹力，从而该电流的基本方向在使用中会改变。

有利地，所述至少一个应力消除结构包括可导部件，其中电流以与所述电流基本方向成小于或基本等于90度的方向流过该可导部件。换句话说，优选地，在与锚点之间的主流动方向相反的方向上基本没有电流成分。

优选地，AC所流经的该振荡元件的可导路径是沿着一条基本垂直于该振荡元件振荡轴的轴。在这种布置中，所应用的磁场会施加引起该振荡元件沿着该振荡元件的振荡轴运动的力。从而对于给定的磁场，将会放大施加到该振荡元件的罗伦兹力。

有利地，该应力消除结构包括折叠结构，所述折叠结构包括在基本上垂直于所述电流基本方向的方向上延伸的多个拉长弹性可弯曲臂。这种结构的提供了经过该应力消除装置的电流路径，其中在与该电流基本方向相反的方向上没有电流。在这种应力消除结构中流动的电流的大部分将是在基本垂直于该电流基本方向的方向上，这种布置保证了该流经应力消除结构的电流对于施加到振荡元件上的合力振荡力具有可以忽略的影响。

方便地，该应力消除结构包括弹性可变形环。应力消除环提供了经过该应力消除装置的两个电流路径，并且不包括任何反向电流将流经的折叠。事实上，将有相当一部分的电流沿该电流的基本方向流经该环。因而这种环形应力消除结构将施加振荡力，用于与由于流经该可导路径剩余部分的电流而施加的振荡力相加。

振荡元件方便地在多个锚点被附着到基板上。虽然应力消除部件可以被形成在该锚点的一个或一些附近，但是优选地，应力消除结构与每个锚点相关联。这就使得该装置更对称，并且减少了扭绞或不对称振荡模式被激励的可能。

应当注意的是，虽然在本发明的共振磁强计中提供应力消除装置是有利的，但是这里所述的应力消除装置也可以有利地应用于任何共振磁强计装置中。因此可以提供一种包括振荡元件的微型机电系统(MEMS)共振磁强计，所述振荡元件包括用于负载电流的可导路径，其中该振荡元件包括至少一个弹性可变形应力消除结构，所述振荡元件被设置成，使得由流经该至少一个应力消除装置产生的振荡力实质上不从由流经该可导路径剩余部分的电流所产生的振荡力中减去。

有利地，该磁强计被形成为微型机电系统(MEMS)。其中术语“微型机电系统(MEMS)”用于包含宽范围的微型机械传感器和传动器，包括在本领域中由术语“微系统技术(MST)”、“微型机器人(microrobotics)”和“微工程设备(microengineered device)”描述的那些。

方便地，所述基板和/或所述振荡元件包括硅，并且优选地由绝缘硅(SOI)晶片或玻璃硅(SOG，silicon-on-glass)晶片形成。

根据本发明的第二方面，提供一种惯性测量单元(IMU)，包括至少一个根据本发明第一方面的磁强计。有利地，该IMU包括三个磁强计，该三个磁强计中的每个被设置成沿相互正交的轴检测磁场。

现在将结合附图以仅仅是示例的方式对本发明进行说明，其中：

图1示出了现有技术的MEMS磁强计工作的基本原理，

图2示出了具有平面内(in-plane)振荡的现有技术MEMS磁强计的操作，

图3示出了本发明的MEMS磁强计，

图4示出了可以用于图3所示类型的MEMS磁强计的多个电极布置，

图5a和5b示出了使用折叠横杆来改善磁强计性能，图5c示出了

现有技术的折回杆，

图6示出了可以用于制造MEMS磁强计的过程，和

图7是本发明的磁强计的显微照片。

参照图1，显示了Wickenden等所描述类型的简单棒状磁强计2。该磁强计包括由第一电极6和第二电极8支撑的共振棒4。该第一和第二电极6和8被设置在棒4的基本振动模式的节点上。

流经棒4的电流(I)将与磁场(B)交互而产生平面外(out-of-plane)罗伦兹力(F)。在使用中，交流电(AC)通过第一电极6和第二电极8应用到棒4。所应用AC的频率与共振棒4的共振频率相匹配，从而导致该设备在存在平面内磁场(B)时共振。对于给定的应用电流，该共振的幅度由所应用磁场的大小表示。罗伦兹力效应构成了所有共振磁强计的工作的基础。

参照图2，示出了Izham等所述类型的现有技术共振磁强计。该设备包括具有第一腿11、第二腿12、和横杆13的悬挂共振杆结构10。每条腿的每一端在锚点19被固定到基板上。横杆13包括从横杆部件13每一侧正交突出并且位于与基板平面平行的平面上的多个指形电极(finger electrode)14。第一组15和第二组16电容拾取指形电极被形成在基板上该悬挂横杆部件13的每一侧。该设备被设置成，使得悬挂横杆部件13的指形电极14与形成在基板上的第一组和第二组指形电极15和16相互交叉。

悬挂共振杆结构10在基板平面内的一个轴上自由运动(即沿图2的y轴)。在使用中，驱动电路17以该悬挂共振杆结构10的共振频率生成AC电流，并且沿着第一腿11传导该电流。在垂直于基板的(x-y)平面的方向施加的任何磁场产生导致该共振杆结构10共振(即沿着y轴往返共振)的罗伦兹力。共振杆结构10的位移改变与第一组和第二组指形电极15和16以及该横杆部件的指形电极14相关联的电容，这种电容变化由电容拾取电路18测量以允许确定所施加的磁场强度。

如上所述，图2所示的现有技术布置具有多个缺点。例如，驱动电路17需要包括频率生成器，其能够产生具有精确到几KHz中的1Hz频率的AC。频率跟踪电路(未示出)也是必要的，用于确保由电路17应用的驱动频率不断与拾取电路18所测量的共振频率相匹配，这种电路将会给系统带来电噪声，并且将仅当磁场驱动该杆结构共振时才提供对于共振频率的测量。而且，拾取电极15和16以该共振质量块的共振频率产生输出，并从而拾取由于该驱动电路而产生的噪声，因而减少了该磁强计的测量精度。此外，该第一腿和第二腿11和12的固定-固定布置允许建立机械应力，其在最好情况下改变该设备的共振频率，在最坏情况下导致整个结构扭曲。

参照图3a，示出了本发明的自共振磁强计20。该磁强计20包括由SOI基板形成的活动区域22和相关的控制电路24。

活动区域22包括具有第一腿28、第二腿30和横杆32的悬挂共振杆结构26(即悬挂质量块)。该横杆32被形成为箱形截面以提供高度的刚性而不显著增加质量总量。这种箱形截面横杆的提供防止了扭绞振荡模式的激励。

第一腿28的末端分别被物理固定到基板上的第一和第二锚点34和35。类似地，第二腿30的末端分别被物理固定到基板上的第三和第四锚点36和37。在第一腿和第二腿的每一端提供应力消除环38以减少物理应力，下面将结合图4更详细地说明该应力消除环的设计和操作。

悬挂共振杆结构26的横杆部件32承载有多个指形电极40，该多个指形电极40从横杆部件32的每一侧正交突出并且位于该基板的平面内。第一组42和第二组44电容拾取指形电极形成在基板上该悬挂横杆部件32的每一侧。该设备被设置成使得悬挂横杆部件32的指形电极40与该第一组42和第二组44指形电极相互交叉。如下所述，该电极布置使得可以电容感测该悬挂共振杆结构26的任何运动。在基板上还形成一对驱动电极46，其被设置在由横杆部件32承载的末端指形电极对47附近。

在使用中，该设备是在所谓“自共振模式”中工作。悬挂共振杆结构26被静电驱动电路48静电驱动而共振，该静电驱动电路48对该驱动电极对46施加驱动电压。使用该第一组42和第二组44指形电极通过差分电容拾取器来感测该共振杆结构的运动。该电容拾取器被提供给差分放大器50，并且通过90°相移电路52(或微分电路)定向到静电驱动电路48。以这种方式，利用由用于静电驱动该共振杆结构26的电容拾取器所生成的信号来实施正电子反馈环布置。

由差分放大器50产生的输出信号通过削波电流驱动电路56也提供给差分驱动电路58。还提供极化电压源60。差分驱动电路被设置成通过第一锚点34对第一腿28施加极化电压(V)加ΔV，并且通过第二锚点35对第一腿28的另一端施加极化电压(V)减ΔV。在第三和第四锚点37和38对第二腿30的两端施加极化电压(V)。

该差分驱动装置是电压源电路，使得AC电流流经该悬架的第一腿同时保持横杆32在预期的极化电压(即在由极化电压源60供给的电压)。确保该横杆保持在固定电压使得可以提供低噪声的电容拾取器。ΔV的水平可以被固定，潜在地向电流中引入由于该悬架电阻变化而产生的不确定性，或者可以监视该电流并且ΔV改变以保持该电流的幅度不变。

应当再次强调的是，与现有技术的磁强计设备不同，在磁强计20中使用的AC电流不是使用单独的频率生成器源生成，而是从该悬挂共振杆结构26的振荡中直接得到。这种反馈布置减少了噪声水平，并且确保了该Q放大总是最大化的。

共振杆结构振荡的幅度明显依赖于该静电驱动和罗伦兹力的和。在图3所示的布置中，静电驱动的幅度被保持不变，即该磁强计是在恒定驱动模式中工作。差分放大器50的输出在通过整流器/滤波器电路53后，在信号线路54中提供输出，该输出与运动幅度有关并且从而表示所应用磁场的强度。

在恒定驱动模式中，静电驱动水平应当被选择的足够高，以便当应用最大的被测量磁场时该设备保持共振。换句话说，由该应用的磁场和静电驱动结构感应的合力应当总是充分高以维持共振，而不会使得该悬挂共振杆碰到其终止端(end stop)。应当注意，即使该应用的磁场中断共振或者使得该横杆碰到其终止端，该设备通常也不会被损坏，并且当该磁场强度或AC电流减少时会再次正常工作(不需要重新校准)。

代替在恒定驱动模式中工作，该磁强计可以包括控制环，用于改变该静电驱动信号的幅度以保持振荡幅度不变，即它是在恒定幅度模式中工作。从而所施加驱动电压的幅度提供对于应用到该设备上的磁场强度的指示。

上述电容拾取装置是所谓的位移电流检测器。在这种装置中，极化电压被固定在适当的DC水平，并且放大电子装置(例如差分放大器50等)在该设备的共振频率工作。对于典型地用于集成单元或特定用途集成电路(ASIC)中的CMOS传感放大器，该工作频率是在该放大器的1/f噪声内，并且从而将减少该设备的信噪比。

为了减少这些1/f噪声效应，可以使用高频(例如1MHz)试探信号感测该电容。在本上下文中，“高频”表示大大高于放大器的1/f噪声区域并且还大大高于该振动结构的机械响应的频率。由极化电压源60产生的极化电压将是该高频试探信号，并且该电容拾取器的输出在适当的增益之后将需要解调制和滤波。用于这种系统的反馈环按照上述的基带实施方式来完成，但是用180°相移装置(未示出)来代替该90°相移电路52。

为了获得将该磁强计作为罗盘操作的所需Q，可以将它封装在减压环境中。该Q高度依赖于压力，而压力反过来影响灵敏度和带宽。该设备的另一个优点是，它还可以用于直接测量用于校准的Q。如果流经该杆结构26的AC电流被断开，那么仅有由静电驱动电路48通过驱动电极46施加的静电力工作以驱动该悬挂共振杆结构26共振。在这种情况下，振荡运动的幅度(或者如果是在恒定幅度模式工作时所施加的驱动力)将会与该Q相关。

同时使用两个等效设备也是有利的，一个用于测量Q，一个作为磁传感器，从而使得两个测量同时都是可靠的。还可以通过包含在该设备周围的晶片上形成的平面线圈来实现校准。已知的流经该平面线圈的电流将在该设备中产生已知的磁场。

如上所述，使用在基板上形成的一对驱动电极46和由该横杆部件32承载的相应的指形电极对47静电驱动图3a所示设备的悬挂共振杆结构26。图3b示出了一种替代实施例，其中应用了一种静电梳状驱动(comb drive)装置。在图3b的布置中，横杆32承载有包括多个指形电极的电极装置147。对应的驱动电极146在基板上形成。该基板的拉长驱动电极146与该电极装置147的指形电极相互交叉，并从而提供静电梳状驱动。该梳状驱动布置最小化所应用静电力的位移依赖性，并且减少了在该悬挂杆结构26的运动中的任何失真。本领域技术人员也将认识到，在本发明的设备中可以使用各种替代的驱动装置。

参照图4，示出了适于包含在本发明的磁强计中的多个替代性电容拾取装置。图4b示出了图3a的设备中应用的装置，而图4a和4c示出了替代性装置。

图4a示出了Izham等所描述类型的所谓单端(single ended)拾取装置。悬挂横杆80包括与两组基板指形电极84和86相互交叉的多个指形电极82。横杆80在y方向上的运动改变该装置的电容，并且提供对于横杆位移的指示。这种装置的缺点在于，由于横杆运动而很难将电信号从该驱动电路连接线和周围电路的电影响中分离。

图4b中所示的差分拾取装置(与上面参照图3所述的类似)允许以较低的相关噪声进行测量。该横杆32被设置在彼此相对横向偏移的两组指形电极42和44之间。横杆32的运动导致从一组指形电极例如电极42中产生运动感应信号，该运动感应信号与由另一组电极44提供的运动感应信号异相。相反，与由电极42和44中的每个产生的信号相关联的噪声是明显同相的。因此，减去由电极42和44产生的信号去除了大部分不想要的背景信号，但是增加了由横杆运动感应的信号。由于这个原因，优选使用差分拾取装置。

图4c示出了一种替代的差分拾取装置，其中在基板上形成的两组指形电极92和94被分成两组。这就提供了一种两侧对称的电极装置，从而平衡了由拾取电路产生的静电力以避免产生扭曲运动。

如参照图3所述，本发明的磁强计包括结合应力消除环的悬架(即该悬挂共振杆结构26)。现在参照图5，示出了适用于共振磁强计中的两个机械应力消除装置。

图5a示出了一种支撑中心质量块102和锚定到基板上的锚点104的共振杆100。应力消除环106被设置在该悬架的每一端。图5a中所示的应力消除环具有双重好处，提供应力消除不影响由所应用磁场感应的力，并且还允许该悬架在以更线性的方式工作。

代替该环，可以在共振杆100的每一端形成折叠108，如图4b所示。该折叠108被设置成使得该电流在每个方向流动的距离相等。这保证了由于沿着折叠108流动的电流和所应用磁场的交互而产生的罗伦兹力相抵消。

先前在其他MEMS设备例如加速计中已经使用了各种应力消除结构。例如，图5c示出了一种用于加速计的现有技术的折回杆110，该折回杆110被固定到基板上的两个锚点112。本领域技术人员将不会在磁强计中使用这种折叠悬架，因为罗伦兹力会由于在相反方向上流动的电流(即往返该折叠)而抵消。

因而，图5a和5b中所示类型的应力消除装置的构造解决了与一般磁强计设备和Izham等的设备相关联的多个问题。首先，基板中的应力会引起该杆扭曲并导致该设备故障。该应力可以由该包装和设备之间热不匹配(thermal mismatch)而引起，以及来自该SOI制造的任何残余应力。该应力消除装置防止了这种扭曲发生。第二，固定-固定杆的刚性与幅度不是线性关系，因此导致该共振频率随着振荡幅度而变化。提供应力消除环或折叠减少了这种非线性。

参照图6，示出了根据本发明的设备的制造。

图6a示出了一种SOI基板，包括机械硅层120、牺牲(sacrificial)氧化层122和操作晶片124。如图6b所示，氧化层124沉积在硅层120上并且被蚀刻以形成掩模。参照图6c，显示了如何蚀刻机械硅层120穿过掩模氧化层126并向下到达牺牲氧化层122。然后在图6e所示用金属层128涂覆以形成低电阻导体之前，如图6d所示，通过去除该牺牲氧化物的一部分而释放在机械硅层120上形成的悬挂结构。

图7示出了在SOI晶片上形成的本发明的磁强计的显微照片。该磁强计的应力消除结构由参考标记130表示。

虽然可以方便地应用上面列出的金属化SOI过程，但是也可以使用LIGA的类似过程由电铸金属来制造该设备。实际上，本领域技术人员将会认识到可以用于制造本发明的磁强计的多种技术。

最后，应当注意，该磁强计可以与用于惯性测量单元(IMU)的其他惯性传感器并行制造。因此，单个芯片可以包含加速计、磁强计和陀螺仪或这三个的任意组合。三个这种芯片可以在自由度为6的压缩硅IMU中使用。

Claims (27)

1.一种共振磁强计，包括振荡元件和用于使交流电(AC)流经所述振荡元件的装置，其特征在于，还提供驱动装置，用于向所述振荡元件施加与磁场无关的振荡力。

2.根据权利要求1所述的磁强计，包括感测装置，用于提供依赖于该振荡元件的偏移的电输出信号。

3.根据权利要求2所述的磁强计，其中该驱动装置包括用于接收由该感测装置产生的电信号的正反馈电路。

4.根据权利要求3所述的磁强计，其中该驱动装置提供固定幅度的振荡力。

5.根据权利要求3所述的磁强计，其中该驱动装置被设置成向可调幅度的振荡元件施加振荡力，其中在使用期间调节由该驱动装置施加的振荡力幅度以维持该振荡元件的给定振荡幅度。

6.根据权利要求2-5中任何一个所述的磁强计，其中该用于使AC流经该振荡元件的装置包括设置成接收由该感测装置产生的电输出信号的反馈电路。

7.根据权利要求2-6中任何一个所述的磁强计，其中该感测装置包括设置在基板上并且具有可以随该振荡元件变化的电容的至少一个传感器电极。

8.根据权利要求7所述的磁强计，其中该感测装置包括设置在基板上的多个拉长传感器电极，并且该振荡元件包括与所述多个拉长传感器电极相互交叉的多个拉长电极。

9.根据权利要求8所述的磁强计，其中该振荡元件的电极被维持在预定的直流(DC)极化电压。

10.根据权利要求8所述的磁强计，其中向该振荡元件的电极施加高频AC极化电压。

11.根据权利要求8-10中任何一个所述的磁强计，其中所述多个传感器电极被电连接以形成两个电极组，该两个电极组被设置成提供差分电容拾取器。

12.根据前述任何一个权利要求所述的磁强计，其中该用于使AC流经该振荡元件的装置包括用于改变所述AC幅度的装置。

13.根据前述任何一个权利要求所述的磁强计，其中该驱动装置包括在基板上形成的至少一个驱动电极，用于向该振荡元件静电施加振荡力。

14.根据前述任何一个权利要求所述的磁强计，其中该驱动装置包括在基板上形成的多个第一拉长驱动电极，并且该振荡元件包括多个第二拉长驱动电极，其中该第一拉长驱动电极与该第二拉长驱动电极相互交叉。

15.根据前述任何一个权利要求所述的磁强计，其中该振荡元件包括共振杆。

16.根据前述任何一个权利要求所述的磁强计，其中该振荡元件包括至少两个可弯曲腿部件，所述AC流经所述至少两个可弯曲腿部件中的至少一个。

17.根据权利要求16所述的磁强计，其中该振荡元件包括布置成基本垂直于并互连所述至少两个腿部件的基本刚性的横杆。

18.根据权利要求17所述的磁强计，其中该横杆包括从其上垂直突出的多个拉长电极。

19.根据权利要求17或18所述的磁强计，其中该用于使交流电(AC)流经该振荡元件的装置被设置成，向所述腿部件供给差分AC电压以使得所述横杆接收该预期的极化电压。

20.根据前述任何一个权利要求所述的磁强计，其中该振荡元件被设置成沿与该基板的平面平行的平面中的轴振荡。

21.根据前述任何一个权利要求所述的磁强计，其中该振荡元件包括至少一个应力消除装置。

22.根据权利要求21所述的磁强计，其中该至少一个应力消除装置包括应力消除环。

23.根据前述任何一个权利要求所述的磁强计，其中所述磁强计被形成为微型机电系统(MEMS)。

24.根据前述任何一个权利要求所述的磁强计，其中所述基板和振荡元件包括硅。

25.根据权利要求24所述的磁强计，其中所述基板和振荡元件由绝缘硅(SOI)晶片和玻璃硅(SOG)晶片中任意一种形成。

26.一种惯性测量单元(IMU)，包括至少一个根据前述任何一个权利要求的磁强计。

27.根据权利要求26所述的IMU，其中提供三个磁强计，该三个磁强计中的每个均被设置成沿相互正交的轴检测磁场。

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