[发明专利]一种内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器及制备方法

权利要求书

1.一种内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器，其特征在于，包括第一谐振结构组件、第二谐振结构组件以及耦合在第一谐振结构组件和第二谐振结构组件之间的耦合梁；

所述第一谐振结构组件包括驱动电极、第一谐振结构、第一硅本体绝缘层、第一感应线圈、第一线圈绝缘层以及第一线圈金属层；所述第一硅本体绝缘层设置在第一谐振结构上；所述驱动电极位于第一谐振结构远离第一硅本体绝缘层的一侧；所述第一感应线圈设置在第一硅本体绝缘层上；所述第一线圈绝缘层设置在第一感应线圈上；所述第一线圈金属层设置在第一线圈绝缘层上；

所述第二谐振结构组件包括第二谐振结构、第二硅本体绝缘层、第二感应线圈、第二线圈绝缘层以及第二线圈金属层；所述第二硅本体绝缘层设置在第二谐振结构上；所述第二感应线圈设置在第二硅本体绝缘层上；所述第二线圈绝缘层设置在第二感应线圈上；所述第二线圈金属层设置在第二线圈绝缘层上；

在工作状态下，所述驱动电极以静电驱动方式驱动所述第一谐振结构进入扭转或平动谐振模态；当第一谐振结构处于扭转或平动谐振模态时，在外磁场下第一感应线圈切割磁感线，产生一路正比于外部磁场大小的感应电动势信号；在施加的驱动电压使第一谐振结构接近非线性状态的临界点时，若继续增加静电驱动电压以增加驱动力则第一谐振结构进入非线性的振幅饱和状态；

基于内共振原理，通过耦合梁将过载驱动的第一谐振结构上的谐振非线性的能量传递给第二谐振结构，带动第二谐振结构进行扭转或平动谐振运动，第二感应线圈进行切割磁感线运动，产生新的一路感应电动势信号；通过对两路输出电动势信号分别进行信号处理以及分别转换为直流信号，再将两路直流信号进行加和，从而反映出磁场的强度。

2.根据权利要求1所述的内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器，其特征在于，所述第一谐振结构的固有频率和第二谐振结构的固有频率之比为整数倍；

所述第一谐振结构采用低频结构，所述第二谐振结构采用高频结构；或者所述第一谐振结构采用高频结构，所述第二谐振结构采用低频结构。

3.根据权利要求1所述的内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器，其特征在于，第一谐振结构、第二谐振结构的谐振模态对应的振型相同，同时为扭转谐振模态或者同时为面内平动模态；

若为扭转模态，驱动电极、感应电极应分别设置在第一谐振结构与衬底片之间、第二谐振结构与衬底片之间；

若为面内平动模态，驱动电极、感应电极设置在第一谐振结构、第二谐振结构四周适合结构平动模态驱动与检测的任意位置。

4.根据权利要求1所述的内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器，其特征在于，所述第一谐振结构组件和第二谐振结构组件均还包括锚点和支撑梁；

所述锚点设置在衬底上；

所述支撑梁的一端与锚点固定连接，该支撑梁的另一端与第一谐振结构或第二谐振结构固定连接。

5.根据权利要求1所述的内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器，其特征在于，所述第一感应线圈和第二感应线圈至少为一层；每层第一感应线圈和第二感应线圈的匝数均至少为一匝；

当第一感应线圈为多层时，相邻的两层第一感应线圈之间设有隔离绝缘层；当第二感应线圈为多层时，相邻的两层第二感应线圈之间设有隔离绝缘层；

当第一感应线圈为多匝时，每匝的第一感应线圈的绕向相同；当第二感应线圈为多匝时，每匝的第二感应线圈的绕向相同。

6.根据权利要求1所述的内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器，其特征在于，所述第一谐振结构组件和第二谐振结构组件均至少还包括两个焊盘，

两个焊盘分别与第一感应线圈的两端或者第二感应线圈的两端连接。

7.根据权利要求1所述的内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器，其特征在于，所述第一谐振结构和第二谐振结构的谐振运动方式为扭转运动或平动。

8.一种应用于权利要求1-7任一项所述的内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)准备器件硅片，在器件硅片的表面通过光刻和刻蚀工艺形成空腔结构；

(2)准备衬底片，并在衬底片的表面上制作衬底处绝缘层；

(3)在衬底处绝缘层的表面上沉积一层驱动电极金属层，通过光刻和刻蚀工艺形成驱动电极和衬底处金属层；

(4)将器件硅片的空腔图形侧与衬底片的电极图形侧进行面对面金属介质层共晶键合；

(5)将器件硅片通过刻蚀进行减薄；

(6)在器件硅片的表面沉积一层绝缘层，通过光刻和刻蚀工艺形成第一硅本体绝缘层和第二硅本体绝缘层；

(7)在第一硅本体绝缘层和第二硅本体绝缘层的表面通过沉积和刻蚀工艺分别制作第一感应线圈和第二感应线圈；

(8)在第一感应线圈和第二感应线圈的表面沉积一层绝缘层，通过光刻和刻蚀工艺分别形成第一线圈绝缘层和第二线圈绝缘层；

(9)在第一线圈绝缘层和第二线圈绝缘层沉积一层金属层，通过刻蚀形成第一线圈金属层和第二线圈金属层；

(10)蚀刻器件硅片形成耦合梁连接两谐振结构的内共振耦合谐振结构。