专利名称：微机械磁场传感器及其应用的制作方法
微机械磁场传感器及其应用技术领域
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Ia至图Ic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 Ia为工作在Square Extensional (SE)模态的方形板谐振振子结构，图Ib为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆形板谐振振子结构，图Ic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
两个具有轴对称结构的谐振振子结构，各该谐振振子结构的对称轴至少包括第一对称轴和第二对称轴，且所述的第一对称轴垂直于第二对称轴；
主支撑梁，位于所述第一对称轴上，两个谐振振子结构通过各自的主支撑梁相互耦合连接；
第一锚点，与所述主支撑梁的自由端相连接，其中，二谐振振子结构的第一锚点通过形成在其上的焊盘分别连接输出端；
驱动电极，分别分布于各该谐振振子结构的相对侧，且与各该谐振振子结构之间形成有驱动间隙，所述驱动电极通过电阻连接至直流电源，且所述驱动电极通过电容连接至交流电源；
所述绝缘层形成于所述谐振振子对的谐振振子结构及主支撑梁的上表面，同时， 所述第一锚点与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层；
所述金属线圈分别形成于各该谐振振子结构上的绝缘层上，所述金属线圈为藉由其对应的所述绝缘层中心为始端由内向外环绕的金属线圈，其中，一谐振振子结构上的金属线圈为顺时针环绕，另一振振子结构上的金属线圈为逆时针环绕；各该金属线圈的始端通过第一连接桥连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且各该金属线圈的末端通过第二连接桥相互连接于耦合连接的主支撑梁上的第一绝缘层上，或者各该金属线圈的末端通过第二连接桥连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且各该金属线圈的始端通过第一连接桥相互连接于耦合连接的主支撑梁上的第一绝缘层上；各该第一连接桥与位于其下的各该金属线圈之间形成有绝缘层。
可选的，所述谐振振子对还包括一端连接于相互耦合连接的所述主支撑梁上的第一耦合梁、及连接于所述第一耦合梁另一端的第二锚点，其中，所述第二锚点通过形成在其上的焊盘接地，所述第一耦合梁上表面、及所述第二锚点与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层。
可选的，各该金属线圈的末端通过第二连接桥经过相互耦合连接的主支撑梁及第一耦合梁上的第一绝缘层连接于所述第二锚点上的焊盘；或者各该金属线圈的始端通过第一连接桥经过相互耦合连接的主支撑梁及第一耦合梁上的第一绝缘层连接于所述第二锚点上的焊盘。
可选的，所述谐振振子结构为矩形板、圆形板或圆环形板。
可选的，所述第一耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。
可选的，所述谐振振子对还包括第二耦合梁，所述第二耦合梁也连接于所述位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁上，且所述第二耦合梁连接有第三锚点；其中，所述第二耦合梁与所述第一耦合梁分别分布于所述第一对称轴两侧。
可选的，所述第二耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。
可选的，所述谐振振子结构为矩形板时，所述第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边。
可选的，所述谐振振子结构为正方形板时，所述第一对称轴和第二对称轴分别为正方形板两对角线的延长线。
可选的，所述谐振振子对还包括位于所述第二对称轴上且一端连接于所述谐振振子结构的旁支撑梁、以及连接于所述旁支撑梁另一端的第四锚点。
可选的，所述金属线圈为多层，各层所述金属线圈相互串联，且各层所述金属线圈具有相同的绕向，各层金属线圈之间形成有绝缘层。
可选的，所述金属线圈串联的方式为连续的第偶数层和第奇数层所述金属线圈的末端相连、以及连续的第奇数层和第偶数层所述金属线圈的始端相连，且各该相互串联的金属线圈之间除了相连处外具有绝缘层。
可选的，所述金属线圈与位于其下的绝缘层之间形成有支撑所述金属线圈悬空于所述绝缘层之上的金属支撑柱。
可选的,所述金属线圈为一圈,所述金属线圈为圆形或矩形。
可选的，所述金属线圈为多圈，所述金属线圈为圆形螺旋状或矩形螺旋状。
本发明还提供一种微机械磁场传感器的电路结构,所述电路结构至少包括锁相环电路、所述的微机械磁场传感器、差分电压放大器及电压跟随器，其中，所述锁相环电路包括压控振荡器、鉴相器和低通滤波器；
用于产生与所述微机械磁场传感器谐振频率相同的交流信号的所述压控振荡器的输出端分别连接所述微机械磁场传感器的交流电源输入端及所述鉴相器的一个输入端， 其中，所述压控振荡器输出的交流信号作为所述鉴相器的基准信号，所述微机械磁场传感器的直流电源输入端还连接有一直流电压；
用于产生感生电压的所述微机械磁场传感器的输出端连接所述差分电压放大器的输入端；
用于将所述感生电压放大的所述差分电压放大器的输出端连接所述鉴相器的另一个输入端，其中，所述差分电压放大器输出的经放大的感生电压信号作为测量信号；
用于鉴别所述测量信号与基准信号之间相位差的所述鉴相器的输出端连接所述低通滤波器的输入端；
用于滤除所述鉴相器输出信号中交流部分的所述低通滤波器的输出端连接所述压控振荡器的控制端及所述电压跟随器的输入端，其中，所述低通滤波器输出的直流信号作为所述压控振荡器的控制电压信号，用于保证整个锁相环电路处于稳定工作状态；
所述电压跟随器的输出端连接外部测量设备，其中，所述电压跟随器输出的直流电压信号的大小表征所述微机械磁场传感器待测磁场的大小。
如上所述，本发明的微机械磁场传感器，具有以下有益效果
I)本发明采用耦合梁将两个谐振振子结构耦合起来形成谐振振子对，利用单端电容激励和电磁感应来测量磁场大小，其中，两个谐振振子结构工作在同相位模式，各该谐振振子结构上的金属线圈环绕方向相反，两个谐振振子结构上的金属线圈产生的感应电动势相互串联；由于采用了差分方式输出，则两个差分输出信号与输入驱动信号之间形成两个容性耦合信号，又由于这两个容性耦合信号大小相等，则差分方式输出会消除输出信号中的容性耦合信号，从而，以获得了单纯的磁场输出信号，实现了微机械磁场传感器的单纯的磁场输出信号检测；
2)本发明利用耦合结构将两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，从而保证了整个微机械磁场传感器具有单一的谐振频率；
3)本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互串联叠加，增强了输出信号的强度；本发明的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的灵敏度；
4)本发明还可以通过金属支撑柱使金属线圈悬于所述谐振振子之上，从而减小在高频情况下谐振振子结构与金属线圈之间信号相互串扰的问题；
5)本发明结构简单，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗；同时通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小，因此受温度影响小；而且由于本发明采用了两个谐振振子结构，进一步增强了输出信号的强度，也提高了输出信号的灵敏度。


图Ia至图Ic显示为现有技术中的工作在体模态的几种谐振振子结构的模态示意图，其中，图Ia为工作在Square Extensional (SE)模态的方形板谐振振子结构，图Ib 为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆形板谐振振子结构，图Ic为工作在Radial Extensional (RE)模态的圆环板谐振振子结构。
图2a显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例一中的测试电路示意图，其中， 所述谐振振子结构为SE模态正方形板。
图2b显示为本发明的微机械磁场传感器谐振振子对的一种相关结构示意图。
图2c显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例一中其谐振振子对的相关结构示意图。
图2d显示为本发明的微机械磁场传感器的电路结构在实施例一中示意图。
图3a显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例二中的测试电路示意图，其中， 所述谐振振子结构为Width Extensional (WE)模态矩形板。
图3b显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例二中其谐振振子对的相关结构示意图。
图4a显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例三中的测试电路示意图其中， 所述谐振振子结构为RE模态圆形板。
图4b显示为本发明的微机械磁场传感器在实施例三中其谐振振子对的相关结构示意图。
元件标号说明
I谐振振子结构
21主支撑梁
22旁支撑梁
31第一耦合梁
32第二耦合梁
41第一锚点
42第二锚点
43第三锚点
44第四锚点
5驱动电极
6绝缘层
7金属线圈
81第一连接桥
82第二连接桥
Vp直流电源
Vin交流电源
Vout电压输出端
R 电阻
C 电容
91压控振荡器
93微机械磁场传感器
94差分电压放大器
95鉴相器
96低通滤波器
97电压跟随器具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图2a至图4b。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
如图2a至2c所示，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6及金属线圈7，其中，所述谐振振子对包括谐振振子结构I、主支撑梁21、第一锚点41和驱动电极5。在本实施例一中，所述谐振振子对还包括第一耦合梁31及第二锚点42。
所述谐振振子结构I为两个且均为轴对称结构，各该谐振振子结构I的对称轴至少包括第一对称轴和第二对称轴，且所述的第一对称轴垂直于第二对称轴。所述谐振振子结构I的材料为单晶硅、多晶硅、非晶硅或碳化硅。需要说明的是，所述谐振振子结构I为矩形板、圆形板或圆环形板。当所述谐振振子结构I为矩形板时，所述第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边，优选地，所述谐振振子结构I为正方形板；进一步，所述谐振振子结构I 为正方形板时，所述第一对称轴和第二对称轴还可以分别为所述正方形板两条对角线的延长线
具体地，在本实施例一中，如图2c所示，两个所述谐振振子结构I为单晶硅正方形板，正方形板谐振振子结构I的第一对称轴和第二对称轴分别为正方形板两对角线的延长线，即主支撑梁21连接于正方形板谐振振子结构I的角部，图2c中各该谐振振子结构I的虚线表示各该谐振振子结构I在工作(谐振状态)时外部轮廓的形变趋势。
所述主支撑梁21位于所述第一对称轴上，且两个所述谐振振子结构I通过各自的主支撑梁21相互耦合连接。具体地，在本实施例一中，所述主支撑梁21为两个，各该单晶硅正方形板谐振振子结构I通过各自的一个主支撑梁21相互耦合连接。
需要说明的是，本实施例一中，所述谐振振子对还包括第一耦合梁31和第二锚点 42，但并不局限与此，在另一实施例中，所述谐振振子对可以不包括所述第一耦合梁31和第二锚点42 (请参阅图2b)。其中，所述第一耦合梁31的一端连接于相互连接的所述主支撑梁21上，其中，所述第一耦合梁31为直拉梁或弯曲折叠梁。具体地，在本实施例一中，如图2c所示，所述第一耦合梁31为弯曲折叠梁。
所述第二锚点42连接于所述第一耦合梁31的另一端，其中，所述第二锚点42形成有焊盘(如图2a中第一锚点上填充有交叉网格处所示)，且所述第二锚点42通过所述的焊盘接地。
所述第一锚点41与所述主支撑梁21的自由端相连接，其中，所述第一锚点41形成有焊盘(如图2a中第二锚点上填充有交叉网格处所示)，二谐振振子结构I的第一锚点41 通过形成在其上的焊盘分别连接电压输出端Vtjut,即采用差分方式输出方式测得该感应电动势Vtjut进而测量待测磁场大小。
所述驱动电极5分别分布于各该谐振振子结构I的相对侧，且与各该谐振振子结 I之间形成有驱动间隙，所述驱动电极5通过电阻R连接至直流电源Vp，且所述驱动电极5 通过电容C连接至交流电源vin，以使两个谐振振子结构为单端电容激励驱动方式(请参阅图2a)，则两个谐振振子结构I工作在同相位模式。同时，由于采用了差分方式输出，则两个差分输出信号与输入驱动信号之间形成两个容性耦合信号，又由于这两个容性耦合信号大小相等，则差分方式输出会消除输出信号中的容性耦合信号，从而，以获得了单纯的磁场输出信号，实现了微机械磁场传感器的单纯的磁场输出信号检测。
优选地，在本实施例一中，如图2a所示，所述驱动电极5为两个位于各该正方形板谐振振子结构I的相对侧，并且所述驱动电极5与谐振振子结构I之间形成有驱动间隙，如图2c所示，所述驱动电极5为两对，且每对分别对称分布于各该正方形板谐振振子结构I 的相对侧，即每对所述驱动电极5分别对称分布于各该正方形板谐振振子结构I的边相对侧，但并不局限于此，在另一实施例中所述驱动电极可以只为一对，且分布于各该正方形板谐振振子结构I的相对侧。
需要说明的是，如图2c所示，在在本实施例一中，所述谐振振子对还包括第二耦合梁32，所述第二耦合梁32也连接于所述位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁21上， 且所述第二耦合梁32连接有第三锚点43，优选地，如图2c所示，所述第二耦合梁32与所述第一稱合梁31对称分布于所述第一对称轴两侧。
需要进一步说明的是，在本实施例一中，如图2a及2c所示，所述谐振振子对还包括旁支撑梁22和第四锚点44，其中，所述旁支撑梁22位于所述第二对称轴上，且其一端连接于谐振振子结构1，其另一端连接于第四锚点44，即所述旁支撑梁22连接于正方形板谐振振子结构I的角部，但不局限于此，在另一实施例中，所述谐振振子对也可以不含所述旁支撑梁和第四锚点。进一步，如图2a及2c所示，在本实施例一中，所示地四锚点44通过位于其上的焊盘接地，但并不局限于此，所示第四锚点上的焊盘也可以不接地。
所述绝缘层6形成于所述谐振振子对的谐振振子结构I及主支撑梁21的上表面， 同时，所述第一锚点41与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层6，具体地，在本实施例一中，所述第一耦合梁31上表面也形成有绝缘层6，所述第二锚点42与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层6。优选的，所述谐振振子结构I、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41 及第二锚点42形成于同一平面内，则所述绝缘层形成于该平面的上表面上。进一步，在本实施例一中，所述谐振振子对还包括第二耦合梁32、第三锚点43、旁支撑梁22和第四锚点 44，如图2a所示，所述第二耦合梁32、第三锚点43和旁支撑梁22上均没有绝缘层6，所述第四锚点44与形成在其上的焊盘之间形成有绝缘层6，但并不局限与此，在另一实施例中， 所述第二耦合梁32、第三锚点43、旁支撑梁22上也可以有绝缘层6，所述第四锚点44上无焊盘时，也可以没有绝缘层6。
所述金属线圈7分别形成于各该谐振振子结构I上的绝缘层6上，所述金属线圈 7为藉由其对应的所述绝缘层6中心为始端由内向外环绕的金属线圈，其中，一谐振振子结构I上的金属线圈7为顺时针环绕，另一振振子结构I上的金属线圈7为逆时针环绕。由于各该谐振振子结构I上的金属线圈环绕方向相反；又由于两个谐振振子结构I被单端电容激励，工作在同相位模式，则两个谐振振子结构I上的金属线圈7产生的感应电动势相互串联。
在本实施例一中，如图2a所示，一谐振振子结构I上的金属线圈7为顺时针环绕， 另一振振子结构I上的金属线圈7为逆时针环绕；各该金属线圈7的末端通过第二连接桥 82连接于其对应的第一锚点41上的焊盘、且各该金属线圈7的始端通过第一连接桥81经相互耦合连接的主支撑梁21及第一耦合梁31上的绝缘层6连接于所述第二锚点42上的焊盘，此时，所述第二连接桥82位于与第一锚点41相连接的主支撑梁21上的绝缘层6上； 同时，各该第一连接桥81与位于其下的各该金属线圈7之间形成有绝缘层6，其中，所述第一连接桥81 —端穿过位于其下的绝缘层6连接至所述金属线圈7的始端,所述第一连接桥 81的另一端连接至第二锚点42上的焊盘，此时，所述第一连接桥81位于金属线圈7、相互耦合连接的主支撑梁21及第一耦合梁31上的绝缘层6上；所述金属线圈7、第一连接桥81 及第二连接桥82的材质为金，但并不局限与此，三者的材料可以相同也可以互不相同，但三者为保证良好的电学连接则三者的材料选自金、铜或招。
需要说明的是，所述金属线圈连接至第一锚点及第二锚点上的焊盘的方式并不局限于此。在另一实施例中(未图示)，各该金属线圈的始端通过第一连接桥连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且各该金属线圈的末端通过第二连接桥经相互耦合连接的主支撑梁及第一耦合梁上的绝缘层连接于所述第二锚点上的焊盘；同时，各该第一连接桥与位于其下的各该金属线圈之间形成有绝缘层，其中，所述第一连接桥一端穿过位于其下的绝缘层连接至所述金属线圈的始端，所述第一连接桥的另一端连接至第一锚点上的焊盘。
需要指出的是，所述金属线圈可以为一层也可以为多层；当所述金属线圈为多层时，各层所述金属线圈相互串联，且各层所述金属线圈具有相同的绕向，各层金属线圈之间还形成有绝缘层，其中，所述金属线圈串联的方式为连续的第偶数层和第奇数层所述金属线圈的末端相连、以及连续的第奇数层和第偶数层所述金属线圈的始端相连，以保证各层为相同绕向，且各该相互串联的金属线圈之间除了相连处外具有绝缘层。以三层金属线圈均为顺时针环绕为例进行说明第一层金属线圈以中心为始端由内向外顺时针环绕，第二层金属线圈与第一层金属线圈的末端相连，且所述第二层金属线圈以末端由外向内顺时针环绕，此时，第一层金属线圈与第二层金属线圈的绕向相同，而后，第三层金属线圈与第二层金属线圈的中心始端相连，且第三层金属线圈以中心为始端由内向外顺时针环绕，此时， 第一层、第二层及第三层的金属线圈的绕向均相同。
需要进一步指出的是，所述金属线圈可以直接形成于所述绝缘层上，也可以所述金属线圈与位于其下的绝缘层之间还形成有支撑所述金属线圈悬空于所述绝缘层之上的金属支撑柱，其中，所述支撑柱与线圈为同材料，均选自金、铜或铝。当通过金属支撑柱使金属线圈悬于所述谐振振子之上时，可减小在高频情况下所述谐振振子结构与金属线圈之间信号相互串扰的问题。
需要说明的是，所述金属线圈的圈数为一圈(未封闭)，所述金属线圈为圆形或矩形；所述金属线圈还可为多圈，所述金属线圈为圆形螺旋状或矩形螺旋状，但需要保证位于各该谐振振子结构I的形状与位于其上的金属线圈的形状保持一致。
具体地，如图2a所示，在本实施例一中，所述金属线圈为一层、直接形成于所述绝缘层6上的正方形螺旋状金属线圈7。
为使本领域技术人员进一步理解本发明的微机械磁场传感器的实施方式，以下将详细说明本发明的微机械磁场传感器的具体工作步骤及工作原理。
本发明的工作原理如下
本发明提出的微机械磁场传感器在形成谐振振子对的两个谐振振子结构上加载金属线圈来实现。本发明利用单端电容激励驱动两个谐振振子结构进入谐振状态，当传感器位于被测磁场中时，谐振振子振动会带动金属线圈运动，金属线圈切割磁感线，在金属线圈两端产生感应电动势，采用差分方式输出方式测量金属线圈两端的感应电动势进而测量被测磁场的大小。
本发明的工作步骤为
a)将所述微机械磁场传感器置于被测磁场中；
b)在微机械磁场传感器的驱动电极5上同时施加由直流电源Vp和交流电源Vin提供的相叠加的驱动信号，以使两个谐振振子结构为单端电容激励驱动方式；
c)当施加的交流信号的频率等于微机械磁场传感器自身的谐振频率时，微机械磁场传感器就处于谐振工作状态，谐振振子振动带动位于其上的金属线圈运动，金属线圈切割磁感线，此时，测量金属线圈两端产生的感应电动势从而得出被测磁场的大小。
本法明还提供一种微机械磁场传感器的电路结构，在本实施例一中，如图2d所示，所述电路结构至少包括锁相环电路、微机械磁场传感器93、差分电压放大器94及电压跟随器97，其中，所述锁相环电路包括压控振荡器91、鉴相器95和低通滤波器96。
用于产生与所述微机械磁场传感器93谐振频率相同的交流信号的所述压控振荡器91的输出端，分别连接所述微机械磁场传感器93的交流电源输入端(Vin)及所述鉴相器 95的一个输入端,其中，所述压控振荡器91输出的交流信号作为所述鉴相器95的基准信号，所述微机械磁场传感器93的直流电源输入端还连接有一直流电压\。
用于产生感生电压的所述微机械磁场传感器93的输出端连接所述差分电压放大器94的输入端。
用于将所述感生电压放大的所述差分电压放大器94的输出端连接所述鉴相器95 的另一个输入端，其中，所述差分电压放大器94输出的经放大的感生电压信号作为测量信号。
用于鉴别所述测量信号与基准信号之间相位差的所述鉴相器95的输出端连接所述低通滤波器96的输入端。
用于滤除所述鉴相器95输出信号中交流部分的所述低通滤波器96的输出端连接所述压控振荡器91的控制端及所述电压跟随器97的输入端，其中，所述低通滤波器96输出的直流信号作为所述压控振荡器91的控制电压信号，用于保证整个锁相环电路处于稳定工作状态。
所述电压跟随器97的输出端连接外部测量设备(未图示)，其中，所述电压跟随器 97输出的直流电压信号的大小表征所述微机械磁场传感器93待测磁场的大小。
所述微机械磁场传感器的电路结构的具体工作原理如下通过锁相环电路中的压控振荡器(VCO) 91产生一个与微机械磁场传感器93谐振频率相同的交流信号；将压控振荡器91输出的交流信号与直流电压Vp叠加后激励微机械磁场传感器93工作；微机械磁场传感器93的感生电压通过差分电压放大器(Amplifier)94进行放大；将压控振荡器91输出的频率信号作为基准频率，差分电压放大器94的输出作为测量信号，利用鉴相器95鉴别测量信号与基准信号之间的相位差；将鉴相器95的输出信号接入低通滤波器(Low-pass Filter) 96，滤除该信号中的交流部分，得到与待测磁场信号幅度相关的直流信号；将低通滤波器96输出的直流信号作为压控振荡器91的控制电压信号，从而保证整个锁相环电路处于稳定工作状态；低通滤波器96输出的反映待测磁场信号幅度大小的直流信号通过电压跟随器(Buffer Amplifier) 97与外部测量设备进行连接，该最终输出的直流电压信号 Vout的大小即表征所述微机械磁场传感器93待测磁场的大小。
与传统的微机械磁场传感器相比，本发明的微机械磁场传感器具有以下有益效果
I)本发明采用耦合梁将两个谐振振子结构耦合起来形成谐振振子对，利用单端电容激励和电磁感应来测量磁场大小，其中，两个谐振振子结构工作在同相位模式，各该谐振振子结构上的金属线圈环绕方向相反，两个谐振振子结构上的金属线圈产生的感应电动势相互串联；由于采用了差分方式输出，则两个差分输出信号与输入驱动信号之间形成两个容性耦合信号，又由于这两个容性耦合信号大小相等，则差分方式输出会消除输出信号中的容性耦合信号，从而，以获得了单纯的磁场输出信号，实现了微机械磁场传感器的单纯的磁场输出信号检测；
2)本发明利用耦合结构将两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，从而保证了整个微机械磁场传感器具有单一的谐振频率；
3)本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互串联叠加，增强了输出信号的强度；本发明的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的灵敏度；
4)本发明还可以通过金属支撑柱使金属线圈悬于所述谐振振子之上，从而减小在高频情况下谐振振子结构与金属线圈之间信号相互串扰的问题；
5)本发明结构简单，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗；同时通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小，因此受温度影响小；而且由于本发明采用了两个谐振振子结构，进一步增强了输出信号的强度，也提高了输出信号的灵敏度。
实施例二
实施例二与实施例一的技术方案基本相同，不同之处主要在于实施例一中所述谐振振子结构为正方形板，且所述谐振振子对包括第一耦合梁、第二锚点、第二耦合梁及第三锚点；本实施例二中，所述谐振振子结构为矩形板，且所述谐振振子对不包括第一耦合梁、第二锚点、第二耦合梁及第三锚点，所述谐振振子对中(结构、制作方法及工作原理)的其余相同之处请参阅实施例一的相关描述，在此不再一一赘述。
如图3a和3b所不,本实施例二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6及金属线圈7，其中，所述谐振振子对包括矩形板谐振振子结构I、主支撑梁21、第一锚点41和驱动电极5，但并不局限于此，在另一实施例中，各该谐振振子对中也可以包括一端连接于相互连接的所述主支撑梁上的第一耦合梁、连接于所述第一耦合梁的另一端的第二锚点，进一步，各该谐振振子对中还可以包括连接于所述位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁上第二耦合梁及连接所述第二耦合梁的第三锚点。
所述矩形板谐振振子结构I为碳化硅，其第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边。在本实施例二中，如图3b所示，所述第一对称轴平行于矩形板的长边，即主支撑梁21 连接于矩形板谐振振子结构I的宽边。
所述第一锚点41与所述主支撑梁21的自由端相连接，其中，所述第一锚点41形成有焊盘(如图3a中第二锚点上填充有交叉网格处所示)，二谐振振子结构I的第一锚点41 通过形成在其上的焊盘分别连接电压输出端Vwt (如图3a所示)，即采用差分方式输出方式测得该感应电动势Vtjut进而测量待测磁场大小。
所述驱动电极5分别分布于各该矩形板谐振振子结构I的相对侧，并且所述驱动电机5与谐振振子结构I形成有驱动间隙，在本实施例二中，如图3a所示，所述驱动电极5 为两个，且对称分布于各该矩形板谐振振子结构I的第一对称轴的两侧，即所述驱动电极5 对称分布于各该矩形板谐振振子结构I的长边相对侧。需要说明的是，在另一实施例中，所述矩形板谐振振子结构还可优选为正方形板。
所述绝缘层6形成于所述谐振振子对的谐振振子结构I及主支撑梁21的上表面， 同时，所述第一锚点41与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层6。优选的，所述谐振振子结构I、主支撑梁21及第一锚点41形成于同一平面内，则所述绝缘层形成于该平面的上表面上。进一步，在另一实施例中，当各该谐振振子对中包括所述第二耦合梁32和第三锚点43 时，则所述第二耦合梁32和第三锚点43上可以形成有绝缘层6，也可以没有绝缘层6。
所述金属线圈7的相关描述请参阅实施例一，不同之处在于，所述金属线圈7的形状为矩形螺旋状，如图3a所示。
本实施例二的微机械磁场传感器的电路结构(未图示)与实施例一基本相同，区别仅在于本实施例二与实施例一的微机械磁场传感器的结构不相同，其余相同之处请参阅实施例一中的相关描述。
与传统的微机械磁场传感器相比，本发明的微机械磁场传感器具有以下有益效果
I)本发明采用耦合梁将两个谐振振子结构耦合起来形成谐振振子对，利用单端电容激励和电磁感应来测量磁场大小，其中，两个谐振振子结构工作在同相位模式，各该谐振振子结构上的金属线圈环绕方向相反，两个谐振振子结构上的金属线圈产生的感应电动势相互串联；由于采用了差分方式输出，则两个差分输出信号与输入驱动信号之间形成两个容性耦合信号，又由于这两个容性耦合信号大小相等，则差分方式输出会消除输出信号中的容性耦合信号，从而，以获得了单纯的磁场输出信号，实现了微机械磁场传感器的单纯的磁场输出信号检测；
2)本发明利用耦合结构将两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，从而保证了整个微机械磁场传感器具有单一的谐振频率；
3)本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互串联叠加，增强了输出信号的强度；本发明的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的灵敏度；
4)本发明还可以通过金属支撑柱使金属线圈悬于所述谐振振子之上，从而减小在高频情况下谐振振子结构与金属线圈之间信号相互串扰的问题；
5)本发明结构简单，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗；同时通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小，因此受温度影响小；而且由于本发明采用了两个谐振振子结构，进一步增强了输出信号的强度，也提高了输出信号的灵敏度。
实施例三
实施例三与实施例一的技术方案基本相同，不同之处主要在于实施例一中所述谐振振子结构为正方形板；本实施例三中，所述谐振振子结构为圆形板，谐振振子对中(结构、制作方法及工作原理)其余的相同之处请参阅实施例一的相关描述，在此不再一一赘
如图4a和4b所不,本实施例三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6及金属线圈7，其中，所述谐振振子对包括圆形板谐振振子结构I、主支撑梁21、第一耦合梁31、第一锚点41、第二锚点 42和驱动电极5，其中，所述第一对称轴为圆形板的直径延长线。
需要说明的是，所述谐振振子结构I并不局限于圆形板，所述谐振振子结构I还可为圆形板或圆环板，其中，所述第一对称轴为圆形板或圆环板中圆的长轴或短轴的延长线， 进一步，圆环板为圆环板的优选情况，所述第一对称轴为圆环板的直径延长线。
需要进一步说明的是，如图4b所示，所述谐振振子对还包括连接于主支撑梁21上的第二耦合梁32和连接于所述第二耦合梁32的第三锚点43，其中，所述主支撑梁21为位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁，但并不局限于此，在另一实施例中，各该谐振振子对中也可以没有第二耦合梁和连接于第二耦合梁的第三锚点。
所述驱动电极5分别分布于各该正方形板谐振振子结构I的相对侧，并且所述驱动电机5与谐振振子结构I形成有驱动间隙，在本实施例三中，如图4b所示，所述驱动电极为两个与所述圆形板匹配的圆弧形驱动电极，对称分布于各该圆形板谐振振子结构I的相对侧。
所述绝缘层6形成于所述谐振振子对的谐振振子结构I、主支撑梁21及第一耦合梁31上表面，同时，所述第一锚点41与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层6，所述第二锚点42与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层6。优选的，所述谐振振子结构I、主支撑梁 21、第一耦合梁31、第一锚点41及第二锚点42形成于同一平面内，则所述绝缘层形成于该平面的上表面上。进一步，在本实施例二中，所述谐振振子对还包括连接于主支撑梁21上的第二耦合梁32和连接于所述第二耦合梁32的第三锚点43，如图4a所示，所述第二耦合梁32和第三锚点43上没有绝缘层6，但并不局限与此，在另一实施例中，所述第二耦合梁 32和第三锚点43上也可以有绝缘层6。
所述金属线圈7的相关描述请参阅实施例一，不同之处在于，所述金属线圈7的形状为圆形螺旋状，如图4a所示。
本实施例三的微机械磁场传感器的电路结构(未图不)与实施例一基本相同，区别仅在于本实施例三与实施例一的微机械磁场传感器的结构不相同，其余相同之处请参阅实施例一中的相关描述。
综上所述，与传统的微机械磁场传感器相比，本发明的微机械磁场传感器具有以下有益效果
I)本发明采用耦合梁将两个谐振振子结构耦合起来形成谐振振子对，利用单端电容激励和电磁感应来测量磁场大小，其中，两个谐振振子结构工作在同相位模式，各该谐振振子结构上的金属线圈环绕方向相反，两个谐振振子结构上的金属线圈产生的感应电动势相互串联；由于采用了差分方式输出，则两个差分输出信号与输入驱动信号之间形成两个容性耦合信号，又由于这两个容性耦合信号大小相等，则差分方式输出会消除输出信号中的容性耦合信号，从而，以获得了单纯的磁场输出信号，实现了微机械磁场传感器的单纯的磁场输出信号检测；
2)本发明利用耦合结构将两个谐振振子结构耦合起来，由于耦合结构使两个谐振振子结构连接为一体运动，从而保证了整个微机械磁场传感器具有单一的谐振频率；
3)本发明提出的微机械磁场传感器的谐振振子工作在扩张模态，因而金属线圈上每小段金属切割磁感线产生感应电动势会相互串联叠加，增强了输出信号的强度；本发明的金属线圈可以为一层或多层的螺旋状线圈，有利于进一步增大输出信号的强度，提高检测的灵敏度；
4)本发明还可以通过金属支撑柱使金属线圈悬于所述谐振振子之上，从而减小在高频情况下谐振振子结构与金属线圈之间信号相互串扰的问题；
5)本发明结构简单，不需要在金属线圈上通入电流，降低了器件的功耗；同时通过测量金属线圈两端的感应电动势来测量磁场大小，因此受温度影响小；而且由于本发明采用了两个谐振振子结构，进一步增强了输出信号的强度，也提高了输出信号的灵敏度。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种微机械磁场传感器，其特征在于，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两个具有轴对称结构的谐振振子结构，各该谐振振子结构的对称轴至少包括第一对称轴和第二对称轴，且所述的第一对称轴垂直于第二对称轴；主支撑梁，位于所述第一对称轴上，两个谐振振子结构通过各自的主支撑梁相互耦合连接；第一锚点，与所述主支撑梁的自由端相连接，其中，二谐振振子结构的第一锚点通过形成在其上的焊盘分别连接输出端；驱动电极，分别分布于各该谐振振子结构的相对侧，且与各该谐振振子结构之间形成有驱动间隙，所述驱动电极通过电阻连接至直流电源，且所述驱动电极通过电容连接至交流电源；所述绝缘层形成于所述谐振振子对的谐振振子结构及主支撑梁的上表面，同时，所述第一锚点与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层；所述金属线圈分别形成于各该谐振振子结构上的绝缘层上，所述金属线圈为藉由其对应的所述绝缘层中心为始端由内向外环绕的金属线圈，其中，一谐振振子结构上的金属线圈为顺时针环绕，另一振振子结构上的金属线圈为逆时针环绕；各该金属线圈的始端通过第一连接桥连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且各该金属线圈的末端通过第二连接桥相互连接于耦合连接的主支撑梁上的第一绝缘层上，或者各该金属线圈的末端通过第二连接桥连接于其对应的第一锚点上的焊盘、且各该金属线圈的始端通过第一连接桥相互连接于耦合连接的主支撑梁上的第一绝缘层上；各该第一连接桥与位于其下的各该金属线圈之间形成有绝缘层。
2.根据权利要求I所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述谐振振子对还包括一端连接于相互耦合连接的所述主支撑梁上的第一耦合梁、及连接于所述第一耦合梁另一端的第二锚点，其中，所述第二锚点通过形成在其上的焊盘接地，所述第一耦合梁上表面、及所述第二锚点与形成于其上的焊盘之间形成有绝缘层。
3.根据权利要求2所述的微机械磁场传感器，其特征在于各该金属线圈的末端通过第二连接桥经过相互耦合连接的主支撑梁及第一耦合梁上的第一绝缘层连接于所述第二锚点上的焊盘；或者各该金属线圈的始端通过第一连接桥经过相互耦合连接的主支撑梁及第一耦合梁上的第一绝缘层连接于所述第二锚点上的焊盘。
4.根据权利要求I所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述谐振振子结构为矩形板、圆形板或圆环形板。
5.根据权利要求I所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述第一耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。
6.根据权利要求I所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述谐振振子对还包括第二耦合梁，所述第二耦合梁也连接于所述位于第一对称轴上且相互连接的主支撑梁上，且所述第二耦合梁连接有第三锚点；其中，所述第二耦合梁与所述第一耦合梁分别分布于所述第一对称轴两侧。
7.根据权利要求6所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述第二耦合梁为直拉梁或弯曲折叠梁。
8.根据权利要求4所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述谐振振子结构为矩形板时，所述第一对称轴平行于矩形板的长边或宽边。
9.根据权利要求4所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述谐振振子结构为正方形板时，所述第一对称轴和第二对称轴分别为正方形板两对角线的延长线。
10.根据权利要求9所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述谐振振子对还包括位于所述第二对称轴上且一端连接于所述谐振振子结构的旁支撑梁、以及连接于所述旁支撑梁另一端的第四锚点。
11.根据权利要求I所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述金属线圈为多层，各层所述金属线圈相互串联，且各层所述金属线圈具有相同的绕向，各层金属线圈之间形成有绝缘层。
12.根据权利要求11所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述金属线圈串联的方式为连续的第偶数层和第奇数层所述金属线圈的末端相连、以及连续的第奇数层和第偶数层所述金属线圈的始端相连，且各该相互串联的金属线圈之间除了相连处外具有绝缘层。
13.根据权利要求I所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述金属线圈与位于其下的绝缘层之间形成有支撑所述金属线圈悬空于所述绝缘层之上的金属支撑柱。
14.根据权利要求I所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述金属线圈为一圈，所述金属线圈为圆形或矩形。
15.根据权利要求I所述的微机械磁场传感器，其特征在于所述金属线圈为多圈，所述金属线圈为圆形螺旋状或矩形螺旋状。
16.—种微机械磁场传感器的电路结构,其特征在于,所述电路结构至少包括锁相环电路、如权利要求I至15任意一项所述的微机械磁场传感器、差分电压放大器及电压跟随器，其中，所述锁相环电路包括压控振荡器、鉴相器和低通滤波器；用于产生与所述微机械磁场传感器谐振频率相同的交流信号的所述压控振荡器的输出端分别连接所述微机械磁场传感器的交流电源输入端及所述鉴相器的一个输入端，其中，所述压控振荡器输出的交流信号作为所述鉴相器的基准信号，所述微机械磁场传感器的直流电源输入端还连接有一直流电压；用于产生感生电压的所述微机械磁场传感器的输出端连接所述差分电压放大器的输入端;用于将所述感生电压放大的所述差分电压放大器的输出端连接所述鉴相器的另一个输入端，其中，所述差分电压放大器输出的经放大的感生电压信号作为测量信号；用于鉴别所述测量信号与基准信号之间相位差的所述鉴相器的输出端连接所述低通滤波器的输入端；用于滤除所述鉴相器输出信号中交流部分的所述低通滤波器的输出端连接所述压控振荡器的控制端及所述电压跟随器的输入端，其中，所述低通滤波器输出的直流信号作为所述压控振荡器的控制电压信号，用于保证整个锁相环电路处于稳定工作状态；所述电压跟随器的输出端连接外部测量设备，其中，所述电压跟随器输出的直流电压信号的大小表征所述微机械磁场传感器待测磁场的大小。
全文摘要
本发明提供一种微机械磁场传感器及其应用，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。本发明利用单端电容激励和电磁感应来测量磁场大小，其中，构成谐振振子对的两个谐振振子结构工作在同相位模式，各该谐振振子结构上的金属线圈环绕方向相反，两个谐振振子结构上的金属线圈产生的感应电动势相互串联；由于采用了差分方式输出，消除输出信号中的容性耦合信号，以获得单纯的磁场输出信号；同时，本发明利用耦合结构将两个谐振振子结构耦合起来使两个谐振振子结构连接为一体运动；进一步，本发明结构简单，受温度影响小，输出信号大，灵敏度高，检测的准确度高，适合高工作频率。
文档编号G01R33/028GK102914750SQ20121047022
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者熊斌, 吴国强, 徐德辉, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所