本发明专利技术提供一种单轴静电驱动的弱磁场测量传感器，包括绝缘基底、一对静电驱动电极、两对输入输出电极、GMR敏感元件、两个相同的磁力线聚集器、微悬臂梁、调制膜。绝缘基底上镀有电极，刻蚀有浅槽。GMR敏感元件和两个磁力线聚集器都固定在绝缘基座表面上，并且三者中轴线成一直线。微悬臂梁采用导电硅片制作，包括基座和悬臂。基座固定在绝缘基底上，基座连接悬臂，悬臂上翘端下表面制备有调制膜；调制膜与GMR敏感元件垂直距离为8～15微米。本发明专利技术所提供的弱磁场测量传感器调制深度较大，分辨力较高，结构工艺简单。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及传感器
，特别是用于微弱信号的传感器，具体地说，涉及一种用于测量微弱磁场的单轴磁传感器。
技术介绍
微弱磁场测量在地磁导航、目标探测、地质勘探、生物医学等领域都有广泛应用。 现阶段用于微弱磁场测量的传感器类型较多，主要包括磁通门传感器、光泵式磁传感器、质子式磁传感器、光纤磁传感器、巨磁阻抗磁传感器、GMR(Giant Magnetoresistive,巨磁阻) 磁传感器等，其中GMR磁传感器是基于微电子工艺制成的，相比其他类型的磁传感器明显具有体积小、功耗低、易批量生产等特点。1988年，法国科学家Albert !^ert和德国科学家Peter Grunberg各自领导的实验小组先后独立发现了 GMR效应，其中Albert Fert实验小组研究发现在微弱磁场中铁-铬多层薄膜的电阻值急剧变化，并将该现象命名为“GMR效应”，而Peter Grunberg小组在铁-铬-铁三层反铁磁薄膜结构中也发现了类似的实验现象。此后针对GMR效应的研究便如火如荼地展开了，具有GMR效应的新结构不断呈现，而对具有GMR效应的结构也称之为 GMR敏感元件。随着研究的不断深入，人们发现GMR敏感元件的磁场灵敏度越高，其噪声特别是Ι/f噪声也越大，而且其中取决于内部磁结构的Ι/f磁噪声无法通过常规的电调制方法予以抑制，正是这一点限制了 GMR磁传感器分辨力的提高。近年国外对于如何有效抑制GMR敏感元件的Ι/f噪声的问题开展了大量研究，其中运用微机械结构驱动磁性薄膜调制被测低频微弱磁场来抑制GMR敏感元件Ι/f噪声的技术方案最为可行。美国陆军实验室的Alan S. Edelstein等在2003至2007之间陆续取得了 4 项相关的美国国家专利(专利号:US6670809、US7046002、US7185541、US7195945)， 这些专利中所述技术方案的共同特点是首先将磁力线聚集器制备在微机械结构上，然后利用静电驱动方式驱动微机械结构和磁力线聚集器共同高频振动，磁力线聚集器的磁场放大倍数随之周期性地变化，此时处于磁力线聚集器间隙内的GMR敏感元件可探测到一个高频调制后的被测磁场。此类技术方案虽可有效抑制GMR敏感元件的Ι/f噪声，并明显提高 GMR磁传感器的低频磁场分辨力，但其结构相对复杂，制作工艺涉及深度反应离子刻蚀技术和绝缘硅技术，整个过程费时费力，成本很高，此外调制深度也较低(14%左右)，不利于进一步提高磁场分辨力。
技术实现思路
本专利技术将提供一种调制深度较大，分辨力较高，结构工艺简单的弱磁场测量传感ο本专利技术的技术方案是一种单轴静电驱动的弱磁场测量传感器，包括绝缘基底、一对静电驱动电极、两对输入输出电极、GMR敏感元件、两个相同的磁力线聚集器、微悬臂梁、 调制膜。所述绝缘基底采用表面抛光的玻璃片，绝缘基底上镀有两对输入输出电极和一对静电驱动电极；绝缘基底中央刻蚀有一浅槽，浅槽一端延伸至绝缘基底边缘；静电驱动电极的某一极镀在浅槽内，并且延伸至绝缘基底边缘，另一极与微悬臂梁电连接。所述GMR敏感元件呈细条状，其上表面中央有一条横向的间隙。每个磁力线聚集器一端开有“凹”形槽， “凹”形槽宽度比GMR敏感元件略宽。GMR敏感元件和两个磁力线聚集器都固定在绝缘基座表面上，并且GMR敏感元件两端分别位于磁力线聚集器的“凹”形槽内，GMR敏感元件和两个磁力线聚集器这三者中轴线成一直线。两对输入输出电极分别与GMR敏感元件的两对输入输出电极连接。微悬臂梁采用导电硅片制作，包括基座和悬臂。基座固定在绝缘基底上，基座连接悬臂，悬臂位于浅槽内镀有静电驱动电极的正上方，悬臂上开有若干阻尼孔；悬臂自由端上翘，上翘端开有两个对准孔，上翘端下表面两个对准孔之间制备有高磁导率软磁材料的调制膜；调制膜正对GMR敏感元件的间隙，调制膜的形状与间隙的表面形状相同，调制膜与GMR敏感元件垂直距离根据实际需要确定，通常在8 15微米。本专利技术的有益效果是采用调制膜在GMR敏感元件正上方振动的调制方式，可以使调制膜的振动幅度相对较大，因此得到的调制深度较大(仿真实验证明大于40% )，通过调制膜的调制使微弱直流磁场在GMR敏感元件处为高频交变磁场，抑制了 GMR元件的1/ f噪声，通过采用磁力线聚集器使微弱磁场在GMR敏感元件处得到了放大，从而磁传感器测量分辨力得到大幅度提高(仿真实验证明提高了两个数量级)；微悬臂梁结构简单，制造方便，有效降低传感器的制作成本。附图说明图1是本专利技术某一具体实施方式提供的单轴静电驱动弱磁场测量传感器的结构示意图；图2是本专利技术某一具体实施方式中的绝缘基底示意图；图3是本专利技术某一具体实施方式中的条形磁力线聚集器与GMR敏感元件的组装结构示意图；图4(a)是本专利技术某一具体实施方式中微悬臂梁的俯视图；图4(b)是本专利技术某一具体实施方式中微悬臂梁的仰视图；图4(c)是本专利技术某一具体实施方式中微悬臂梁的侧视图。1-基座，2-悬臂，3-调制膜，4-台阶一，5-阻尼孔，6_台阶二，7_对准孔，8_绝缘基底，9-浅槽，11-a和11-b-静电驱动电极对，12-a和12_b_输入输出电极对一，13_a和 13-b-输入输出电极对二，14-GMR敏感元件，15-磁力线聚集器，16-间隙，17-微悬臂梁。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术某一具体实施方式提供的单轴静电驱动弱磁场测量传感器的结构示意图。如图所示，本具体实施方式包括绝缘基底8、一对静电驱动电极11-a和11-b、两对输入输出电极12-a和12-b、13-a和13_b，GMR敏感元件14、两个相同的磁力线聚集器15、 微悬臂梁17、调制膜3 (见图4)。所述绝缘基底8采用表面抛光的玻璃片，玻璃片上镀有两对输入输出电极12-a和12-b、13-a和13_b，一对静电驱动电极ll_a和ll_b ；绝缘基底8 中央刻蚀有一浅槽9，浅槽一端延伸至绝缘基底边缘；静电驱动电极的11-b极镀在浅槽9内，静电驱动电极的11-a极与微悬臂梁17电连接。所述GMR敏感元件14呈细条状，其上表面中央有一条横向的间隙16(见图幻；每个磁力线聚集器15 —端开有“凹”形槽，“凹” 形槽宽度比GMR敏感元件14略宽(见图幻；GMR敏感元件14和两个磁力线聚集器15都固定(如采用环氧树脂胶粘接)在绝缘基座8表面上，并且GMR敏感元件14两端分别位于一个磁力线聚集器15的“凹”形槽内，GMR敏感元件14和两个磁力线聚集器15这三者中轴线成一直线(见图幻。两对输入输出电极分别与GMR敏感元件14的两对输入输出电极连接。微悬臂梁17的基座1固定(如用环氧气树脂胶粘接或低温键合)在绝缘基底8上，基座1连接悬臂2，悬臂2在浅槽9的正上方；悬臂2上开有若干阻尼孔5 (见图4(b))；悬臂 2自由端上翘(见图4(a))，即远离基座的一端上翘；上翘端开有两个对准孔7，上翘端下表面两个对准孔7之间制备有高磁导率软磁材料制备的调制膜3 (见图4(c))；调制膜3位于 GMR敏感元件14的间隙16的正上方，调制膜3的形状与间隙16的表面形状相同，调制膜3 与GMR敏感元件14垂直距离根据需要通常在8 15微米。图2是本专利技术某一具体实施方式中的绝缘基底示意图。如图所示绝缘基底8采用抛光玻璃片本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种单轴静电驱动的弱磁场测量传感器，包括绝缘基底（８）、一对静电驱动电极（１１－ａ、１１－ｂ）、两对输入输出电极（１２－ａ和１２－ｂ、１３－ａ和１３－ｂ）、ＧＭＲ敏感元件（１４）、两个相同的磁力线聚集器（１５）、微悬臂梁（１７）、调制膜（３），其特征在于，所述绝缘基底（８）采用表面抛光的玻璃片，绝缘基底（８）上镀有两对输入输出电极和一对静电驱动电极；绝缘基底（８）中央刻蚀有一浅槽（９），浅槽（９）一端延伸至绝缘基底（８）边缘；静电驱动电极（１１－ａ、１１－ｂ）的某一极镀在浅槽（９）内，并且延伸至绝缘基底（８）边缘，另一极与微悬臂梁（１７）电连接；所述ＧＭＲ敏感元件（１４）呈细条状，其上表面中央有一条横向的间隙（１６）；每个磁力线聚集器（１５）一端开有“凹”形槽，“凹”形槽宽度比ＧＭＲ敏感元件（１４）略宽；ＧＭＲ敏感元件（１４）和两个磁力线聚集器（１５）都固定在绝缘基座（８）表面上，并且ＧＭＲ敏感元件（１４）两端分别位于磁力线聚集器（１５）的“凹”形槽内，ＧＭＲ敏感元件（１４）和两个磁力线聚集器（１５）这三者中轴线成一直线；两对输入输出电极分别与ＧＭＲ敏感元件（１４）的两对输入输出电极连接；微悬臂梁（１７）采用导电硅片制作，包括基座（１）和悬臂（２）；基座（１）固定在绝缘基底（８）上，基座（１）连接悬臂（２），悬臂（２）位于浅槽（９）内镀有静电驱动电极的正上方，悬臂（２）上开有若干阻尼孔（５）；悬臂（２）自由端上翘，上翘端开有两个对准孔（７），上翘端下表面两个对准孔（７）之间制备有高磁导率软磁材料的调制膜（３）；调制膜（３）正对ＧＭＲ敏感元件（１４）的间隙，调制膜（３）的形状与ＧＭＲ敏感元件（１４）的间隙（１６）的表面形状相同。...
【技术特征摘要】
1.一种单轴静电驱动的弱磁场测量传感器，包括绝缘基底(8)、一对静电驱动电极 (ll-a、ll-b)、两对输入输出电极(12-a和12_b、13_a和13_b)、GMR敏感元件(14)、两个相同的磁力线聚集器(15)、微悬臂梁(17)、调制膜(3)，其特征在于，所述绝缘基底(8)采用表面抛光的玻璃片，绝缘基底(8)上镀有两对输入输出电极和一对静电驱动电极；绝缘基底 (8)中央刻蚀有一浅槽(9)，浅槽(9) 一端延伸至绝缘基底(8)边缘；静电驱动电极(11-a、 11-b)的某一极镀在浅槽(9)内，并且延伸至绝缘基底(8)边缘，另一极与微悬臂梁(17)电连接；所述GMR敏感元件(14)呈细条状，其上表面中央有一条横向的间隙(16)；每个磁力线聚集器(15) —端开有“凹”形槽，“凹”形槽宽度比GMR敏感元件(14)略宽；GMR敏感元件(14)和两个磁力线聚集器(15)都固定在绝...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡佳飞，陈棣湘，田武刚，张琦，罗诗途，潘孟春，李季，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43
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