[發明專利]一種基于PT對稱原理的MEMS諧振式磁場傳感器及其使用方法

有效

• 申請號: 202111137121.7
• 申請日: 2021-09-27
• 公開（公告）號: CN113900053B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 黃見秋;魏振宇;黃慶安;王立峰
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01R33/028
• 分類號: G01R33/028
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 葉倩

本發明公開了一種基于PT對稱原理的MEMS諧振式磁場傳感器及其使用方法，包括左諧振器和右諧振器，所述左諧振器和右諧振器呈左右鏡像對稱結構，且通過耦合彈簧相連接；左諧振器和右諧振器分別外連阻尼調制電路，阻尼調制電路控制左諧振器和右諧振器的等效阻尼大小相等，符號相反，形成PT對稱諧振器系統；還包括左直流電源和右直流電源，所述左直流電源加載在左諧振器上，形成自上向下的直流電流，所述右直流電源加載在右諧振器上，形成自下而上的直流電流，在洛倫茲力的作用下，左右諧振器之間的耦合系數改變，進而改變了PT對稱諧振系統的諧振頻率，通過阻尼大小調制，使得PT對稱諧振器系統工作在耦合系數和損耗參數相等的奇異點，大幅度提高傳感器的敏感度。

技術領域

本發明屬于微機電（MEMS）技術領域，公開了空間鏡像-時間反演（PT）對稱原理在微機電的應用，具體涉及一種基于PT對稱原理的MEMS諧振式磁場傳感器及其使用方法。

背景技術

磁場傳感器廣泛應用于工業、汽車、醫療、家電等眾多領域，它是電子羅盤、信息讀寫磁頭等元件的核心部件。

磁場傳感器通常利用永磁體受力、洛倫茲力、霍爾效應等來檢測磁場的大小。2003年，Leichle TG（Leichle T C，Ye W，Allen M G． A Sub-μW Micromachined MagneticCompass［C］IEEE Conference on SENSORS． Kyoto，Japan，2003: 514－517）等人提出一種插指結構的磁場傳感器，通過永磁體受磁力作用使得驅動插指結構形變，進而檢測磁場方向，但是基于永磁體的磁場傳感器，加工難度高，一致性差，不利于大批量生產。2012年，陳潔（陳潔. 兩種結構MEMS磁場傳感器的研究[J]. 傳感技術學報, 2012(12):1648-1652.）等人提出一種懸臂梁結構和一種雙端固支梁結構的磁場傳感器，兩者都是通過梁上通電導線受洛倫茲力的作用改變諧振頻率，進而檢測磁場的大小。2012年，陳廷（陳廷. 基于霍爾效應的磁感應強度測量裝置, CN202522689U[P].）等人提出一種基于霍爾效應的磁場傳感器，利用霍爾元件在一個方向上通電流，另一個方向上加磁場，會在第三個方向上產生電壓的特性測量磁感應強度，上述傳統基于洛倫茲力和霍爾效應的磁場傳感器靈敏度較低，檢測精度也比較差。

1998 年，Bender和 Boettcher （Bender C M , Boettcher S , Meisinger P N. PT-Symmetric Quantum Mechanics[J]. Journal of Mathematical Physics, 1998,40(5).）提出一個特殊系列的空間鏡像-時間反演（PT）對稱哈密頓量，對 PT 對稱系統進行了理論研究，指出除了厄米系統以外，PT對稱系統也可以獲得實數解。緊接著，這一理論被拓展到光學、力學、電學等眾多領域。2014年Jan Wiersig （Wiersig J . Enhancing theSensitivity of Frequency and Energy Splitting Detection by Using ExceptionalPoints: Application to Microcavity Sensors for Single-Particle Detection[J].Phys.rev.lett, 2014,112(20):203901.1-203901.5.）等人提出，將PT對稱系統偏置在奇異點附近，外界參量對系統施加微擾，就將引起系統頻率分裂，利用這一原理設計的傳感器靈敏度極高。因而如何將PT對稱原理融合應用于傳感器的設計和生產中，成為了微機電技術領域急需研究和開發的問題。

發明內容