專利名稱：一種單軸壓電驅動的弱磁場測量傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器技術領域，特別是用于微弱信號的傳感器，具體地說，涉及一種用于測量微弱磁場的單軸磁傳感器。
背景技術：
微弱磁場測量在地磁導航、目標探測、地質勘探、生物醫學等領域都有廣泛應用。 現階段用于微弱磁場測量的傳感器類型較多，主要包括磁通門傳感器、光泵式磁傳感器、質子式磁傳感器、光纖磁傳感器、巨磁阻抗磁傳感器、GMR(Giant Magnetoresistive,巨磁阻) 磁傳感器等，其中GMR磁傳感器是基于微電子工藝制成的，相比其他類型的磁傳感器明顯具有體積小、功耗低、易批量生產等特點。1988年，法國科學家Albert Fert和德國科學家Peter Grunberg各自領導的實驗小組先后獨立發現了 GMR效應，其中Albert Fert實驗小組研究發現在微弱磁場中鐵-鉻多層薄膜的電阻值急劇變化，并將該現象命名為“GMR效應”，而PeterGrimberg小組在鐵-鉻-鐵三層反鐵磁薄膜結構中也發現了類似的實驗現象。此后針對GMR效應的研究便如火如荼地展開了，具有GMR效應的新結構不斷呈現，而對具有GMR效應的結構也稱之為 GMR敏感元件。隨著研究的不斷深入，人們發現GMR敏感元件的磁場靈敏度越高，其噪聲特別是Ι/f噪聲也越大，而且其中取決于內部磁結構的Ι/f磁噪聲無法通過常規的電調制方法予以抑制，正是這一點限制了 GMR磁傳感器分辨力的進一步提高。近年國外對于如何有效抑制GMR敏感元件的Ι/f噪聲的問題開展了大量研究，其中運用微機械結構驅動磁性薄膜調制被測低頻微弱磁場來抑制GMR敏感元件Ι/f噪聲的技術方案最為可行。美國陸軍實驗室的Alan S. Edelstein等在2003至2007之間陸續取得 7 4 項相關的美國國家專利(專利號:US6670809、US7046002、US7185541、US7195945)，這些專利中所述技術方案的共同特點是首先將磁力線聚集器制備在微機械結構上，然后利用靜電驅動方式驅動微機械結構和磁力線聚集器共同高頻振動，磁力線聚集器的磁場放大倍數隨之周期性地變化，此時處于磁力線聚集器間隙內的GMR敏感元件可探測到一個高頻調制后的被測磁場。此類技術方案雖可有效抑制GMR敏感元件的Ι/f噪聲，并明顯提高GMR 磁傳感器的低頻磁場分辨力，但目前尚存在一些問題(1)調制深度較低，只有14%左右，因此磁場分辨力較低；(2)結構相對復雜，工藝涉及深度反應離子刻蝕技術及絕緣硅技術，耗時耗力，成本很高；(3)實現調制所需的靜電驅動電壓明顯高于常用集成電路供電電壓，達50V以上， 給實際使用帶來不便。

發明內容
本發明將提供一種調制深度較大，分辨力較高，結構工藝簡單，驅動電壓較低的弱磁場測量傳感器。
本發明的技術方案是一種單軸壓電驅動的弱磁場測量傳感器，包括絕緣基底、三對電極、GMR敏感元件、兩個相同的磁力線聚集器、調制膜、微懸臂梁和壓電陶瓷薄片。所述絕緣基底采用表面拋光的玻璃片，在絕緣基底表面上鍍有三對電極；所述GMR敏感元件呈細條狀，其中央位置有一橫向的間隙，GMR敏感元件固定在絕緣基底表面上。每個磁力線聚集器較窄一端開有“凹”形槽，“凹”形槽寬度比GMR敏感元件略寬；兩個磁力線聚集器分別固定在GMR敏感元件兩端的絕緣基底表面上，GMR敏感元件兩端分別位于磁力線聚集器的“凹”形槽內，GMR敏感元件和兩個磁力線聚集器三者中軸線成一直線。第二對和第三對電極分別與GMR敏感元件的兩對輸入輸出電極連接。所述微懸臂梁包括基座、懸臂。基座固定在絕緣基底上，基座連接懸臂，基座上表面與懸臂上表面共平面，懸臂厚度小于基座厚度。懸臂的自由端開有兩個對準孔，緊靠對準孔且沿懸臂的中軸線向基座方向依次開有若干個阻尼孔；懸臂下表面兩個對準孔之間制備有高磁導率軟磁材料的調制膜，調制膜正對 GMR敏感元件的間隙，調制膜的形狀與間隙的表面形狀相同，調制膜與GMR敏感元件垂直距離根據需要確定，通常為8 15微米。所述壓電陶瓷薄片表面為長方形，其寬度與懸臂寬度一致，厚度方向為極化方向，壓電陶瓷薄片粘在懸臂上，沿壓電陶瓷薄片長度方向一端延伸至基座，并與第一對電極電連接，另一端延伸靠近阻尼孔。本發明的有益效果是采用壓電驅動微懸臂梁作為調制動力源，調制膜振動幅度和調制深度較大(仿真實驗證明大于40% )，通過調制膜的調制使微弱直流磁場在GMR敏感元件處為高頻交變磁場，抑制了 GMR元件的Ι/f噪聲，通過采用磁力線聚集器使微弱磁場在GMR敏感元件處得到了放大，從而磁傳感器測量分辨力得到大幅度提高(仿真實驗證明提高了兩個數量級)；因微懸臂梁結構簡單，制造方便，有效降低了傳感器的制作成本；壓電陶瓷薄片的驅動力較大，只需較小的驅動電壓(小于15V)即可獲得足夠的振動幅度。


圖1是本發明某一具體實施方式
提供的單軸壓電驅動弱磁場測量傳感器的結構示意圖；圖2是本發明某一具體實施方式
中的磁力線聚集器與GMR敏感元件的結構示意圖；圖3(a)是本發明某一具體實施方式
中微懸臂梁的俯視圖；圖3(b)是本發明某一具體實施方式
中微懸臂梁的仰視圖。1-基座，2-懸臂，3-對準孔，4-阻尼孔，5-壓電陶瓷薄片，6_絕緣基底，7_第一對電極，8-第二對電極，9-第三對電極，10-GMR敏感元件，11-磁力線聚集器，12-間隙，13-微懸臂梁，14-調制膜，15-臺階。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明。圖1是本發明某一具體實施方式
提供的單軸壓電驅動弱磁場測量傳感器的結構示意圖。如圖所示包括絕緣基底6、電極對7、電極對8、電極對9、基座1、懸臂2、對準孔3、 阻尼孔4、壓電陶瓷薄片5、GMR敏感元件10及磁力線聚集器11。絕緣基底6采用表面拋光的玻璃片，形狀不限于本實施方式中的長方形，還可以是圓形等。電極對7、8、9是通過先在絕緣基底6上濺射(或真空蒸鍍、電鍍等)導電金屬膜(金、鋁、銅等)，然后再光刻腐蝕成型。電極對7連接壓電陶瓷薄片5上面的電極；電極對8連接GMR敏感元件10上自帶的一對電極；電極對9連接GMR敏感元件10上自帶的另一對電極。電極對7、8、9的形狀和位置無特殊要求，以方便引線連接為準，圖1所示的電極對7、8、9的形狀和位置僅是其中一種較好的選擇。基座1與懸臂2相連，基座1的形狀不限于圖1所示的“凹”形，在保證不影響電極對7和為懸臂2提供穩定固定、支撐的前提下可設計成多種形狀。懸臂2 —端與基座 1相連，另一段為自由端，向前伸出，懸臂2的形狀并不限于圖1所示形狀(還可以是矩形、 梯形、錘頭型等)。懸臂2的自由端開有2個對準孔3 (見圖3 (a))。靠近對準孔3，沿懸臂 2中軸線向內依次開有若干個阻尼孔4。壓電陶瓷片5的寬度與懸臂2相同，用膠粘在懸臂 2的上表面，沿壓電陶瓷片5長度方向一端靠近阻尼孔4，另一端延伸至基座1，并與電極對 7電連接。基座1通過低溫鍵合工藝或直接粘膠的方法固定于絕緣基底6上，使調制膜14 正對GMR敏感元件10的間隙12，調制膜14與GMR敏感元件10垂直距離根據需要確定，通常為8 15微米。圖2是本發明本發明某一具體實施方式
中的GMR敏感元件10和磁力線聚集器11 的結構示意圖。如圖所示磁力線聚集器11由高磁導率軟磁材料制成(如NiFe、C0&Nb 等)，形狀為梯形(也可為長方形)，其一端開有“凹”形槽，“凹”形槽的寬度比GMR敏感元件10的寬度略寬，可以通過光刻腐蝕工藝制造磁力線聚集器11。GMR敏感元件10為市售元件(如美國NVE公司的AA002-02等)，呈細條狀，中間有一條橫向的間隙12，其兩端分別位于一個磁力線聚集器11的“凹”形槽內，GMR敏感元件10和兩個磁力線聚集器11這三者中軸線成一直線，采用環氧樹脂膠粘接固定在絕緣基底上。圖3(a)與圖3(b)是本發明某一具體實施方式
中微懸臂梁13的俯視圖和仰視圖。 如圖所示微懸臂梁13采用微硅工藝制成的，包括基座1、懸臂2。基座1的形狀不限于圖 1所示的“凹”形，在保證不影響電極對7和為懸臂2提供穩定支撐的前提下可設計成多種形狀。基座1與懸臂2相連，基座1上表面與懸臂2上表面共平面，懸臂2厚度小于基座1 厚度，因此兩者連接處存在一個臺階15。懸臂2的自由端開有兩個對準孔3，緊靠對準孔3 向內沿懸臂2中軸線依次開有若干阻尼孔4，阻尼孔數目可為3 5個。在懸臂2下表面兩個對準孔13之間有調制膜14。調制膜14正對GMR敏感元件的間隙12，調制膜14的形狀與間隙12的表面形狀相同，調制膜14的制備方法是在懸臂2的下表面上電鍍(或真空蒸鍍、濺射等)制備一定厚度的高磁導率軟磁材料膜(如NiFe、Co&Nb等)，然后再用光刻腐蝕方法成型。使用時，將第一對電極與外部的激勵電路相連接，壓電陶瓷薄片振動帶動懸臂梁工作在諧振狀態；第二對電極與外部恒定電壓源(或電流源)連接，第三對電極與外部檢測電路連接，根據外部檢測電路的測量值可以得到弱磁場的大小。
權利要求
1.一種單軸壓電驅動的弱磁場測量傳感器，其特征在于，包括絕緣基底(6)、三對電極 (7、8、9)、GMR敏感元件(10)、兩個相同的磁力線聚集器(11)、調制膜(14)、微懸臂梁(13) 和壓電陶瓷薄片(5)；所述絕緣基底(6)采用表面拋光的玻璃片，在絕緣基底(6)表面上鍍有三對電極(7、8、9)；所述GMR敏感元件(10)呈細條狀，中央位置有一橫向的間隙(12)， GMR敏感元件(10)固定在絕緣基座(6)表面上；每個磁力線聚集器(11)較窄一端開有“凹” 形槽，“凹”形槽寬度比GMR敏感元件(10)略寬；兩個磁力線聚集器(11)分別固定在GMR敏感元件(10)兩端的絕緣基底(6)表面上，GMR敏感元件(10)兩端分別位于磁力線聚集器(11)的“凹”形槽內，GMR敏感元件(10)和兩個磁力線聚集器(11)三者中軸線成一直線； 第二對電極⑶和第三對電極(9)分別與GMR敏感元件(10)的兩對輸入輸出電極連接；所述微懸臂梁(1 包括基座(1)、懸臂O)；基座(1)固定在絕緣基底(6)上，基座(1)連接懸臂O)，基座(1)上表面與懸臂(2)上表面共平面，懸臂(2)厚度小于基座(1)厚度；懸臂⑵的自由端開有兩個對準孔(3)，緊靠對準孔且沿懸臂(2)的中軸線向基座⑴方向依次開有若干個阻尼孔；懸臂( 下表面兩個對準孔( 之間制備有高磁導率軟磁材料的調制膜(14)，調制膜(14)正對GMR敏感元件(10)的間隙，調制膜(14)的形狀與間隙(12)的表面形狀相同；所述壓電陶瓷薄片( 表面為長方形，其寬度與懸臂( 寬度一致， 厚度方向為極化方向，壓電陶瓷薄片( 粘在懸臂( 上，沿壓電陶瓷薄片( 長度方向一端延伸至基座(1)，并與第一對電極(7)電連接，另一端延伸靠近阻尼孔G)。
2.根據權利要求1所述的一種單軸壓電驅動的弱磁場測量傳感器，其特征在于，調制膜(14)與GMR敏感元件(10)垂直距離的范圍在8到15微米。
全文摘要
本發明提供一種單軸壓電驅動的弱磁場測量傳感器，包括絕緣基底、GMR敏感元件、兩個相同的磁力線聚集器、調制膜、微懸臂梁和壓電陶瓷薄片。在絕緣基底表面上鍍有三對電極；兩個磁力線聚集器分別固定在GMR敏感元件兩端的絕緣基底表面上，GMR敏感元件兩端分別位于磁力線聚集器的“凹”形槽內。所述微懸臂梁包括基座、懸臂。基座固定在絕緣基底上，基座連接懸臂。懸臂的自由端開有兩個對準孔，兩個對準孔之間制備有高磁導率軟磁材料的調制膜，調制膜與GMR敏感元件垂直距離為8～15微米。壓電陶瓷薄片粘在懸臂上。本發明提供的弱磁場測量傳感器調制深度較大，分辨力較高，結構工藝簡單，驅動電壓較低。
文檔編號G01R33/09GK102353913SQ20111019608
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月13日 優先權日2011年7月13日
發明者張琦, 李季, 潘孟春, 田武剛, 羅詩途, 胡佳飛, 陳棣湘 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學