一种谐振型磁传感器敏感单元及数字频率输出磁传感器制造技术

本发明专利技术提出一种谐振型磁传感器敏感单元及数字频率输出磁传感器。磁传感器敏感单元包括高Q值谐振器、设置在高Q值谐振器上下两侧的磁致伸缩单元；所述磁致伸缩单元在磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述高Q值谐振器上；所述高Q值谐振器与磁致伸缩单元之间设置有绝缘垫片，磁致伸缩单元产生的所述应力通过绝缘垫片的传递加载到所述高Q值谐振器上。本发明专利技术可用于静态、准静态和低频磁场的高灵敏度探测，且体积小、成本低。

A resonant type magnetic sensor sensing unit and digital frequency output magnetic sensor

The invention provides a resonant type magnetic sensor sensitive unit and a digital frequency output magnetic sensor. The magnetic sensor sensitive unit consists of a high Q resonator and a magnetostrictive unit set on both sides of the high Q resonator; the magnetostrictive unit generates magnetostrictive stress and loads the stress to the high Q resonator under the action of the magnetic field; the high Q value resonator and the magnetostrictive unit have an insulating pad. The stress generated by the magnetostrictive element is loaded onto the high Q value resonator through the transmission of the insulating shim. The invention can be used for high-sensitivity detection of static, quasi static and low-frequency magnetic fields, with small volume and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种谐振型磁传感器敏感单元及数字频率输出磁传感器
本专利技术涉及一种谐振型磁传感器结构，特别是具有数字频率输出的谐振型磁传感器敏感单元结构。
技术介绍
传统的常用磁传感器种类主要有霍尔传感器、磁通门磁传感器、磁敏二极管磁传感器、磁敏三极管磁传感器、核磁共振磁传感器、巨磁阻抗传感器、电磁感应式磁传感器等。上述磁传感器输出为较弱的模拟信号，需要采用低噪声信号放大器、滤波器、A/D转换器、数字信号处理器等复杂电路和方法进行传感信号的处理，抗干扰能力不强申请号为201510924509.X的专利技术专利申请提出一种频率转换输出的高Q值谐振磁传感器”，该谐振型磁场传感器通过测量谐振器谐振频率偏移来测量待测磁场，频率信号可通过频率计数器直接转化为数字信号，可从原理上降低噪声影响，具有很强的抗干扰能力，能够在恶劣环境下使用，并保证良好的性能。但该磁传感器磁敏感单元只包含一个磁致伸缩单元与谐振器复合，由于复合结构存在非对称性，磁致伸缩应力在传递的过程中产生力矩，导致整个结构发生弯曲变形，这大大降低了磁致伸缩应力的传递效率。因此，对于该谐振型磁场传感器来说，其灵敏度具有进一步提高的空间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种具有高探测灵敏度的高Q值谐振型磁传感器结构，可用于静态、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，本专利技术提供一种谐振型磁传感器敏感单元，包括高Q值谐振器、设置在高Q值谐振器上下两侧的磁致伸缩单元；所述磁致伸缩单元在磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述高Q值谐振器上。进一步，所述高Q值谐振器与磁致伸缩单元之间设置有绝缘垫片，磁致伸缩单元产生的所述应力通过绝缘垫片的传递加载到所述高Q值谐振器上。进一步，所述高Q值谐振器、绝缘垫片以及磁致伸缩单元之间通过强力胶粘接复合在一起。进一步，所述绝缘垫片设置在磁致伸缩单元的两端。进一步，所述高Q值谐振器的电极暴露在所述谐振型磁传感器敏感单元结构之外。进一步，所述高Q值谐振器为石英谐振器。进一步，所述石英谐振器为两梁或者多梁结构。进一步，位于石英谐振器一侧的磁致伸缩单元的长度与石英谐振器的长度相等，位于石英谐振器另一侧的磁致伸缩单元的长度比石英谐振器的长度稍短，从而在磁致伸缩单元与石英谐振器复合后，使石英谐振器的表面电极暴露在外。进一步，所述磁致伸缩单元为矩形的磁致伸缩片。本专利技术还提出一种数字频率输出的谐振型磁传感器，包括前述任意一敏感单元，还包多谐振荡器和频率计，高Q值谐振器任意一端的两个电极接入多谐振荡器电路中，多谐振荡器用于输出载有所述高Q值谐振器谐振频率的谐振信号，频率计用于根据所述谐振信号检测出谐振频率。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)相对于现有技术中的传感器结构来说，本专利技术传感器结构中磁致伸缩材料产生的磁致伸缩力能够更加高效的传递到谐振梁上，提高传感器的灵敏度；(2)本专利技术所述的磁传感器利用高Q值谐振器在磁致伸缩应力作用下输出的谐振频率产生变化的特性进行磁场检测，具有灵敏度高、响应速度快的特点；(3)本专利技术不采用线圈，不会产生焦耳热和电磁干扰；同时本专利技术采用高Q值谐振器，能够以微机电系统(MEMS)的方式实现，使得磁传感器探头成本低、体积小、制备简单。附图说明图1是本专利技术谐振型磁传感器敏感单元的一个实施例示意图。图2是本专利技术数字输出谐振型磁传感器的电路示意图。具体实施方式容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本专利技术谐振型磁传感器敏感单元及数字频率输出磁传感器的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。本专利技术所述数字频率输出谐振型磁传感器的敏感单元包括高Q值谐振器、设置在高Q值谐振器上下两侧的磁致伸缩单元；所述磁致伸缩单元在磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述高Q值谐振器上。所述高Q值谐振器与磁致伸缩单元之间设置有绝缘垫片，磁致伸缩单元产生的所述应力通过绝缘垫片的传递加载到所述高Q值谐振器上。所述磁致伸缩单元1用于在待测磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述石英谐振器上，从而引起谐振器的谐振频率变化。所述高Q值谐振器两端各有两个驱动电极4。实施例结合图1，在该实施例中，数字频率输出谐振型磁传感器的敏感单元结构5包括上下两个磁致伸缩单元1，4个石英垫片2以及1个石英谐振器3。石英谐振器3为双端固定的双梁石英音叉，音叉两端有电极焊盘用于连接外部振荡电路。石英谐振器3工作在弯曲振动模态，两个梁的振动方向对称相反，其电极配置和制备方法可参看文献(KenjiSato,AtsushiOno,etal.ExperimentalStudyofGyroSensorUsingDouble-EndedTuningForkQuartzResonator,2004IEEEInternationalUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControlJoint50thAnniversaryConference,pp.575-578.)中的典型方法或其它能产生对称相反弯曲振动模态的电极配置。石英垫片2作为石英谐振器3复合到磁致伸缩单元上1的传递结构，分别位于上下两个磁致伸缩单元1的两端，其作用之一在于使石英谐振器3中部的振动梁与磁致伸缩单元1分隔开一定距离，保证英谐振器3中部的振动梁能够自由振动，其作用之二在于使石英谐振器3表面电极与磁致伸缩单元不接触，防止造成电极短路。磁致伸缩单元1为矩形的磁致伸缩片，下面的磁致伸缩单元与石英谐振器长度相等，上面的磁致伸缩单元长度比石英谐振器长度稍短，从而复合之后，英谐振器3的表面电极暴露在外，可以方便的焊接引线。将上下两个磁致伸缩单元1，四个石英垫片2，以及石英谐振3通过强力胶(例如环氧树脂胶)粘接的方法复合在一起，获得复合的敏感单元结构5。在待测磁场作用下，磁致伸缩单元1由于磁致伸缩效应产生磁致伸缩应力，该应力经过石英垫片2传递到石英谐振器2的两端，从而石英谐振器3两端受力，导致石英谐振器3的谐振频率发生变化。由于复合敏感单元结构5上下各有一个磁致伸缩单元1，具有对称性，上下两个磁致伸缩单元产生的弯矩相互抵消，整个结构不发生弯曲或仅仅发生微小的弯矩，主要的磁致伸缩力沿着纵向传递，这大大提高了石英谐振器3上的纵向作用，提高传感器的灵敏度。本专利技术为了提高磁致伸缩应力的传递效率，采用两个磁致伸缩单元与谐振器复合，形成对称结构，从而整个结构不会发生弯曲变形或仅仅发生微小的弯曲变形，从而所有的磁致伸缩应力沿着纵向传递，大大提高磁致伸缩应力的传递效率。本专利技术中，所述磁致伸缩单元将因磁场作用而产生的磁致伸缩应力加载给所述高Q值谐振器，并且磁致伸缩应力传递损耗极小。所述高Q值谐振器为双端固定的石英音叉谐振器；石英音叉谐振器可以为双梁结构或者三梁结构，所述石英谐振器通过其两端设置的谐振器固定区域复合在所述两个磁致伸缩单元之间，整个结构为一个对称结构。图2是本专利技术中传感器频率转换测量的实施方式示意图，包含门振荡电路构成的多谐振荡器6和频率计7。谐振式磁传感器5通过驱动电极4(图1中任意一端的两个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，包括高Q值谐振器、设置在高Q值谐振器上下两侧的磁致伸缩单元；所述磁致伸缩单元在磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述高Q值谐振器上。

【技术特征摘要】
1.一种谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，包括高Q值谐振器、设置在高Q值谐振器上下两侧的磁致伸缩单元；所述磁致伸缩单元在磁场作用下产生磁致伸缩应力并将所述应力加载到所述高Q值谐振器上。2.如权利要求1所述谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，所述高Q值谐振器与磁致伸缩单元之间设置有绝缘垫片，磁致伸缩单元产生的所述应力通过绝缘垫片的传递加载到所述高Q值谐振器上。3.如权利要求2所述谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，所述高Q值谐振器、绝缘垫片以及磁致伸缩单元之间通过强力胶粘接复合在一起。4.如权利要求2所述谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，所述绝缘垫片设置在磁致伸缩单元的两端。5.如权利要求1所述谐振型磁传感器敏感单元，其特征在于，所述高Q值谐振器的电极暴露在所述谐振型磁传感器敏感单元结构之外。6.如权利要求1至5所述任意一谐振型磁传感器敏感单...

【专利技术属性】
技术研发人员：卞雷祥，文玉梅，李平，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32