[发明专利]一种扭摆式微型磁敏感器

说明书

技术领域

本发明属于传感器制造技术领域，尤其涉及一种扭摆式微型磁敏感器。

背景技术

磁敏感器在工业、农业、国防、生物、医学、航空航天等领域具有极为广泛的应用，如工业和装备领域的管道探测、磁探伤、剩磁测量、磁悬浮列车、磁性扫雷、舰船消磁、武器搜索、导弹磁导以及爆炸物探测和磁导航；另外，在生物及医学领域的血清磁化率、心磁图、脑磁图检测等方面也都有重要应用。随着需求的不断扩展和提高，迫切需要研制出更高精度、更小尺寸、并能够满足弱磁场检测的传感器。

高灵敏度微型磁敏感器是一种基于MEMS微加工技术、具有扭摆结构的谐振式磁敏感器，它具有体积小、灵敏度高、价格低廉等优点。其工作原理如下：通有交流电流的金属线圈在被测磁场中受到交变洛仑兹力的作用，该洛仑兹力使低阻硅片上的可动结构处于绕扭梁扭转的谐振状态，因此扭摆与玻璃基底上金属极板的距离产生微小变化，最终导致检测电容值在静态值附近产生交流变化。该检测电容变化幅值便可以反映外界被测磁场强度。

磁导航定姿技术是此类磁敏感器一个非常重要的应用前景。飞行器以及船只可以通过安置在其主体上的3个高灵敏度微型磁敏感器来实现其导航方向以及姿态的控制。每个磁敏感器都对某一特定方向的磁场敏感，因此通过合理布置3个磁敏感器使其分别敏感3个正交方向的磁场强度，便可以测得所在位置的地磁场大小以及方向，从而实现飞行器以及船只的导航及姿态控制。

目前国内还没有研制出高灵敏度微型磁敏感器。从查阅的外文资料看，国外只有美国、英国以及荷兰研制出类似的磁敏感器，但是这些传感器大都加工工序复杂，驱动力矩有限。因此其成品制成率较低，分辨率不足，并没有得到产品化。

1997年，美国加州理工学院和加州大学设计了扭摆式结构、压阻检测谐振式磁强计。该磁强计是在扭摆表面制作金属线圈，并通过L形梁中制作的压敏电阻，构成惠斯通电桥来检测外界磁场变化。但是由于压敏电阻对温度等环境变化十分敏感，该磁强计灵敏度不高，且制作难度比较大。

另外，荷兰代夫特理工大学也研制出类似的扭摆式微型谐振磁敏感器。但是其扭摆上只制作有一层线圈，其驱动能力不足。且其扭梁的结构为普通直梁，具有较大的刚度，能够实现的扭转角度范围有限，从而使系统的灵敏度非常有限。而且，为了实现检测电容结构而制作的金属上极板在引线以及封装方面都存在较大的难度，使得器件在工艺上实现较为困难，加工成品率较低。

发明内容

本发明的目的在于解决现有微型磁敏感器灵敏度有限、加工难度大的问题。

本发明的技术方案是，一种扭摆式微型磁敏感器，包括表头芯片和检测控制电路两部分，其特征是，所述表头芯片由低阻硅片和玻璃基底键合而成；所述检测控制电路包括高频调制模块、一次同步解调模块、锁相环和二次同步解调模块；

所述低阻硅片由可动结构和支座构成；

所述低阻硅片的可动结构包括扭摆、两根折叠梁、应力释放结构和阻尼孔，可动结构通过固结在支座上的两根折叠梁扭摆运动；

所述可动结构上面加工有上层金属线圈、下层金属线圈、T字型开口和SiNx绝缘层；

所述上层金属线圈从可动结构的一端通过一根折叠梁引入扭摆结构表面，在扭摆表面从外向内逐匝盘绕；

所述下层金属线圈从内向外逐匝盘绕，并从可动结构的另一端通过另一根折叠梁引出扭摆结构表面，

所述上层金属线圈与所述下层金属线圈的盘绕方式相同，同为顺时针方向或者逆时针方向；两层金属线圈被中间留有T字形开口的SiNx绝缘层隔开，并通过中间的T字型开口实现电气连接；同时，两层金属线圈还通过两根折叠梁分别与支座上的金属线圈引线电极相连；

所述阻尼孔位于所述扭摆上；

所述玻璃基底上包含金属极板、金属极板引线电极和硅引线电极；

所述支座与玻璃基底的硅引线电极相连，并使可动结构与玻璃基底脱离，成悬空状态，所述扭摆与玻璃基底具有5um-20um的间隙。

所述扭摆的厚度为50um-70um。

所述上层金属线圈的材料为金，厚度为0.8um-1.5um；所述下层金属线圈材料为金，厚度为0.8um-1.5um。

所述金属引线电极与金属极板相连。

所述金属引线电极通过金丝与检测控制电路相连。

所述硅引线电极上键合金丝引线；所述金属极板引线电极上键合金丝引线；硅引线电极、金属极板引线电极和金丝引线的材料均为金。

所述低阻硅片的主体材料为电阻率在0.001～0.004Ω·cm的单晶硅。

所述金属极板为两个差动变化电容的固定极板。