[发明专利]微机械磁场传感器及其应用

说明书

技术领域

本发明属于微机械磁场传感器设计与检测技术领域，涉及一种磁场传感器，特别是涉及一种工作在扩张模态下微机械磁场传感器及其电路结构。

背景技术

通过感应地球磁场辨识方向或为舰船导航，特别是在航海、航天、自动化控制、军事以及消费电子领域，磁场传感器的应用越来越广泛。磁场传感技术向着小型化、低功耗、高灵敏度、高分辨率以及和电子设备兼容的方向发展。根据工作原理磁场传感器可以分为：超导量子干涉磁场传感器、霍尔磁场传感器、磁通门磁力计、巨磁阻磁场传感器以及感应线圈磁场传感器。

超导量子干涉磁场传感器在所有磁场传感器中灵敏度最高，但其结构复杂、体积庞大、价格昂贵且需要工作在低温环境下；霍尔磁场传感器功耗低、尺寸小，可以测量静态或者动态磁场，但其灵敏度低，噪声水平及静态偏移较大；磁通门磁力计用来测量静态或者缓慢变化的磁场，分辨率高、功耗小，但体积较大、频率响应较低；巨磁阻磁场传感器灵敏度高，但是不能测量大的磁场；感应线圈磁场传感器是基于法拉第电磁感应定律来探测变化的磁场，它的功耗低，结构简单（A. L. Herrera-May, L. A. Aguilera-Corts, P. J. Garca-Ramrez and E. Manjarrez, “Resonant magnetic field sensors based on MEMS technology”, Sensors, vol. 9, no. 10, pp.7785-7813, 2009.）。

利用MEMS（Micro Electro Mechanical system，微电子机械系统）技术制作的感应线圈磁场传感器结构简单，易于加工，与CMOS IC（Complementary Metal Oxide Semiconductor Integrated Circuit，互补金属氧化物半导体集成电路）工艺相兼容。MEMS磁场传感器具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点。MEMS技术的发展，使芯片上的微结构加工成为可能，同时降低了微机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务，这样促进了磁场传感器的发展。

目前，MEMS结构的磁场传感器主要工作原理是：通有电流的感应线圈受到磁场作用的洛伦兹力后，引起支撑线圈的结构发生弯曲或者扭转，通过电容检测或者压阻检测、光学检测等方法测量出支撑线圈结构的扭转变形量或者弯曲变形量，就可以检测出磁场信号的大小。这些器件一般是将感应线圈制作在悬臂梁、U型梁或者可以弯曲或扭转的平板上。器件工作时，将器件放置在磁场中，并在感应线圈上通入电流。感应线圈就会受到洛伦兹力，洛伦兹力会引起悬臂梁、U型梁或者平板的弯曲或者扭转。通过测量悬臂梁、U型梁或者平板弯曲量或者扭转量的大小，就可以检测出磁场的大小。但是，由于这些器件工作都需要给感应线圈通入电流，因而他们的功耗比较大；另外这些器件一般工作在弯曲模态或者扭转模态，因而它们工作的谐振频率较低。

进一步，为了降低功耗和结构复杂度，MEMS结构的磁场传感器，还可以采用工作在扩张模态（为体模态的一种情况）下的谐振振子结构上加载金属线圈来实现。所述谐振振子可以是方形板、圆环板或者圆形板结构。图1a至图1c是工作在体模态的几种谐振振子结构的模态示意图，其中，虚线表示谐振振子结构在工作（谐振状态）时外部轮廓的形变趋势，图1a为工作在Square Extensional (SE)模态的方形板谐振振子结构，图1b为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆形板谐振振子结构，图1c为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆环板谐振振子结构。 但是该磁场传感器中的微机械磁场传感器是静电驱动的器件，由于输入信号与输出端口之间存在寄生电容，因此测量的输出信号中包含有由容性耦合引起的容性耦合信号。现有技术中，一般通过减小输入信号与输出端口之间寄生电容，从而减小容性耦合的影响。然而，这种方法只能减小容性耦合信号，并不能完全消除它，换言之，在输出信号中仍然存在容性耦合信号，无法得到单纯的磁场输出信号。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微机械磁场传感器，用于解决现有技术中微机械磁场传感器的输出信号无法消除容性耦合信号影响的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微机械磁场传感器，所述微机械磁场传感器至少包括：谐振振子对和依次形成于其表面上的绝缘层及金属线圈；其中，

所述谐振振子对包括：