[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

说明书

本发明公开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，该电磁感应式微机械磁传感器包括第一谐振结构、第二谐振结构以及两谐振结构间的耦合梁；本发明通过耦合梁将谐振频率为整数比的两个谐振结构连接形成一个内共振耦合谐振系统，该系统能够在某一谐振结构达到谐振非线性后将过载的非线性能量通过内共振原理传递给另一谐振结构并使之谐振，从而通过两个谐振结构的电磁感应式磁感信号输出的叠合提高磁传感器性能，突破传统单一谐振结构型电磁感应式磁传感器难以通过静电驱动力的过载增加提高器件性能的局限性。

技术领域

本发明涉及磁传感器及制备方法，具体涉及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。

背景技术

磁场传感器是生活中常见的传感器件，它能够利用各种物理原理将各种磁信号转变为电信号输出，在消费、工业、军事等方面的应用十分广泛。磁传感器自诞生以来，凭借其优良的稳定性和抗干扰能力，以及能够进行非接触测量等优良特点，受到了业内广泛的关注。20世纪90年代以来，微电子机械的发展让磁场传感器得到了新的发展，一方面磁场传感器更加小型化，另一方面MEMS技术的发展解决了如何在微小尺度下进行磁场测量的问题。并且通过微加工工艺实现了一些微机械磁场传感器，比如利用磁场的洛伦兹力来实现的MEMS磁传感器。基于洛伦兹力的磁场传感器，通过在线圈内施加与谐振结构谐振频率同频的交流电流，使其在外部磁场作用下受到洛伦兹力的作用，从而使激励谐振结构处于谐振状态，随后通过电容检测、压阻检测等方法得出被测磁场的大小。基于洛伦兹力的磁场传感器具有体积小，重量轻，成本低，不存在磁滞和磁饱和等优点，在传感器市场具备广阔的发展前景。但是，为了获得较高的灵敏度，就必须增大线圈中的电流，如此一来便增加了器件的功耗，另外，功耗的增大会带来温度的升高，从而影响器件稳定性。此外，大位移下器件还会呈现出明显的非线性。

为了解决以上洛伦兹力磁传感器出现的问题，近来学界提出了一种基于电磁感应的新型MEMS磁场传感器。该类器件工作时通过闭合线圈的磁通量发生变化，根据电磁感应定律，线圈两端会产生与被测磁场成正比的感应电动势，通过检测感应电动势即可得到被测磁场的大小。此类传感器除了具有洛伦兹力传感器的优点外还具有功耗低，线性度好，检测电路设计简单等优点。

电磁感应式磁场传感器的功能实现需要依赖于谐振结构，而现有的电磁感应式磁场传感器谐振结构都是单谐振结构，例如申请公布号为CN106443525A的发明申请公开的一种扭转式微机械磁场传感器及其制备方法：由于谐振结构的驱动力与振幅在低振幅下呈现线性正比关系，但在大振幅情况下则会存在非线性现象；也即当进一步通过增加静电驱动力提高磁场传感器性能时，传统的电磁感应磁传感器会由于其单一的谐振器而容易进入谐振非线性的振幅饱和状态，因此此种情况的电磁感应式磁场传感器无法通过增加驱动力的方式进一步改进磁场传感器的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器，该微机械磁传感器通过耦合梁将谐振频率为整数比(频率比大于等于2:1)的两个谐振结构连接形成一个内共振耦合谐振系统，该系统能够在某一谐振结构达到谐振非线性后将过载的非线性能量通过内共振原理传递给另一谐振结构并使之谐振，从而通过两个谐振结构的电磁感应式磁场感测信号输出的叠合提高磁传感器性能，突破传统单一谐振结构型电磁感应式磁传感器难以通过静电驱动力的过载增加提高器件性能的局限性。

本发明的另一个目的提供一种内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种内共振耦合的电磁感应式微机械磁传感器，包括第一谐振结构组件、第二谐振结构组件以及两谐振结构间的耦合梁；