一种谐振型磁传感器的制作方法

本发明涉及一种谐振型磁传感器，特别是采用磁致伸缩材料构成三梁音叉谐振器的无线圈磁传感器。

背景技术：

传统的磁传感器种类主要有超导量子干涉磁强计(SQUID)、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、光泵式磁传感器、巨磁阻抗传感器、电磁感应式磁传感器等。SQUID是最高精度的低频磁传感器，但其需要在低温下工作，且体积大、价格昂贵；磁通门磁传感器、核磁共振磁传感器和光泵式磁传感器的结构复杂，且笨重、价格昂贵、功耗高；巨磁阻抗传感器的灵敏度很高，但是需要精密的电桥电路和有源激励工作；电磁感应式磁传感器的精度高，但体积大，不适用于探测缓慢变化磁场。

磁致伸缩材料与压电材料，具有磁、电、力等物理场耦合效应，能够分别实现磁-机和电-机转换和逆向转换。将这两种材料叠层复合，还会由于复合材料的“乘积效应”产生新特性——磁电效应。目前，业内人士将磁致伸缩材料与压电材料复合构成复合磁电换能单元，利用其“乘积效应”产生的磁电效应设计高灵敏度的磁传感器，例如文献Dong等报道的基于复合磁电换能单元的磁传感器，其灵敏度可达10^-11T(Shuxiang Dong,Jie-Fang Li,and D.Viehland,Ultrahigh magnetic field sensitivity in laminates of TERFENOL-D and Pb(Mg1/3Nb2/3O3–bUltO3crystals,Appl.Phys.Lett.,vol.83,no.11,2003)。但是由于压电材料层的电容特性，“乘积效应”产生的磁电效应具有明显的高通特性，导致传感器低频磁电响应性能较差且不能直接探测静态磁场(Shuxiang Dong,Junyi Zhai,Zhengping Xing,Jie-Fang Li,and D.Viehland，Extremely low frequency response of magnetoelectric multilayer composites,Appl.Phys.Lett.86,102901,2005)。一些学者在复合磁电换能单元外部绕制线圈来产生磁激励磁场，在激励磁场作用下，利用复合磁电换能单元的磁电输出随磁场变化的特性来进行静态和准静态磁场探测，从而克服复合磁电换能单元低频磁电响应性能较差的缺点。但是，这种线圈激励的方式又带来新的问题，例如线圈激励会产生电磁干扰、焦耳热等问题，从而导致传感器功耗大、稳定性差，还有可能对其它电子设备造成电磁干扰。德国科学家(S.Marauska,R.Jahns,C.Kirchhof,M.Claus,E.Quandt,R.B.Wagner,Highly sensitive wafer-level packaged MEMS magnetic field sensor based on magnetoelectric composites,Sensors and Actuators A 189,2013,321–327；R.Jahns,S.Zabel,S.Marauska,B.Gojdka,B.Wagner,R.R.Adelung,and F.Faupel,Microelectromechanical magnetic field sensor based onΔE effect,Applied Physics Letters 105,052414,2014)设计了磁致伸缩/压电复合的MEMS谐振磁传感器，利用磁场作用下磁致伸缩材料弹性模量变化(即ΔE效应)的特性，引起磁致伸缩/压电复合的MEMS谐振器输出频率变化来探测静态或准静态磁场。这种方法不必使用线圈，电路构建简单，但是其传感器谐振单元采用悬臂梁结构，且磁致伸缩与压电叠层复合的方式降低了可探测到的灵敏度。可探测灵敏度降低的原因如下：在层间理想耦合条件下，叠层复合结构的平均弹性模量为：E＝nmEm+(1-nm)Ep，其中nm是磁致伸缩层所占复合结构的体积比，Em和Ep分别是磁致伸缩层合压电层的弹性模量，由此在磁场作用下叠层结构的平均弹性模量变化量为ΔE＝nmΔEm，因此说频率响应的灵敏度被降低了；另一方面，由于悬臂梁结构固定端存在振动耦合损耗，悬臂梁谐振器的品质因数(Q值)不够高，这限制了磁场频率变化量的高精度探测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种谐振型磁传感器，可用于静态和准静态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，本发明提供一种谐振型磁传感器，包括三梁结构谐振音叉、压电驱动单元、压电检测单元以及锁相振荡电路；所述三梁结构谐振音叉为一体化片状结构的谐振器，由磁致伸缩材料制作而成，具有三个双端固定的振动梁；压电驱动单元和压电检测单元均为具有上电极和下电极的压电材料薄膜，压电驱动单元和压电检测单元分别复合在所述三梁结构谐振音叉的中间梁的两端，且下电极均接地；压电驱动单元和压电检测单元分别通过其上电极与锁相振荡电路的输入端和输出端连接；锁相振荡电路用于激励和维持三梁结构谐振音叉在优化振动模态下振荡，并输出代表三梁音叉谐振频率的电信号；三梁结构谐振音叉在优化振动模态下振荡时，其中间梁的振动方向与两个侧梁的振动方向相反。由于磁致伸缩材料的弹性模量随静态磁场变化，三梁结构谐振音叉的谐振频率也随磁场变化，因此本发明可用于静态和准静态磁场的高灵敏度探测。

所述压电驱动单元和压电检测单元的下电极均连接有下电极引出电极，上电极均连接有上电极引出电极。

作为一种优选方案，锁相振荡电路包括电荷放大器、移相器和第二级放大器，压电检测单元将检测到的三梁结构谐振音叉的振动信号传输给电荷放大器的输入端，电荷放大器的放大输出信号经移相器移相后由第二级放大器进行二次放大，放大后输出的信号作为驱动信号传输给压电驱动单元，驱动压电单元振动，压电单元的振动进一步驱动三梁结构谐振音叉在所述优化振动模态下振荡；移相器输出端引出一路信号，作为磁传感器的磁场测量的输出信号，通过检测谐振频率的值来检测磁场。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明所述的磁传感器利用磁致伸缩材料的ΔE效应(即磁致伸缩材料弹性模量随磁场变化特性)引起磁致伸缩三梁结构音叉谐振频率变化的特性检测磁场，使用本发明磁传感器进行静态和准静态磁场探测时无需采用线圈激励和感应，克服了传统采用线圈方法功耗大、产生焦耳热和电磁干扰等缺点；三梁结构谐振音叉比悬臂梁结构的品质因数更高，有利于提高探测灵敏度；三梁结构谐振音叉可以采用激光微加工的方法切割现有的磁致伸缩材料薄膜实现，也可以采用物理溅射的方法制备，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。

附图说明

图1是本发明所述谐振型磁传感器的一种实施方式示意图；

图2是本发明中三梁结构谐振音叉的优化振动模态示意图；

图3是本发明中锁相振荡电路的一种实施方式示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明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发明谐振型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发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合图1，本实施例所示谐振型磁传感器，包括三梁结构谐振音叉1、压电驱动单元2-1、压电检测单元2-2以及锁相振荡电路6构成；

三梁结构谐振音叉1为一体化片状结构的谐振器，由磁致伸缩材料制作而成。三梁结构谐振音叉1具有三个双端固定的振动梁，如图1中的中间梁1-1以及两个侧梁1-2，中间梁1-1的宽度近似为侧梁1-2宽度的两倍。根据有限元方法分析，在如图2所示的优化振动模态下，中间梁1-1的振动方向与两个侧梁1-2的振动方向相反，从而中间梁1-1和两个侧梁1-2的弯矩和剪切力抵消，极大的降低了此三个双端固定的振动梁在固定端的耦合振荡损耗，提高了谐振器的品质因数。

压电驱动单元2-1和压电检测单元2-2均为具有上电极和下电极的压电材料薄膜，压电驱动单元2-1和压电检测单元2-2分别通过其下电极贴合复合在三梁结构谐振音叉1的中间梁1-1的两个固定端，且下电极均接地；压电驱动单元2-1和压电检测单元2-2分别通过其电极与锁相振荡电路的输入端和输出端连接。

锁相振荡电路用于激励和维持谐振器在优化振动模态下振荡，并输出谐振频率信号。

为了便于引线连接，压电驱动单元2-1和压电检测单元2-2的下电极均连接有下电极引出电极3，上电极均连接有上电极引出电极4，引出电极与其焊接的引线接地或接锁相振荡电路。压电检测单元2-2和压电驱动单元2-1的电极分别通过引线连接到输入到锁相振荡电路输入端和输出端。

图3是锁相振荡电路6的一种实现方法，主要由电荷放大器7、移相器8和第二级放大器9组成，锁相振荡电路6与三梁结构谐振音叉1共同构成自激振荡，产生频率输出。压电检测单元2-2将检测到的三梁结构谐振音叉1的振动信号通过上电极传输给电荷放大器7的输入端，电荷放大器7的放大输出信号经移相器8移相后再由第二级放大器9进行二次放大，放大后输出的驱动信号传输给压电驱动单元2-1，驱动压电单元2-1振动，压电单元2-1的振动进一步驱动三梁结构谐振音叉1在优化振动模态下振荡。这种闭环反馈的控制方式，可以使三梁结构音叉谐振器维持在选定的振动模态振荡。同时在移相器8输出端引出一路信号，即可作为谐振磁传感器的频率输出信号，通过检测磁场频率变化即可获得磁场的量值，完成磁场测量。

制备三梁结构谐振音叉1的材料是具有ΔE效应的磁致伸缩材料，例如稀土TbDyFe、FeGa合金以及FeSiB和FeCoMo等各种非晶态合金。三梁结构谐振音叉1可以由市场可获得的非晶态的磁致伸缩材料薄膜，通过激光切割、腐蚀等方法加工而成，也可以由TbDyFe和FeGa等磁致伸缩靶材，通过磁控溅射、激光脉冲沉积等物理乘积的方法制备。

压电驱动单元和压电检测单元的材料可以是压电陶瓷PZT、AlN、压电单晶PMN-PT等具有压电效应的材料。压电驱动单元和压电检测单元可以通过磁控溅射、激光脉冲沉积等方法沉积到三梁结构谐振音叉1上，也可以溶胶凝胶法或化学生长的方法加工到三梁结构谐振音叉1上。

由于三梁结构谐振音叉1由磁致伸缩伸缩材料制成，磁致伸缩材料的弹性模量随磁场变化，因此谐振器振动梁的固有频率随偏置磁场变化，在特定的振动模态下，谐振器中间梁和两个侧梁的弯矩和剪切力抵消，极大的降低了中间梁固定端的耦合振荡损耗，提高了谐振器的品质因数。

所述压电驱动和压电检测单元分别是指置于三梁结构谐振音叉中间梁的两端压电陶瓷薄膜单元，它们分别用作振荡激励和振荡信号检测。在压电驱动单元上施加交变电压信号时，由于逆压电效应产生振动，振动信号耦合到谐振梁后激励三梁结构谐振音叉振荡，当该振荡信号传递到压电检测单元时，由于压电效应又转变成交变电压信号输出。由于三梁结构谐振音叉的弹性模量与外部静态或准静态磁场有关，整个过程中振荡频率的变化都与磁场有关。在弱磁场作用下，频率变化与磁场变化之间存在良好的线性比例关系。