振荡梁磁力计的制作方法

专利名称：振荡梁磁力计的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁力计，更具体地，涉及基于微机电系统(MEMS)的 磁力计。
背景技术：
磁力计广泛用于各种应用中，诸如行星探测、工业生产过程传感 器、医学成像设备、科学设备、与矿床和沉船探测。磁力计设计和发 展的当前趋势是向着更小尺寸、更低功耗、和对于一组所希望的性能 特性的更低费用。现有技术的微型磁力计的例子可以在美国专利 No. 5， 998， 995、 No. 5, 731， 703和No. 5， 644, 230中找到，它们的全部 教导在此引入以作为参考。
现有技术微型磁力计的一个问题是，它们典型地包括永久的或电 的强微磁体(strong micro-magnet)。永久微磁体需要磁性(例如，铁 磁和/或磁致伸缩)材料，该材料用传统微加工技术相对难以处理和集 成到磁力计结构中。微电磁体，虽然相对容易加工，但需要电流通过， 这可能会引起过度的加热和/或不可接受的高功耗。而且，在具有两个 或更多个磁传感器的磁力计中，这些传感器的永久或电磁体可能会相 互干扰，由此使每个传感器产生的测量结果失真。

发明内容
现有技术的问题通过磁力计的多个实施例得到解决，该磁力计具 有可变形的导电梁，该梁支撑在基板上，并适于相对于基板振荡。当 该振荡梁暴露于磁场中时，该磁场引起振荡电动力，该电动力产生沿 着梁的振荡电信号。该磁力计具有检测电路，该电路检测这个振荡电信号，并基于该检测结果，确定磁场强度和/或磁场梯度。
在一个实施例中，本发明的磁力计包括具有两个平行的梁元件的
MEMS装置，每一个梁元件在其一端物理地固定到基板和固定到另一个 梁元件的相应端，以致在梁元件之间限定开口 (opening)。施加到定 位在靠近梁元件的该开口内的驱动电极的周期性驱动信号引起两个梁 元件的振荡。在装置表面上配置两个螺旋形状的导电轨迹，以使得属 于该轨迹螺旋的不同圈的第一轨迹的至少两部分彼此并排地布置在第 一梁元件之上，属于那个轨迹螺旋的不同圈的第二轨迹的至少两部分 类似地布置在第二梁元件之上。在一个布线配置中，第一和第二导电 轨迹彼此串联连接，以使得在磁场存在的情况下，振荡梁元件在连接 轨迹的终端之间感应出表示磁场强度的振荡电信号。在另一个布线配 置中，第一和第二导电轨迹彼此串联连接，以使得在磁场存在的情况 下，振荡梁元件在连接轨迹的终端之间感应出表示磁场梯度的振荡电 信号。
根据一个实施例，本发明是一种装置，包含(A)振荡器；(B) 沿着其长度具有电路径的梁，其中该振荡器被配置为，机械振荡该梁， 以响应在磁场中正在振荡的梁在路径中产生振荡电信号；和(C)检测电 路，该电路电耦合到该路径，并被配置为基于振荡电信号产生磁场的 测量值。
根据另一实施例，本发明是一种产生磁场的测量值的方法，该方 法包括下列步骤(A)相对于支撑梁的基板振荡该梁；(B)在振荡 梁的同时，将该梁暴露在磁场中，使得磁场导致在沿着梁的电路径中 产生振荡电信号；和(C)测量振荡电信号，以产生磁场的测量值。


从下面的详细说明、所附权利要求书和附图中，本发明的其它方 面、特征和益处将变得更加完全明显，其中
图l表示根据本发明一个实施例的磁力计的框图2表示MEMS装置的顶视图，该装置可以用作根据本发明一个实 施例的图1的磁力计中的传感器；
图3表示驱动和检测电路(DD)的框图，其可以用在根据本发明 的一个实施例的图1的磁力计中；图4A-B表示MEMS装置，该装置可以用作根据本发明另一个实施 例的图1的磁力计中的传感器；
图5A-D表示MEMS装置，该装置可以用作根据本发明又一个实施 例的图1的磁力计中的传感器；
图6表示具有布线配置的MEMS装置，该装置可以被用作根据本发 明又一个实施例的图1的磁力计中的传感器。
图7表示根据本发明另一个实施例的图6中所示装置的另一布线 配置；
图8表示MEMS装置，该装置可以用作根据本发明又一个实施例的 图1的磁力计中的传感器。
具体实施例方式
图1表示根据本发明一个实施例的磁力计100的框图。磁力计100 包括耦合到驱动-检测(DD)电路104的磁场传感器102。传感器102 具有导体(未示出)，该导体可以由DD电路104驱动，从而相对于传 感器的静止部分机械地振荡。已知，当移动(例如，振荡)导体被置于 磁场B中时，磁场跨越导体感应出电压，该电压与磁场部件的大小有 关。DD电路104被配置为，测量感应的电压，然后通过输出信号106 将测量结果输出到外部处理器(未示出)，然后，该外部处理器可以 基于该输出信号得到相应于导体方位和关于磁场的运动矢量的磁场部 件的大小。在可选实施例中，DD电路104具有内部处理器(未示出)， 该处理器适于产生直接表示(例如，以数字形式)那个磁场部件的强 度的输出信号106。
在一个实施例中，传感器102具有三个不同定向的导体(未示出)， 它们适于由DD电路104驱动，从而沿着三个不同(例如，互相正交) 的方向振荡。结果，三个导体的每个对磁场部件灵敏，该磁场部件与 其它两个导体所灵敏的磁场部件中的每一个不同。DD电路104适于测 量跨越三个导体感应的三个电压的每个，并提供测量结果到内部或外 部处理器。基于这些测量结果、导体形状和振荡幅度，然后处理器得 到磁场B的强度和方向。
图2表示MEMS装置202的顶视图，其可以被用作根据本发明一个 实施例的磁力计100中的传感器102。使用绝缘体上硅(SOI)晶片210制造装置202。晶片210具有(i )两个硅层，只有其中一个，即覆盖 层(overlayer ) 216，在图2的视图中可见，和(ii )氧化硅层214， 该层定位在覆盖层216和笫二硅层(即，基板层)之间，该第二硅层 在图2中不能很好地可见，除了围绕装置边缘的该层的窄条之外。基 板层提供对装置结构的支持；氧化硅层214提供覆盖层216和基板层 之间的电绝缘；覆盖层216用来限定装置的某些结构元件，这些元件 的每一个在下面得到更加详细地描述。
装置202包括导电可变形梁220,其附着在接触焊盘224a-b之间。 梁220和焊盘224a-b由覆盖层216构成。更具体地，去除靠近和在梁 220下面的部分的氧化硅层214和基板层，以释放梁，使其可相对于装 置结构的其它部分移动。每个接触焊盘224a-b在覆盖层216中由相应 的其中一个槽222a-b限定，该槽穿过覆盖层一直被向下蚀刻到氧化硅 层214。由于由槽222a-b和层214提供的电绝缘，梁220和接触焊盘 224a-b与装置结构的其它部分电隔离。 一对附着到接触焊盘224a-b 的线226a-b形成用于连接梁220到DD电路例如图1的DD电路104的 检测线。在一个实施例中，为了更好的电导率，梁220的顶表面和接 触焊盘224a-b由薄金属(例如，金)膜覆盖。
装置202还包括三个电极234a-c，它们每个在覆盖层216中由相 应的其中一个槽232a-c限定，这些槽类似于222a-b。由于每个电极 234a-c与装置结构的其它部分电隔离，所以每个电极可被独立地偏置， 例如，相对于梁220。同样地，任何一个电极234a-c可被用来例如从 图1的DD电路104接收驱动信号。为说明起见，图2表示这样一种配 置，其中驱动信号电线236附着到电极234b。其中驱动信号被施加到 一个以上的电极的布线配置也是可能的。
当周期性(例如，正弦)驱动信号施加到电极234a-c的所选中的 一个时，它在电极和梁220之间产生振荡引力，该引力导致梁关于平 衡位置振荡，该平衡位置对应引力的时间平均值。由于引力与电极234 和梁220之间的电压微分的平方成比例，所以由交变电极的驱动信号 产生的时间平均力值通常不是零，并且梁的振荡具有驱动信号的二次 谐波。另一方面，如果使用具有固定极性的周期驱动信号(例如，偏 置正弦信号)，那么梁220通常以驱动信号的频率振荡。
图3表示DD电路304的框图，该DD电路可用作为根据本发明一个实施例的磁力计100中的DD电路104。示例性地，DD电路304显示 为连接到图2的装置202。然而，要注意，图3中的装置202的布线配 置与图2中的不同。更具体地，在图3的配置中，DD电路304连接到 电极234a和234c，而在图2的配置中，相应的DD电路连接到电极234b。
DD电路304具有控制电路操作模式的开关S1。更具体地，为了能 够实现开环模式，开关Sl被配置为将电极234a耦合到外部AC源(未 示出)。可替换地，为了能够实现闭环模式，开关S1被配置为，经由 反馈环310将电极234c耦合到电极234a。下面更加详细地描述DD电 路304的这些操作模式的每一个。
首先参考DD电路304的开环模式，使用可变增益放大器Al放大 从外部AC源接收的参考AC信号308。使用偏置电压VI适当偏置产生 的放大信号，并将该信号作为固定极性的驱动信号施加到电极234a。 在与梁220正交的外部磁场存在的情况下，由驱动信号引起的梁振荡 导致振荡电压微分出现在接触焊盘224a-b之间。正如上面已经解释的， 这个振荡电压微分的幅度表示磁场强度。连接到接触焊盘224a-b的放 大器330放大在焊盘处拾取的信号，并将产生的放大信号332施加到 锁定检测器(lock-in detector) 340。为了能实现在检测器340的信 号332的锁定检测，由放大器Al接收的输入信号被分支，并被作为参 考信号322施加到锁定检测器。使用信号322，检测器340测量信号 332中相应频率分量的幅度，并将测量结果作为输出信号306输出，该 输出信号306例如类似于图1的输出信号106。在一个实施例中，检测 器340是从Sunnyvale CA的Stanford Research Systems股份有限公 司获得的商用的SR 830锁定放大器。
DD电路304进一步包括两个可选的补偿路径，第一个补偿路径具 有可变增益放大器A3和移相器PS3，第二补偿路径具有可变增益放大 器A2和移相器PS2。第一补偿路径被配置为降低信号332和驱动信号 之间的电串扰。更具体地，由于梁220和驱动电极234a之间的电容耦 合，即使没有磁场和/或梁没有振荡，驱动信号也通过由梁和驱动电极 形成的电容器"泄漏，，，以创建将在信号332中存在的背景信号分量。 第一补偿路径通过下列步骤基本上消除那个背景分量(i)适当放 大可变增益放大器A3中的驱动信号，(ii )在移相器PS3中将结果移 相90度，以解决(account for)电容相移，和创建与泄漏信号异相的信号，和(iii)将异相信号添加到从焊盘224a-b中拾取的信号中。
第二补偿路径被配置为降低地球磁场对信号332的影响，或，可替 换地，使得信号332对地球磁场强度的局部变化更敏感。更具体地，放 大器A2的增益被设置为，产生处于参考磁场强度的具有基本上等于从 焊盘224a-b拾取的信号幅度的幅度的输出信号。该输出信号在移相 器PS3中被适当移相，以与从焊盘224a-b拾取的信号异相，并被施加 到放大器330的输入，以降低信号332幅度的相应量。由于第二补偿 路径，信号306将指示磁场的存在，该磁场基本上到磁场强度偏离参 考磁场强度的程度。如果参考磁场强度被选择作为处于给定地理位置 的"标准"地球磁场强度(其范围为从南美和南非大部分地区的约30微 特斯拉到超过处于加拿大南方和澳大利亚南方的磁极周围的约60微特 斯拉)，那么信号306将是周围磁场强度偏离该"标准"磁场强度的 测量值。
现在参考DD电路304的闭环模式，当开关Sl跳到闭环配置时， 电极234c和234a经由具有可变增益放大器A5、移相器PS5、限幅器 318和可变增益放大器Al的电路径被耦合。放大器Al和A5的累计增 益被设置成这样的值，该值高到足以引起闭环作为易于例如由于热噪 声而自激的有效信号发生器，该闭环包括(i )由梁220和电极234c 和234a形成的电容器和(ii )这些电极之间的上述指定电路径。选择 闭环的电特性，以使得由这个有效信号发生器施加到电极234a的驱动 信号具有相对接近梁220的共振频率的频率。
由于梁220的振荡，由梁和电极234c形成的电容器(此后称为感 应电容器)的电容变得与时间有关。当连接电极234c到偏置电压V2 的电阻器Rl的电阻和放大器A5的输入阻抗相对大时，存贮在感应电 容器中的电荷基本上与时间无关。在与时间有关的感应电容器中存储 的基本恒定的电荷引起感应电容器两端的电压以与梁220的频率相同 的频率振荡。这个振荡电压，标记为信号312，使用放大器A5放大以 产生信号316。正如在上面引用的共同拥有的美国专利申请 No. 10/889, 970中更详细解释的，信号316的相位通常滞后驱动信号的 相位90度。这个相位滞后通过将信号316传送经过移相器PS5来消除。 产生的相移信号穿过限幅器318，其被配置为如果通过信号的大小超过 某一固定值，则箝住该通过信号。限幅器318的有效效应是整形施加到电极234a的驱动信号和限制该信号的幅度。由限幅器318产生的输 出信号使用放大器Al被放大，使用偏置电压V1被偏置，并被施加到 电极234a。
DD电路304进一步包括第三可选补偿路径，该路径具有可变增益 放大器A4，并被配置来降低信号312和驱动信号之间的电串扰。更加 具体地，电极234a、梁220和电极234c形成两个串联连接的电容器， 它们提供驱动信号和信号312之间的电容耦合。同样地，驱动信号通 过这些电容器"泄漏"，以创建信号312中的寄生信号分量。通过在 可变增益放大器A4中适当放大驱动信号并将产生的信号添加到信号 312中，第三补偿路径基本上消除那个寄生分量。由于通过两个串联连 接的电容器泄漏的寄生分量相对于驱动信号具有180度相移，所以由 放大器A4产生的信号基本上消除了那个寄生分量。
在DD电路304的闭环配置中从焊盘234a-b拾取的信号的检测基 本上类似于在开环配置中的检测。同样地，电路检测部分的功能性描 述在此不重复。类似于开环配置，上述笫一和/或第二补偿路径可在闭 环配置中使用，以(i )降低信号332和由放大器Al施加到电极234a 的驱动信号之间的电串扰，和/或(ii )使得信号332对周围磁场强度 的局部变化更加敏感。
图4A-B表示可用作根据本发明另一个实施例的磁力计100中的传 感器102的MEMS装置402。更加具体地，图4A表示装置402的顶视图， 图4B表示在那个装置中的梁元件桥420的侧截面图。在一个实施例中， 使用类似于图2的晶片210的SOI晶片410制作装置402。晶片410具 有(i )两个硅层，即，覆盖层416和基板层412 (参见图4B)，和 (ii )氧化硅层414,位于层412和416之间，基板层412提供对装置 结构的支撑；氧化硅层414提供层412和416之间的电绝缘；覆盖层 416用来限定装置的某些结构元件。
装置402包括两个导电可变形梁元件，即，驱动梁元件430和感 应梁元件440，这些梁元件通过桥420机械耦合。通过去除位于靠近并 在这些梁元件下面的部分的氧化硅层414和基板层412，梁元件430 和440由覆盖层416形成。然而，基板层412相应于桥420的部分保 持完整，以形成梁元件430和440之间的机械链接426，如图4B中所 示。当桥420机械地耦合梁元件430和440时，桥也提供梁元件之间的电绝缘。更加具体地，在穿过层416和414的桥材料中蚀刻的槽428 提供覆盖层416内的梁元件430和440之间的电绝缘，而氧化硅层414 的底层部分防止梁元件通过链接426电短路(参见图4B )。
装置402中的驱动电极434基本上类似于装置202中的电极U4b
(图2)。因此，施加在电极434和驱动梁元件430之间的周期驱动电 压引起驱动梁元件类似于装置202中的梁220那样振荡。由于桥420 提供的机械链接，感应梁元件440和驱动梁元件一起振荡。在磁场存 在的情况下，感应梁元件440的这个振荡在焊盘444a-b之间产生振荡 电压，感应梁元件的末端电连接到这些焊盘。例如，使用图3的DD电 路304的开环配置，可拾取和检测这个振荡电压，来确定磁场强度。
由桥420提供的机械耦合的梁元件430和440之间的电绝缘可以 是有利的，因为与装置202中的相应电串扰相比，它可以降低施加到 装置402的驱动信号和由那个装置产生的输出信号之间的电串扰。这 个降低主要由于(i )由感应梁元件440和驱动电极434之间的相对 大距离实现的连接到装置402的驱动和检测线之间的相对弱的电容耦 合；(ii )缺少感应电极和由驱动电极和驱动梁元件430形成的电容 器之间的直接电连接。本领域技术人员将会意识到，使用例如图3的 DD电路304中的第一补偿路径(具有放大器A3和移相器PS3)，由装 置402产生的相对小的电串扰为自己提供相对有效的补偿。
图5A-D表示可用作根据本发明又一实施例的磁力计100中的传感 器102的MEMS装置502。更加具体地，图5A表示装置502的顶视图； 图5B-C表示装置的部分550和560的放大顶视图；图5D表示该装置 中的感应梁元件540的侧截面图。装置502的结构一般类似于装置402
(图2 )的结构。具体地，装置502具有驱动电极534、驱动梁元件530、 感应梁元件540以及驱动和感应梁元件之间的桥520，它们分别类似于 装置402的驱动电极434、驱动梁元件430、感应梁元件440和桥420。 然而，装置402和502之间的一个差别在于，后者具有附加的材料层， 即，在SOI晶片的硅覆盖层上沉积的氮化硅层518。由于氮化硅是绝缘 体，所以层518具有可用来传递驱动信号给驱动电极534的镀金属的 开口 (通路)536。装置402和502之间的另一个差别是，后者具有几 个覆盖在氮化硅层518上的导电轨迹。更加具体地，驱动梁元件530 具有金属轨迹532，其用来改进驱动梁元件的电导率。类似地，感应梁元件540具有螺旋形状的金属轨迹542的两个部分，其布局和功能将
在下面更加详细地描述。
金属轨迹542开始于接触焊盘544a，如图5B所示，且轨迹部分 542a和542b从那个接触焊盘到感应梁元件540的左终端，在那里轨迹 部分542b与轨迹部分542c连接。然后轨迹部分542c —路沿着感应梁 元件540延伸到感应梁元件的右终端，在那里它与轨迹部分542d连接， 这可以在图5C中看到。轨迹部分542d与轨迹部分542e连接，轨迹部 分542e在装置502的静止部分(参见图5A-C )上与感应梁元件540 平行地延伸。轨迹部分542e与轨迹部分542f连接，轨迹部分542f与 轨迹部分542b平行地延伸，如图5B所示。轨迹部分542f到达感应梁 元件540的左终端，在那里它与轨迹部分542g连接。然后轨迹部分542g 一路沿着感应梁元件540 (参见图5B和5D)平行于轨迹部分542c延 伸到感应梁元件的右终端，在那里轨迹部分542g与图5C中所示的轨 迹部分542h相连接。最后，轨迹部分542h与轨迹部分542i相连，轨 迹部分542i终止于接触焊盘544b(参见图5C)。尽管，在图5所示的 实施例中，金属轨迹542具有两个沿着感应梁元件540延伸的平行部 分，但在不同的实施例中，金属轨迹5"可以以向内螺旋的方式布置， 以具有三个或更多个属于沿着感应梁元件延伸并与其它轨迹部分相连 的该螺旋的不同圈的平行部分，因此，沿着金属轨迹542从接触焊盘 544a朝着接触焊盘544b绘制的线总是在相同的方向上沿着感应梁元 件行进，例如，在图5A的视图中，从感应梁元件的左终端到它的右终 端。
在装置502中具有螺旋形状的轨迹542的一个目的是，由于感应 梁元件540上螺旋轨迹部分的存在，与在类似尺寸的装置402中的相 比，增加了至少两倍(two-fold)的感应梁元件的有效长度。更大的 有效长度是有利的，因为由该装置产生的振荡信号的幅度与感应梁元 件的长度通常成比例。因此，在感应梁元件540上具有螺旋轨迹542 的两个平行部分的装置502将产生这样的信号，该信号的幅度大约是 两倍于由类似配置的装置402产生的信号幅度那么大。利用在感应梁 元件540上具有螺旋轨迹542的三个或更多个平行部分的装置502的 实施例，可以获得甚至更大的信号增强。
图6表示MEMS装置602,其可以用作根据本发明又一实施例的磁力计100中的传感器102。装置602类似于图5中的装置502，因为装 置602具有(i )在SOI晶片的硅覆盖层上沉积的氮化硅层618，使用 其形成装置602,和(ii )在氮化硅层上布置的金属轨迹。然而，装置 602和502在它们的驱动电极的形状和位置方面以及在它们的振荡梁 形状方面不同。更加具体地，装置602中的梁结构类似一对在它们的 振荡末端结合在一起的音叉，并且这一对音叉使用叉柄锚定在装置的 静止部分。驱动电极636定位在梁结构的内开口中。驱动电极636由 两个三脚架形状的支撑结构638a-b支撑在开口中，每个支撑结构附着 在相应电极末端和装置602的静止部分之间。在一个实施例中，使用 SOI晶片的基板层形成支撑结构638a-b。注意，定位在支撑结构638a-b 的顶部和梁结构的底部之间的中间氧化硅层的部分被蚀刻掉，以钻蚀 (undercut )梁结构，使得它只在叉柄处附着在装置602的静止部分。
装置602另外具有两个电极634a-b，其每个在结构上类似于装置 502的电极534。电极634a-b的每个可用作感应电极，例如，类似于 图2和3的感应电极234c。然而，在图6的装置布线配置中，只有感 应电极634a被布线连接到DD电路，而电极634b是自由浮动的。
装置602中的梁结构具有两个可变形的梁元件640a-b，每个具有 在其上布置的金属轨迹的相应部分。更加具体地，梁元件640a具有螺 旋形的金属轨迹646a的各部分，梁元件640b具有螺旋形的金属轨迹 646b的各部分。从图6中看，金属轨迹646a-b具有基本相同的布局， 金属轨迹646b的布局可以通过围绕点A旋转金属轨迹646a的布局180 度来获得，点A定位在驱动电极636的中心，并表示轨迹布局的对称 中心。鉴于这种对称性，只有其中一个金属轨迹(即金属轨迹646b) 的布局将在下面使用图6的视图详细地描迷。
金属轨迹646b开始于接触焊盘644a，并越过梁元件640b上的梁 结构的左叉柄。然后金属轨迹646b沿着梁元件640b的外边缘延伸， 并将梁结构保持在其右叉柄之上。然后金属轨迹646b围绕电极634b 和接触焊盘644a循环，并在其左叉柄之上重新进入梁结构。然后，金 属轨迹646b沿着梁元件640b的内边缘延伸，并将梁结构保持在其右 叉柄之上。最后，金属轨迹646b终止在接触焊盘644b处。
通过使用线648电连接接触焊盘644b-c将金属轨迹646a-b接在 一起。接触焊盘644a和644d连接到与由图2中的线226a-b形成的检测线相似的检测线。然后，以这种方式布线的装置602可以以基本上 与装置202 (参见图3)相同的方式被耦合到DD电路304。
当周期性的驱动信号施加到驱动电极636时，那个驱动信号引起 梁元件640a-b振荡，以使得它们在相反的方向上移动。例如，当梁元 件640a向内即朝着电极636偏转时，梁元件640b也向内偏转，因此 沿着与梁元件640a的移动方向相反的方向移动。类似地，当梁元件 640a向外即远离电极636偏转时，则梁元件640b也向外偏转，因此再 一次沿着与梁元件640a的移动方向相反的方向移动。在磁场存在的情 况下，梁元件640a-b沿着相反的方向移动的事实导致在(i )焊盘644a 和644b以及(ii )焊盘644d和644c之间产生的电压微分具有相反的 极性。然而，图6的布线配置，其中焊盘644b电连接到焊盘644c，是 这样的，即这些电压微分累加，而不是彼此相消。类似于图5的装置 502，装置602具有相对大的感应梁元件的有效长度，其产生相对高的 磁场测量灵敏度/准确性。
图7表示根据本发明一个实施例的装置602的另一个布线配置。 更加具体地，在图7的布线配置中，通过使用三个串联连接的线M8a-c 电连接接触焊盘644b和644d，将金属轨迹646a-b布线在一起，而接 触焊盘644a和644c连接到检测线。如果在梁元件640a和640b的磁 场是相同的，那么，在图7的布线配置中，在(i )焊盘644a和644b 以及(ii )焊盘644d和644c之间产生的电压微分基本上彼此相消， 由此产生零(null )检测信号，然而，如果在梁元件640a和640b之 间存在磁场梯度，那么由金属轨迹646a-b产生的电压微分不会彼此相 消，并且在检测线出现的信号是那个磁场梯度的测量值。图7的布线 配置可以是有用的，例如，用于检测明显使周围磁场失真的埋入式铁 磁线，以产生相对强的磁场梯度。这种线检测的一种应用是在作为磁 棒码的基于线的标签的读出器中。
图8表示MEMS装置802,其可以被用作根据本发明又一实施例的 磁力计100中的传感器102。装置802通过基本上堆积四个梁结构形成， 其每一个类似于装置602 (图6和7)的梁结构，并使用三个桥820将 这些梁结构机械耦合，这些桥的每个类似于图4的桥420。装置802具 有四个驱动电极836a-d，其每一个类似于装置602的驱动电极636。 驱动电极836a和836c布线在一起，来接收周期性驱动信号，并且驱动电极836b和836d类似布线在一起，来接收那个周期性驱动信号的 180度相移型式。在每个梁结构上布置的金属轨迹具有螺旋形状，该形 状使得每个梁结构对磁场强度灵敏，类似于图6中所示的装置602的 布线配置。不同梁结构的金属轨迹彼此串联连接，使得由装置802施 加到检测线的信号与由具有单个梁结构的装置产生的信号相比基本上 增强了四倍。类似于装置602，装置802可以被重新布线成对磁场梯度 灵敏，而不是对磁场强度灵敏。
虽然本发明通过参考示例性实施例已经得到描述，但该描述不是 打算用限制的意义来解释。所描述的实施例和本发明的其它实施例的 各种修改，其对于本发明所属领域的技术人员来说是显而易见的，已 被认为落入由下面的权利要求所表达的本发明的原理和范围之内。
尽管本发明的MEMS装置已在硅/氧化硅SOI晶片的情况下得到描 述，但其它适当的材料，诸如锗^卜寸尝式娃(germanium compensated silicon)可以类似;故利用。如本领域中已知的，这些材料可以净皮适当 地掺杂。多种表面可以被改性，例如，通过金属沉积用于提高电导率， 或通过离子注入来提高机械强度。不同形状的电极、焊盘、轨迹、槽、 开口和支撑结构可以被实现，而不脱离本发明的范围和原理。例如， 类似于例如图5的螺旋轨迹542的螺旋轨迹可以被实现为线圏，该线 圈的一些匝利用适当的绝缘形成在其它匝的顶部上。虽然提供与螺旋 轨迹542类似的功能，但该线圈将不同于那个轨迹，因为该线圏将具 有三维结构，而不是螺旋轨迹542的基本平面结构。可变形梁和梁元 件可具有不同的形状和尺寸，其中术语"梁"通常指的是任何适当的 弹性结构，其可以在变形之后回复到它的原始形状。梁本身的材料可 以或可以不是导电的。在后一情况中，沿着梁提供例如导电轨迹形式 的分离的电路径，以通过周围磁场实现梁的机电激励和/或振荡信号的 感应。如果梁的材料是导电的，那么梁本身可以被配置为用作电路径。 各种类型的振荡器可以被耦合到梁和/或所述的电路径，以提供用于振 荡梁的装置。在本发明的装置中可以使用不同数量的电极，而不脱离 本发明的范围和原理。本发明的两个或更多个装置可以被排列，和/或 与其它电路例如DD电路集成在芯片上，对于本领域技术人员来说是需 要的和/或显而易见的。本发明的两个或更多个各种定向的装置可以被 结合到磁力计中，使得磁力计感应各种定向的磁场。可以使用不同类型的对相位变化灵敏的信号检测来代替锁定检测。
为了本说明书的目的，MEMS装置是一种具有两个或更多个适于相 对彼此移动的部分的装置，其中该运动基于任何适当的相互作用或相 互作用的组合，诸如机械的、热的、电的、磁的、光学的、和/或化学 相互作用。使用微或较小的加工技术加工MEMS装置(包括纳加工技术)， 该技术可包括，但不必局限于(l)自组装技术，该技术使用例如自组 装单层、对所希望的化学基板具有高的亲合力的化学涂层、和悬挂化 学键的产生和饱和，和(2)晶片/材料处理技术，该技术使用例如光 刻、化学汽相沉积、材料的图案化和选择性蚀刻、和表面的处理、成 形、电镀和紋理化。MEMS装置中某些元件的尺度/尺寸可以例如允许表 现出量子效应。MEMS装置的例子包括，不是限制性的，NEMS(纳机电 系统)装置、M0EMS (微光机电系统)装置、微型机械、微系统、和使 用微系统技术或微系统集成产生的装置。
尽管本发明已在作为MEMS装置的实施方式的情况下得到描述，但 本发明在理论上可以以任何尺度实现，包括大于微尺度的尺度。
除非另外明确规定，否则每个数值和范围应当被解释为是近似的， 就好像词语"大约"或"近似"位于该值或范围的值之前。
将进一步理解，为了解释本发明的性质已经描述和说明的各种详 细的变化、部件的材料和布置可以由本领域技术人员实现，而不脱离 由下面的权利要求所表达的本发明的范围。
应当理解，在这里陈述的典型方法的步骤并不一定以所描述的顺 序执行，并且这种方法步骤的顺序应当理解为纯粹是示例性的。同样 地，在这种方法中可包括另外的步骤，并且在与本发明的各种实施例 一致的方法中，可以省略或组合某些步骤。
尽管在下面的方法权利要求中的元件(如果有的话)以带有相应 标号的特定次序陈述，但除非权利要求陈述另外暗示特定次序用于实 施那些元件的一些或全部，否则那些元件并不一定意在局限于以那种 特定次序实施。
在这里对"一个实施例"或"实施例"的引用意味着结合该实施 例描述的特定特征、结构或特性可被包括在本发明的至少一个实施例 中。在本发明中各个地方出现的短语"在一个实施例中，，并不一定是 全部引用相同的实施例，也不是必定相互排除其他实施例的单独或替换实施例。同样的解释适用于术语"实施方式"。
权利要求
1、一种装置，包括振荡器；梁，该梁沿着其长度具有电路径，其中该振荡器被配置为，机械振荡该梁，以响应在磁场中正被振荡的梁在路径中产生振荡电信号；和检测电路，该检测电路电耦合到该路径，并被配置为基于该振荡电信号产生磁场的测量值。
2、 根据权利要求1所述的装置，进一步包含 接近梁的一部分定位的基板，其中振荡器包括驱动电路和电容器，该电容器具有在基板上的第一电极和在梁上的第二电极，该驱动电路 能够通过在电容器两端施加交流电压来引起梁振荡。
3、 根据权利要求2所述的装置，其中检测电路包括检测器，该检 测器被连接以便接收相应于振荡电信号的输入信号； 接收相应于交流电压的参考信号；和基于输入信号相对于参考信号的对相位变化灵敏的检测产生所述 测量值。
4、 根据权利要求2所述的装置，其中驱动电路包括 附着到基板和靠近梁定位的另一电极；和电回路，该回路适于将笫一电极和所述另一电极耦合，并产生交 流电压，所述电回路包含放大器和与所述放大器串联连接的移相器。
5、 根据权利要求2所述的装置，其中检测电路包含第一和第二补 偿路径中的至少一个，每个补偿路径将第一电极和第二电极耦合，其 中第一补偿路径适于降低由于通过电容器的这些信号之间的电容耦合产生的交流电压和被检测的信号之间的电串扰；和第二补偿路径适于考虑地球磁场对被检测的信号的贡献。
6、 根据权利要求2所述的装置，其中 该梁包括在每一端物理地固定到基板的第一梁元件； 在每一端物理地固定到基板的第二梁元件；和电绝缘桥，该桥机械地连接第一和第二梁元件的中间部分，其中 第二电极在第一梁元件之上，并且所述路径在第二梁元件之上。
7、 根据权利要求1所述的装置，其中所述电路径包含导电轨迹， 其中-.所述导电轨迹的至少一个部分布置在梁之上； 沿着所述导电轨迹产生振荡电信号；通过材料绝缘层将所述至少一个部分与下面的梁结构电绝缘； 所述导电轨迹具有螺旋形状；和属于该螺旋的不同圈的所述导电轨迹的至少两个部分彼此并排地 布置在梁之上。
8、 根据权利要求1所述的装置，其中 该梁包括在每一端物理地固定到基板的第一梁元件；和 第二梁元件，该第二梁元件在每一端物理地固定到(i )基板和 (ii )第一梁元件的相应端，以致在所述笫一和第二梁元件之间形成开口；和振荡器包含驱动电路和电极，该电极附着到基板并靠近第一和第二梁元件定 位在所述开口内，其中驱动电路适于产生驱动信号，并施加所述驱动 信号到所述电极，以引起第一和第二梁元件的振荡；和第一导电轨迹，其中所述导电轨迹的至少一个部分布置在第一和第二梁元件中的至少 一个之上；和沿着所述导电轨迹产生振荡电信号的至少一小部分。
9、 根据权利要求8所述的装置，进一步包括第二导电轨迹，其中 第一和第二导电轨迹适于彼此串联连接；沿着所述串联连接的导电轨迹产生振荡电信号；以及 该装置适于基于笫一和第二导电轨迹的不同连接配置支持磁场强 度和磁场梯度的测量。
10、 一种产生磁场的测量值的方法，包括 相对于支撑梁的基板振荡梁；在振荡梁的同时，将该梁暴露在磁场中，使得磁场导致在沿着梁的电路径中产生振荡电信号；以及测量振荡电信号，以产生磁场的测量值
全文摘要
在一个实施例中，集成磁力计具有可变形的导电梁，该梁安装到基板上并适于相对于该基板振荡。当该振荡梁暴露于磁场时，磁场感应出振荡电动力，该力沿着该梁产生振荡电信号。磁力计具有检测电路，该电路检测这个振荡电信号，并基于该检测结果，确定磁场强度和/或磁场梯度。
文档编号G01R33/028GK101410722SQ200780011003
公开日2009年4月15日 申请日期2007年3月27日 优先权日2006年3月28日
发明者B·于尔克, D·S·格里沃尔 申请人:卢森特技术有限公司