[發明專利]一種內共振耦合的電磁感應式微機械磁傳感器及制備方法

在審

• 申請號: 202310202922.X
• 申請日: 2023-03-03
• 公開（公告）號: CN116243220A
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發明（設計）人: 梁亨茂;于俊偉;張俊明;胡振業
• 申請（專利權）人: 華南農業大學
• 主分類號: G01R33/06
• 分類號: G01R33/06;G01R33/028
• 代理公司: 佛山市君創知識產權代理事務所(普通合伙) 44675
• 代理人: 冼柏恩

1.一種內共振耦合的電磁感應式微機械磁傳感器，其特征在于，包括第一諧振結構組件、第二諧振結構組件以及耦合在第一諧振結構組件和第二諧振結構組件之間的耦合梁；

所述第一諧振結構組件包括驅動電極、第一諧振結構、第一硅本體絕緣層、第一感應線圈、第一線圈絕緣層以及第一線圈金屬層；所述第一硅本體絕緣層設置在第一諧振結構上；所述驅動電極位于第一諧振結構遠離第一硅本體絕緣層的一側；所述第一感應線圈設置在第一硅本體絕緣層上；所述第一線圈絕緣層設置在第一感應線圈上；所述第一線圈金屬層設置在第一線圈絕緣層上；

所述第二諧振結構組件包括第二諧振結構、第二硅本體絕緣層、第二感應線圈、第二線圈絕緣層以及第二線圈金屬層；所述第二硅本體絕緣層設置在第二諧振結構上；所述第二感應線圈設置在第二硅本體絕緣層上；所述第二線圈絕緣層設置在第二感應線圈上；所述第二線圈金屬層設置在第二線圈絕緣層上；

在工作狀態下，所述驅動電極以靜電驅動方式驅動所述第一諧振結構進入扭轉或平動諧振模態；當第一諧振結構處于扭轉或平動諧振模態時，在外磁場下第一感應線圈切割磁感線，產生一路正比于外部磁場大小的感應電動勢信號；在施加的驅動電壓使第一諧振結構接近非線性狀態的臨界點時，若繼續增加靜電驅動電壓以增加驅動力則第一諧振結構進入非線性的振幅飽和狀態；

基于內共振原理，通過耦合梁將過載驅動的第一諧振結構上的諧振非線性的能量傳遞給第二諧振結構，帶動第二諧振結構進行扭轉或平動諧振運動，第二感應線圈進行切割磁感線運動，產生新的一路感應電動勢信號；通過對兩路輸出電動勢信號分別進行信號處理以及分別轉換為直流信號，再將兩路直流信號進行加和，從而反映出磁場的強度。

2.根據權利要求1所述的內共振耦合的電磁感應式微機械磁傳感器，其特征在于，所述第一諧振結構的固有頻率和第二諧振結構的固有頻率之比為整數倍；

所述第一諧振結構采用低頻結構，所述第二諧振結構采用高頻結構；或者所述第一諧振結構采用高頻結構，所述第二諧振結構采用低頻結構。

3.根據權利要求1所述的內共振耦合的電磁感應式微機械磁傳感器，其特征在于，第一諧振結構、第二諧振結構的諧振模態對應的振型相同，同時為扭轉諧振模態或者同時為面內平動模態；

若為扭轉模態，驅動電極、感應電極應分別設置在第一諧振結構與襯底片之間、第二諧振結構與襯底片之間；

若為面內平動模態，驅動電極、感應電極設置在第一諧振結構、第二諧振結構四周適合結構平動模態驅動與檢測的任意位置。

4.根據權利要求1所述的內共振耦合的電磁感應式微機械磁傳感器，其特征在于，所述第一諧振結構組件和第二諧振結構組件均還包括錨點和支撐梁；

所述錨點設置在襯底上；

所述支撐梁的一端與錨點固定連接，該支撐梁的另一端與第一諧振結構或第二諧振結構固定連接。

5.根據權利要求1所述的內共振耦合的電磁感應式微機械磁傳感器，其特征在于，所述第一感應線圈和第二感應線圈至少為一層；每層第一感應線圈和第二感應線圈的匝數均至少為一匝；

當第一感應線圈為多層時，相鄰的兩層第一感應線圈之間設有隔離絕緣層；當第二感應線圈為多層時，相鄰的兩層第二感應線圈之間設有隔離絕緣層；

當第一感應線圈為多匝時，每匝的第一感應線圈的繞向相同；當第二感應線圈為多匝時，每匝的第二感應線圈的繞向相同。

6.根據權利要求1所述的內共振耦合的電磁感應式微機械磁傳感器，其特征在于，所述第一諧振結構組件和第二諧振結構組件均至少還包括兩個焊盤，

兩個焊盤分別與第一感應線圈的兩端或者第二感應線圈的兩端連接。

7.根據權利要求1所述的內共振耦合的電磁感應式微機械磁傳感器，其特征在于，所述第一諧振結構和第二諧振結構的諧振運動方式為扭轉運動或平動。

8.一種應用于權利要求1-7任一項所述的內共振耦合的電磁感應式微機械磁傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)準備器件硅片，在器件硅片的表面通過光刻和刻蝕工藝形成空腔結構；

(2)準備襯底片，并在襯底片的表面上制作襯底處絕緣層；

(3)在襯底處絕緣層的表面上沉積一層驅動電極金屬層，通過光刻和刻蝕工藝形成驅動電極和襯底處金屬層；

(4)將器件硅片的空腔圖形側與襯底片的電極圖形側進行面對面金屬介質層共晶鍵合；

(5)將器件硅片通過刻蝕進行減薄；

(6)在器件硅片的表面沉積一層絕緣層，通過光刻和刻蝕工藝形成第一硅本體絕緣層和第二硅本體絕緣層；

(7)在第一硅本體絕緣層和第二硅本體絕緣層的表面通過沉積和刻蝕工藝分別制作第一感應線圈和第二感應線圈；

(8)在第一感應線圈和第二感應線圈的表面沉積一層絕緣層，通過光刻和刻蝕工藝分別形成第一線圈絕緣層和第二線圈絕緣層；

(9)在第一線圈絕緣層和第二線圈絕緣層沉積一層金屬層，通過刻蝕形成第一線圈金屬層和第二線圈金屬層；

(10)蝕刻器件硅片形成耦合梁連接兩諧振結構的內共振耦合諧振結構。