静电驱动-电磁感应式磁场传感器研究

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近年来,随着微电子机械系统(MEMS)工艺的发展,出现了各种各样的微机械磁场传感器。本文主要基于电磁感应原理设计了不同结构的磁场传感器,介绍了磁场传感器的制作步骤,并对磁场传感器的电学特性、机械特性以及磁场响应特性进行了测试,利用磁场传感器对不同方向的地磁场进行了测量。本论文中设计的磁场传感器不需要铁磁材料,具有线性输出,测试范围广,无磁滞和磁饱和等优点。论文主要工作包括:  首先,基于电磁感应原理设计了方板形和环形两种不同谐振振子的四种结构磁场传感器,并采用有限元软件对其谐振振子的振动特性进行了仿真。传感器采用静电驱动的方式工作,通过对感生电动势的测量来计算被测磁场的大小。另外,对方板形磁场传感器的磁场灵敏度进行了数学建模。并通过理论计算证明了磁场传感器电极开有阻尼孔可以减小空气阻尼的影响,提高磁场传感器的品质因子。  其次,采用体硅加工工艺进行磁场传感器的制作。介绍了采用体硅加工工艺制作磁场传感器的工艺步骤,主要介绍了制作过程中的光刻、腐蚀、硅硅键合、结构释放以及划片等工艺。在每个步骤都确定合理的工艺参数,最终得到了可以正常工作的不同结构的磁场传感器。  然后,对磁场传感器的性能参数进行了测试。首先对磁场传感器谐振振子上的感应线圈电阻进行了测试,得到其所加电压与电流具有很好的线性关系,充分说明了两层铝线圈连接良好。然后对磁场传感器的驱动电容进行了测试,在不同的电压下,电容为一恒定值,说明了电容间隙刚度较大,不会出现吸合现象。然后对磁场传感器谐振振子的传输特性进行了测试,由于氧化层和金属线影响了谐振振子的等效质量和刚度,测试得到的谐振频率略小于仿真的数值。  最后,通过网络分析仪对不同结构的磁场传感器进行了磁场响应曲线测试,磁场测试范围为20~200mT,测试结果显示开有阻尼孔和采用推挽驱动的磁场传感器灵敏度有所提高。利用信号测试电路板和真空封装后的单电极驱动的环形磁场传感器,对地磁场进行了测试,结果显示磁场传感器能够识别至少7uT变化量的磁场,灵敏度约为0.01 uV/uT。通过比较不同的测试结果,得到本文设计的磁场传感器的测试量程为7uT到2×105uT,非线性度为-0.04%。
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