[发明专利]石英谐振式MEMS磁场传感器

说明书

本发明提出一种石英谐振式MEMS磁场传感器，包括石英音叉、载流弹性支撑梁、振荡电路以及频率计；石英音叉的两端分别固定在一个载流弹性支撑梁上；振荡电路与石英音叉上的电极相连，振荡电路用于激励音叉产生谐振；频率计用于检测振荡电路输出的频率信号；载流弹性支撑梁受磁场作用产生的安培力传递到石英音叉上使石英音叉轴向受力，从而引起石英音叉谐振频率的变化，使用频率计检测石英音叉的频率变化量以检测出磁场。发明具有高Q值，损耗低，检测灵敏度和分辨率高，可用于检测静态、准静态和低频磁场的高灵敏度探测。

技术领域

本发明涉及一种石英谐振式MEMS磁场传感器，特别是采用高Q值的石英晶体谐振器的磁场传感器。

背景技术

传统的磁场传感器主要有霍尔传感器、磁通门传感器、超导量子干涉仪、巨磁阻抗传感器、电磁感应传感器、磁敏二极管磁传感器、磁敏三极管磁传感器等。这些传统磁传感器一般输出较弱的模拟信号，常常需要复杂的信号调理电路对模拟信号进行处理，且信号抗干扰能力差。

目前出现了以磁致伸缩材料与压电材料叠层复合而成的新型磁电传感器。磁致伸缩/压电复合材料由于乘积效应获得磁电效应，将待测磁场转化为电信号，其典型的优点是磁电转化系数大，但是其输出为模拟信号，用于静态和准静态磁场测量时需要外加激励磁场源，存在驱动、解调电路复杂的问题。

谐振式传感器是一种依赖于谐振结构工作的传感器，被广泛应用于各种参量的检测。谐振式磁场传感器在检测磁场时主要是利用磁场对载流弹性支撑梁作用产生安培力，随后安培力传递到谐振器上改变谐振结构的谐振频率。通过测量被安培力调制的谐振频率的变化量来测量安培力，通过理论换算公式就可以达到磁场检测的目的。Joshua E.-Y.Lee等人设计的谐振式磁场传感器采用硅制作谐振器，硅不具备压电性，工作时需要采用静电激励的方式激励谐振器振动，而其信号检测方式也采用静电激励电容检测，激励与检测电路复杂。

发明内容

针对上述磁场传感器存在的各种不足，本发明提出了一种石英谐振式MEMS磁场传感器，采用由高Q值石英材料制作而成的石英音叉谐振器作为磁场检测的核心单元，在磁场检测时具有高Q值，低损耗的优势，其灵敏度高、分辨率高，可用于检测静态、准静态和低频磁场的高灵敏度探测，且体积小，成本低。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种石英谐振式MEMS磁场传感器，包括石英音叉、载流弹性支撑梁、振荡电路以及频率计；石英音叉的两端分别固定在一个载流弹性支撑梁上；振荡电路与石英音叉上的电极相连，振荡电路用于激励音叉产生谐振；频率计用于检测振荡电路输出的频率信号。

进一步，载流弹性支撑梁受磁场作用产生的安培力传递到石英音叉上使石英音叉轴向受力，从而引起石英音叉谐振频率的变化，使用频率计检测石英音叉的频率变化量以检测出磁场。

进一步，两个载流弹性支撑梁相互平行，载流弹性支撑梁的两端均安装在框架上，石英音叉的长度方向与载流弹性支撑梁的长度方向垂直。

进一步，所述石英音叉使用Z切的石英基片制作而成。

进一步，所述石英音叉包括两个振梁，音叉振梁具有四个面，并设置有四个电极，其中两个为正电极、另外两个为负电极，正负电极间隔设置；以应力接近为零的两个位置为分界点，将音叉振梁分为三部分，每一个电极沿振梁长度方向同样包括依次相连接的三个部分，音叉振梁的三个部分与电极的三个部分相对应；同时，每个电极的三个部分分别位于振梁上相邻的三个面上。

进一步，假设音叉振梁的长度为L，则应力接近为零的两个位置分别为0.22L处和0.76L处。

进一步，各电极两端引出有焊盘，用于与振荡电路连接。

进一步，载流弹性支撑梁的表面沿长度方向镀有金属电流导体，工作状态下，沿两个载流弹性支撑梁长度方向流过大小相等但方向相反的电流。

进一步，由电流发生模块提供电流。