专利名称：集成磁弹性传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微机电技术领域的装置，具体是一种集成磁弹性传感器。
背景技术：
软磁金属玻璃带材在受到交流磁场脉冲激发时，由于磁弹性偶合作用，将在带材 中产生受迫机械振动，同时在带材周围空间发射变化磁通，并可以通过信号采集线圈对振 动情况进行监测，当交流脉冲磁场激发停止时，带材振动幅度将逐渐衰减，其振动频率将由 带材本身几何、物理参数以及所处环境条件决定。为了增加传感器磁弹性偶合性能以增强 振动幅度，通常需要叠加一个直流偏置磁场来抵消带材的磁各向异性。带材磁弹性传感器 共振频率是传感器材料性能和物理尺寸的函数，可表示如下/=緒其中p是材料密度，E为材料弹性模量，L是传感器径向长度。磁弹性传感器的共振频率还取决于所处的物理环境参数如环境温度、质量载荷、 压力、应力、流速、黏度以及磁直流场，同时可以带材表面涂敷一层化学或生物反应性材料 层，通过其与测量目标反应时质量或弹性的改变可以对目标试剂进行测量，如湿度、氨、Ph、 葡萄糖、二氧化碳以及生物试剂如血液等进行监测。与其压电传感器如石英晶体微天平QCM以及表面声波传感器SAW相比，磁弹性传 感器带材磁场激发和信号采集都是通过磁场信号进行的，不需要与电极相连接，具有无线 的特点，因此适合于原位和实时监测，而且传感器带材价格便宜，加工方便可以通过剪切或 激光加工，具有一次性使用的优点。经文献检索发现C. A. Grimes 等 C. A. Grimes, C. S. Mungle, K. Zeng, M. K. Jain, ff. R. Dreschel, M. Paulose and K. G. Ong 在《Sensors》(传感器，2003 年 3 期11-18)上发 ^T"Affireless,Passive,Magnetically-soft Harmonic Sensor for Monitoring Sodium HypochloriteConcentrations in Water”(一种用于水中次氯酸钠含量监控的无线无源软 磁谐波传感器)一文，该文提到的磁弹性传感器采用两个线圈，其中一个为8字方采集线 圈，另一个用于激励线圈，8字形线圈可以实现激励信号在接受线圈背低的消除，可以实现 带材振动的实时检测，但是其线圈通过手工饶制而成，尺寸教大，激发功率较大，而带材简 单放置于线圈内部，位置难以精确定位。M. K. Jain 等 M. K. Jain, Q. Cai and C. A Grimes 入$《Smart Mater. Struct.》 (智能材料与结构，2001 年 10 期347-353)上发表"A wireless micro-sensor for simultaneous measurementof pH, temperature, and pressure，，( 一 禾中可以同时测 量pH值，温度和气压的无线微型化传感器)一文，以及C.Ruan等人C.Ruan，K. Zeng, 0. K. Varghese and C. A. Grimes 在《Biosensors andBioelectronics》(生物传感器禾口生物 电〒，2004 $ 20 其月585—591) ±L“A staphylococcalenterotoxin B magnetoelastic immunosensor"( 一种B型金黄色葡萄球菌肠毒素的磁弹性免疫传感器)一文，采用单线圈来实现信号的激励和检测，但是其线圈也为手工绕制而成，存在尺寸较大，功率较大的问 题，而且由于线圈只有一个，不能实现带材振动的实时监测，而且还需要在进行激励信号和 接受信号的转换，这对检测信号电路的设计有高的要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种集成磁弹性传感器，采用MEMS微 机电系统加工技术实现采集线圈、接受线圈和带材传感器的集成制造，具有加工精度高，器 件尺寸小，而且由于采用8字形采集线圈，可以消除激励信号在接受线圈中的背底信号，实 现振动信号的实时监测，并可以实现便携式的特点，以及批量生产，可重复性强，在生产过 程中具有广泛的应用前景。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括玻璃衬底、磁场激励偏置线圈、 信号接受线圈、传感器支撑、磁性带材和绝缘材料层，其中磁场激励偏置线圈位于玻璃衬 底上，信号接受线圈位于磁场激励偏置线圈的上方，传感器支撑位于信号接受线圈上方，绝 缘材料层分别位于磁场激励偏置线圈、信号接受线圈和传感器支撑之间，磁性带材的两端 固定在传感器支撑上。所述的磁场激励偏置线圈包括两个串联的具有相同缠绕方向顺时针或逆时针平 面方形螺旋线圈。所述的信号接受线圈包含两个串联的具有相反缠绕方向的平面方形螺旋线圈。所述的磁场激励偏置线圈和信号接受线圈的两子平面线圈的中心轴线一致。所述的传感器支撑及磁性带材位于在信号接受线圈中的一个子线圈的上方。所述的磁场激励偏置线圈和信号接受线圈中心部分通过线圈下方的引线柱和引 线连接在一起。所述的磁场激励偏置线圈为5匝，线宽为200-400 iim，线间距为100-200 y m，厚 度为10-30 u m,信号接受线圈的匝数为7匝，线宽为50-200 u m,间距为50-200 u m,厚度为 5-15u m。所述的磁性带材包含多个磁性带材传感器组合，各传感器为长条形状，相互平行， 传感器中间部分通过与长条固定在支撑结构两端。所述的磁场激励偏置线圈输出的激发偏置信号为直流稳恒信号和正弦脉冲/方 波脉冲信号的叠加。所述的绝缘材料层为聚酰亚胺或氧化铝。本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果本发明采用MEMS技术制备，实现了信号采集线圈，磁场激励偏置线圈，磁弹性传 感器的集成制造，可以实现样品的小型化，实现便携式，可批量生产，从而降低其成本；本发明通过采用中心轴线重合的信号激励线圈和采集线圈对，其中信号采集线圈 采用串联的反向缠绕的平面螺旋线圈，而信号激励线圈采用串联的同向螺旋线圈，这种安 排可以有效消除激励信号在接受线圈中感应的背底，从而有利于磁弹性样品振动信号的实 时检测；本发明中的磁弹性带材、采集线圈、信号激励线圈之间的距离控制在微米尺度范 围内，因此磁场信号随空间衰减的程度大大减少，从而增加了传感器激励和接受信号幅度，
4增加了传感器灵敏度并减少了激励信号所需的功率。本发明采用的磁弹性传感器带材的中间约束本分和传感器为同一材料并通过 MEMS技术加工得到，避免了采用其他材料支撑的不确定性，而且多个传感器集成在一起，可 以实现多个振动频率信号，从而可以实现对多个环境参数的测量
图1为本发明的集成磁弹性传感器的三维等轴视图；图2为本发明的集成磁弹性传感器的前视图；图3为本发明磁性带材5的顶视图；图4为本发明的磁场激励偏置线圈2的顶视图；图5本发明的信号接受线圈3的顶视图；其中1为玻璃衬底、2为磁场激励偏置线圈、3为信号接受线圈、4为磁弹性带材支 撑、5为磁弹性带材、6为绝缘材料层、7为引线柱、8为连接引线。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1-6所示，本实施例包括玻璃衬底1、磁场激励偏置线圈2、信号接受线圈3、 传感器支撑4、磁性带材5和绝缘材料层6，其中磁场激励偏置线圈2位于玻璃衬底1上， 信号接受线圈3位于磁场激励偏置线圈2的上方，传感器支撑4位于信号接受线圈3上方， 绝缘材料层分别位于磁场激励偏置线圈2、信号接受线圈3和传感器支撑4之间，磁性带材 5的两端固定在传感器支撑4上。所述的磁场激励偏置线圈2包含两个串联的平面螺旋线圈，具有相同的缠绕方 向。所述的信号接受线圈3包含两个串联的平面螺旋线圈，具有相反的缠绕方向。所述的磁场激励偏置线圈2层和信号接受线圈3层的对应子线圈的中心轴线一 致。所述的磁场激励偏置线圈2层和信号接受线圈3层的中心部分通过引线柱7和引 线8连接在一起。所述的绝缘材料层6为聚酰亚胺或氧化铝。所述的磁性带材5包含多个平行排列的不同长度条形带材，且中间位置串接在一 起，并放置于其中一个信号采集线圈的上方。所述的磁场激励偏置线圈2的子线圈为5匝，线宽为200-400 ii m，线条间距为 100-200 P m，厚度为10-30 Pm，信号接受线圈子线圈为7匝，线宽为50-200 u m,间距为 50-200微米，厚度为5-15 u m。本装置在工作时，在磁场激励偏置线圈中通过正弦或方波脉冲磁场激励信号以及 稳恒的直流电流信号，分别产生幅度为2_30e的直流偏置磁场和20e的脉冲磁场，通过采用 多个平行排列的磁性带材排列结构，使得每个磁性带材发生振动，根据其长度的不同具有多个不同的频率信号，并且被同一个信号接受线圈检测到，从而可以对多个参数如温度，压 力等同时测量，而传统的单个长度的磁性带材，只能对一个参数进行测量。此外，由于信号 接受线圈采用两个串联的反相位方形螺旋线圈，而磁场激励偏置线圈采用两个串联的同相 位方形螺旋线圈，并且其线圈的中心位置对称，因此，磁场激励偏置线圈在信号检测线圈中 的感应背底信号被有效的消除，从而实现了磁性带材排列结构振动信号的实时检测，此外， 由于采用MEMS制备技术，整个样品的厚度尺寸缩小为100-300 u m。
权利要求
一种集成磁弹性传感器，包括玻璃衬底、磁场激励偏置线圈、信号接受线圈、传感器支撑、磁性带材和绝缘材料层，其特征在于磁场激励偏置线圈位于玻璃衬底上，信号接受线圈位于磁场激励偏置线圈的上方，传感器支撑位于信号接受线圈上方，绝缘材料层分别位于磁场激励偏置线圈、信号接受线圈和传感器支撑之间，磁性带材的两端固定在传感器支撑上。
2.根据权利要求1所述的集成磁弹性传感器，其特征是，所述的磁场激励偏置线圈包 括两个串联的具有相同缠绕方向顺时针或逆时针平面方形螺旋线圈。
3.根据权利要求1所述的集成磁弹性传感器，其特征是，所述的信号接受线圈包含两 个串联的具有相反缠绕方向的平面方形螺旋线圈。
4.根据权利要求1或2或3所述的集成磁弹性传感器，其特征是，所述的磁场激励偏置 线圈和信号接受线圈的两子平面线圈的中心轴线一致。
5.根据权利要求4所述的集成磁弹性传感器，其特征是，所述的磁场激励偏置线圈和 信号接受线圈中心部分通过线圈下方的引线柱和引线连接在一起。
6.根据权利要求4所述的集成磁弹性传感器，其特征是，所述的磁场激励偏置线圈为5 匝，线宽为200-400 iim，线间距为100-200 iim，厚度为10-30 y m，信号接受线圈的匝数为7 匝，线宽为50-200 u m,间距为50-200 u m,厚度为5-15 u m。
7.根据权利要求1所述的集成磁弹性传感器，其特征是，所述的传感器支撑及磁性带 材位于在信号接受线圈中的一个子线圈的上方。
8.根据权利要求1或7所述的集成磁弹性传感器，其特征是，所述的磁性带材包含多个 磁性带材传感器组合，各传感器为长条形状，相互平行，传感器中间部分通过与长条固定在 支撑结构两端。
9.根据权利要求1或2或3所述的集成磁弹性传感器，其特征是，所述的磁场激励偏置 线圈输出的激发偏置信号为直流稳恒信号和正弦脉冲/方波脉冲信号的叠加。
10.根据权利要求1所述的集成磁弹性传感器，其特征是，所述的绝缘材料层为聚酰亚 胺或氧化铝。
全文摘要
一种微机电系统技术领域的集成磁弹性传感器，包括玻璃衬底、磁场激励偏置线圈、信号接受线圈、传感器支撑、磁性带材和绝缘材料层，磁场激励偏置线圈位于玻璃衬底上，信号接受线圈位于磁场激励偏置线圈的上方，传感器支撑位于信号接受线圈上方，绝缘材料层分别位于磁场激励偏置线圈、信号接受线圈和传感器支撑之间，磁性带材的两端固定在传感器支撑上。本发明具有加工精度高，器件尺寸小，而且由于采用8字形采集线圈，可以消除激励信号在接受线圈中的背底信号，实现振动信号的实时监测，并可以实现便携式的特点。
文档编号G01D5/12GK101975591SQ20101029217
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者丁文, 周勇, 周志敏, 陈磊, 雷冲 申请人:上海交通大学