[發(fā)明專利]諧振式微機電系統(tǒng)磁場傳感器及測量方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910029903.1
• 申請日: 2009-03-20
• 公開（公告）號: CN101515026A
• 公開（公告）日: 2009-08-26
• 發(fā)明（設計）人: 陳潔;黃慶安;秦明;李成章
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01R33/02
• 分類號: G01R33/02;B81B7/02;B81C5/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 葉連生

技術領域

本發(fā)明涉及一種諧振式微機電系統(tǒng)磁場傳感器及其測量方法，其原理在于結構在不同模態(tài)運動時運動形式的不同，因而測量不同模態(tài)運動時產(chǎn)生的位移，實現(xiàn)磁場方向的測量，屬于傳感器設計技術領域。具體說，板狀結構的磁場傳感器，在不同模態(tài)有不同的運動形式，與磁場方向有關的磁場力激勵產(chǎn)生不同運動形式，該結構采用與CMOS(ComplementaryMetal-oxide?Semiconductor)相兼容的工藝，能實現(xiàn)激勵及檢測電路的單片集成。

本發(fā)明的目的是提供一種功耗低、靈敏度高、精度高、受溫度影響小的微機電系統(tǒng)磁場傳感器，該裝置結構簡單。

背景技術

磁場傳感器有著悠久的歷史，早在春秋戰(zhàn)國時期，我們的祖先就發(fā)明了司南；磁場傳感器還有著廣闊的應用領域，如羅盤、導航、數(shù)據(jù)存儲、位置傳感、異物檢測、運動檢測、電流傳感、醫(yī)學生物電檢測和疾病檢測等等。

從指南針的發(fā)明到現(xiàn)在，人類對磁場的探索和利用有了2000多年的歷史。最早人們利用磁場與磁場之間同性相斥，異性相吸的原理，發(fā)明了指南針來辨別方向或為艦船導航。從十八世紀到十九世紀初，相距發(fā)現(xiàn)了一系列磁效應，如法拉第效應、磁阻效應、霍爾效應等，為磁場傳感器的發(fā)展奠定了堅實的基礎。目前，大部分靜態(tài)磁場傳感器(MFS)使用靜磁力(static?magnetic?force)、霍爾效應(Hall-effect)、磁通量(fluxgate)、磁阻效應(magnetoresistive)或者其他半導體的磁效應來進行檢測。

自從集成電路工藝發(fā)明以來，特別是CMOS工藝技術的問世，硅技術的大批量制造使得昂貴的設計制造成本得到了極大的降低，同時新發(fā)展的MEMS(微機電系統(tǒng))工藝能夠在硅襯底上利用IC后處理工藝制作各種機械結構，為磁場傳感器的設計開辟了新的途徑，大大推動了MEMS磁場傳感器的發(fā)展。近年來，提出了一些微型磁場傳感器的結構，如法國的Vincent?Beroulle、Laurent?Latorre提出的MEMS磁場傳感器，此結構通過在懸臂梁與錨區(qū)附近做壓阻，通過測量壓阻的輸出檢測磁場。扭擺式MEMS磁場傳感器最早由BeverleyEyre等人提出，測量在磁場作用下受力后結構扭擺的幅度，來測量磁場的大小。R.Sunier提出的諧振式磁場傳感器，通過諧振頻率的變化來得到磁場測量的目的。另一種諧振式磁場傳感器，包括一個兩端有間隙的磁聚能器，制作的材料需要使用軟磁材料。這些磁場傳感器只能測量磁場的大小，此外一種梳齒磁場傳感器，通過永磁體和磁場的相互作用使梳齒發(fā)生偏轉，用來測量磁場的方向，但是這種結構加工工藝不是標準的CMOS工藝，結構復雜，制作工藝要求高，并且要使梳齒諧振器發(fā)生運動所需要的功耗比較大。本發(fā)明提出利用結構多種模態(tài)下振動方式不同，測量不同模態(tài)下位移來達到磁場測量的目的。

發(fā)明內(nèi)容

技術問題：本發(fā)明的目的是提供一種功耗低、靈敏度高、精度高、受溫度影響小的微機電系統(tǒng)磁場傳感器，該裝置結構簡單，成本低。

本發(fā)明另一目的是提供一種諧振式微機電系統(tǒng)磁場傳感器的測量方法，該測量方法功耗低，受溫度影響小。

技術方案：本發(fā)明的諧振式微機電系統(tǒng)磁場傳感器包括襯底、第一支撐板、第二支撐板、懸臂板和金屬線，懸臂板由第一支撐板、第二支撐板連接在襯底(4)的兩側的凸臺上，平行懸空設于襯底的上方，金屬線設于懸臂板上表面，從第二支撐板進入懸臂板，且繞其一周，從第二支撐板的同側繞出，為了讓結構對稱，在另一側的第一支撐板上鍍有第一金屬線和第二金屬線，金屬線、第一金屬線和第二金屬線與懸臂板同步運動。

所述金屬線被設于懸臂板(3)的邊緣四周和固支的第二支撐板上，金屬線通過測量錨區(qū)連接在襯底上。

諧振式微機電系統(tǒng)磁場傳感器的測量方法，首先施加外加激勵使得懸臂板產(chǎn)生振動，激勵分別用來產(chǎn)生與懸臂板一階和二階激勵頻率相同的共振，結構在一階和二階頻率共振時，方向相差90度，測量任意磁場方向下懸臂板上p點的位移，用來測量外加磁場的角度。振式微機電系統(tǒng)磁場傳感器的測量方法，所述懸臂板與襯底絕緣，懸臂板上表面四周鍍有金屬線，所述外加激勵的方法為：在金屬線上加上交流電流信號使其振動，電流頻率分別為結構一階和二階諧振頻率。

有益效果：