磁強計調(diào)研報告樣本

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資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。磁強計調(diào)查總結(jié)1、什么是磁強計:磁強計(magnetometer):一般指的是測量給定方向磁感應(yīng)強度的儀表。按照全國科學技術(shù)名詞審定委員會的公布的概念,磁強計:矢量型磁敏感器。用于測定地磁場的大小與方向,即測定航天器所在處地磁場強度矢量在本體系中的分量。是測量磁感應(yīng)強度的儀器。根據(jù)小磁針在磁場作用下能產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或振動的原理制成。而從電磁感應(yīng)定律能夠推出,對于給定的電阻R的閉合回路來說,只要測出流過此回路的電荷q,就能夠知道此回路內(nèi)磁通量的變化。這也就是磁強計的設(shè)計原理,用途之一是用來探測地磁場的變化。2、磁強計的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及磁強計發(fā)展趨勢磁場的測量有著悠久的歷史。在中國東漢時期學者王充的著作《論衡》中就有司南的記載。司南是磁羅盤的雛形,也是最原始的磁場測量儀器。12世紀初,中國已把磁羅盤用于航海。然而在漫長的幾千年內(nèi),人們只知道磁力及方向。在西方,磁場的測量最早能夠追溯到15世紀。16,英國醫(yī)生Gilbert在她的著作中首先用應(yīng)用科學的方法對磁現(xiàn)象進行了系統(tǒng)的探索,同時發(fā)現(xiàn)了地球本身是一個大磁體。1785年,

1資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。庫倫提出了用磁針在磁場中的自由震蕩周期來確定地磁場的方法。18丹麥科學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。1832年高斯提出了以長度、質(zhì)量、時間為為基礎(chǔ)的絕對測量地磁場強度的方法,由此磁感應(yīng)強度的單位與長度、質(zhì)量和時間的單位建立了一定的關(guān)系,使磁感應(yīng)強度單位成為重要的物理單位。1831年,法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,使磁現(xiàn)象與電現(xiàn)象建立了一定的量的關(guān)系。1873年,英國物理學家麥克斯韋在她的經(jīng)典著作《論電與礠》中創(chuàng)立了嚴密的電磁場理論,從而為電磁場的測量奠定了理論基礎(chǔ)。20世紀30年代初,出現(xiàn)了利用磁性材料自身磁飽和特性的磁通門磁強計。1946年由布格赫(F.B1ech)和柏塞爾(E.M.PvrceH)同時發(fā)現(xiàn)的核磁共振現(xiàn)象,使磁場測量的精確度可能達到10T;1962年約瑟夫遜(B.D.Josephson)預(yù)言了超導(dǎo)結(jié)的隧道效應(yīng),并于次年得到實驗的證實,從而使磁場測量的下限達到10T。近年來,由于有效地利用了自然現(xiàn)象的物理定律和物質(zhì)的物理效應(yīng),加之半導(dǎo)體和電子技術(shù)的飛速發(fā)展,利用各種磁效應(yīng)進行磁場測量的方法有了很大的進步,各種磁強計應(yīng)運而生例如霍爾磁強計、磁通門磁強計、磁阻效應(yīng)磁強計、磁敏效應(yīng)磁強計、磁光效應(yīng)磁強計、超導(dǎo)量子干涉磁強計等測。當前比較成熟的磁場測量方法有:磁力法、電磁感應(yīng)法、磁飽和法、電磁效應(yīng)法、磁共振法、

2資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。超導(dǎo)效應(yīng)法和磁光效應(yīng)法等。依據(jù)這些方法,相繼實現(xiàn)了不同原理的各種磁強計。到當前為止,磁場測量的范圍已達到10～10T。隨著現(xiàn)代科技的進步,磁強計的應(yīng)用越來越廣泛,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地球物理、空間技術(shù)、軍事工程、工業(yè)、生物學、醫(yī)學、考古學等許多領(lǐng)域。隨著磁場應(yīng)用范圍的不斷拓展,為滿足特定工作環(huán)境內(nèi)磁場的測量、強磁場及超強磁場的測量、弱磁場及微弱磁場的測量,以及間隙磁場和不均勻磁場的測量需求,必須尋求和應(yīng)用新效應(yīng)、新現(xiàn)象、新材料和新工藝,進一步提高磁場測量儀器的水平,更新和發(fā)展精密的磁場測量儀器,如今磁強計正向著高準確度、高穩(wěn)定度、高分辨率、微小型化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。3、磁強計的分類按照磁強計的發(fā)展歷史和物理原理,磁強計能夠分為三代:(1)、第一代磁強計:利用永磁體與磁場之間的相互力矩作用原理或者利用感應(yīng)線圈和輔助機械裝置制作例如:機械式磁強計,感應(yīng)式航空磁強計。(2)、第二代磁強計:根據(jù)核磁共振特征,高磁導(dǎo)率軟磁合金的磁通門原理,利用復(fù)雜的電子線路制作,如核磁共振磁強計、磁通門磁強計等。

3資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。(3)、第三代磁強計:根據(jù)量子效應(yīng)原理制作,如核子旋進磁強計、質(zhì)子磁強計、光泵磁強計、原子磁強計、超導(dǎo)量子干涉磁強計。磁強計還能夠按照其它的分類標準進行分類,比如:按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理磁強計能夠分為機械式磁強計和電子式磁強等;按照磁強計所測得地磁參數(shù)和量值能夠分為相對測量磁強計和絕對測量磁強計;按照磁強計的使用領(lǐng)域能夠分為地面磁強計、航空磁強計、海洋磁強計以及井中磁強計等。4、當前比較成熟的磁強計的原理(1)、磁力法磁強計原理:磁力法磁強計是利用被測磁場中的磁化物體或通電線圈與被測磁場之間相互作用的機械力(或力矩)來測量磁場的一種經(jīng)典方法。按磁力法原理制成的磁場測量儀器可分為磁強計式和電動式的兩類。其中,以可動的小磁針(棒)與被測磁場之間的相互作用使磁針偏轉(zhuǎn)而構(gòu)成的磁場測量儀器,按習慣叫法稱為”磁強計”。這種磁強計能夠把磁場的測量直接歸結(jié)為對磁針在所處水平面內(nèi)運動的振蕩周期和偏轉(zhuǎn)角的測量。利用磁強計能夠測量較弱的均勻、非均勻以及變化的磁場,其分辨力可達10T以上。而利用通電線圈與被測磁場之間相互作用使線圈偏轉(zhuǎn)的原理構(gòu)成的電動法磁場測量儀器。

4資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。(2)、感應(yīng)線圈(電子積分器)式磁強計原理:電磁感應(yīng)法是以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的磁場測量方法,其應(yīng)用十分廣泛,.隨著電子積分器和電壓–頻率變換器應(yīng)用于以此法的實現(xiàn),其測量磁場的范圍已擴大為10～10T,測量準確度約為±(0.1～3)%。探測線圈是電磁感應(yīng)法磁強計的傳感器,它的靈敏度取決于鐵心材料的磁導(dǎo)率、線圈的面積和匝數(shù)。根據(jù)探測線圈相對于被測磁感應(yīng)強度的變化關(guān)系,電磁感應(yīng)法能夠分為固定線圈法、拋移線圈法、旋轉(zhuǎn)線圈法及振動線圈法。固定線圈法主要用于測量交變磁場,也可測量恒定磁場。由于探測線圈不動,線圈中的感應(yīng)電動勢是由被測磁場的變化引起的。拋移線圈法主要用于測量恒定磁場的磁感應(yīng)強度。當把探測線圈由磁場所在位置迅速移至沒有磁場作用的位置時,線圈中感應(yīng)電動勢的積分值與線圈所在位置的磁感應(yīng)強度值成正比。旋轉(zhuǎn)線圈法(又稱測量發(fā)電機法)和振動線圈法是電磁感應(yīng)法的直接應(yīng)用,它們主要用于測量恒定磁場。(3)、霍爾效應(yīng)磁強計原理:霍爾效應(yīng),霍爾效應(yīng)是指當外磁場垂直于金屬或半導(dǎo)體中流過的電流時,會在金屬或半導(dǎo)體中垂直于電流和外磁場方向產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。

5資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。(4)磁阻效應(yīng)磁強計原理:磁阻效應(yīng),是指某些金屬或半導(dǎo)體材料在磁場中其電阻隨磁場增加而升高的現(xiàn)象。而所謂”磁阻”,就是由外磁場的變化而引起的電阻變化。磁阻效應(yīng)在橫向磁場和縱向磁場中都能觀察到。利用這一效應(yīng),能夠很方便地經(jīng)過測量相應(yīng)材料電阻的變化間接實現(xiàn)對磁場的測量。磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)一樣,都是由作用在運動導(dǎo)體中的載流子的洛倫茲力引起的。不同材料的磁阻是不同的?；谏鲜兰o七十年代問世的薄膜技術(shù),磁阻效應(yīng)磁強計有了很大的發(fā)展,隨之出現(xiàn)的薄膜磁阻效應(yīng)磁強計。伴隨著一些新材料的研制,人們又相繼發(fā)現(xiàn)了巨磁阻(GiantMagneto-resistance———GMR)效應(yīng)和巨磁阻抗(GiantMagneto-impedance———GMI)效應(yīng),基于它們的磁測量技術(shù)也得到了較深入的研究。巨磁阻效應(yīng)是指在一定的磁場下電阻急劇減小的現(xiàn)象,一般電阻減小的幅度比一般磁性金屬及合金材料磁電阻的數(shù)值高一個數(shù)量級。以巨磁阻效應(yīng)為基礎(chǔ)制成的超微磁場傳感器。(5)、磁通門磁強計原理:磁通門磁強計利用材料的磁飽和特性制造的磁強計,基于磁調(diào)制原理,

6資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。即利用在交變磁場的飽和激勵下處在被測磁場中磁芯的磁感應(yīng)強度與被測磁場的磁場強度間呈非線性關(guān)系來測量磁場的方法。這種方法主要用于測量恒定或緩慢變化的磁場;其測量電路稍加改變,也可測量低頻交變磁場。磁飽和法分為諧波選擇法和諧波非選擇法兩類。諧波選擇法就是只考慮探頭感應(yīng)電動勢的偶次諧波(主要是二次諧波),而濾去其它諧波,具體還可細分為二次諧波選擇法和偶次諧波選擇法。諧波非選擇法是不經(jīng)濾波而直接測量探頭感應(yīng)電動勢的全部頻譜,它又可細分為幅度比例輸出法和時間比例輸出法。其中幅度比例輸出法因所需測量儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、穩(wěn)定性較差,沒有得到推廣。近年來,隨著磁通門傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,為滿足磁場”點”測量的需要,利用微機械技術(shù),如各向異性腐蝕、犧牲層技術(shù)和LIGA工藝以及MEMS技術(shù)制作微型磁通門傳感器,已經(jīng)成為磁通門傳感器構(gòu)建和制造發(fā)展的必然趨勢。當前按基片材料劃分的微型磁通門傳感器主要有三種,分別是利用PCB板、在非半導(dǎo)體(如釩、玻璃等)襯底上以及在半導(dǎo)體材料特別是硅襯底上加工制作的磁通門傳感器。(6)、磁共振磁強計基本原理:塞曼(P.Zee-man)效應(yīng)原理,即在外磁場作用下原子的能級將發(fā)生分裂;如果交變磁場作用到原子上,當交變磁場的頻率與原子自旋系統(tǒng)的自然頻率同步時,原子自旋系統(tǒng)便會從交變磁場中吸收能量,這種現(xiàn)象就被稱為磁共振。由于頻率測量能夠做到非常準確,從而,

7資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。利用磁共振法便可大大提高測量磁場的準確度。用磁共振原理測量磁場的方法主要有核磁共振(NMR)、順磁共振(EPR)和光泵磁共振等方法。核磁共振法是利用具有角動量(自旋)及磁矩不為零的原子核作共振物質(zhì)(樣品),根據(jù)核激勵方式和樣品的不同,它又可分為核吸收法(強迫核進動)、核感應(yīng)法(自由核進動)及章動法(流動水樣品)。順磁共振法是指利用順磁物質(zhì)中電子或由抗磁物質(zhì)中順磁中心的電子所引起磁共振的方法。光泵磁共振法是利用原子的塞曼效應(yīng)原理絕對測量弱磁場的一種精密方法,它是經(jīng)過光(紅外線或可見光)照射物質(zhì),使物質(zhì)的原子產(chǎn)生往復(fù)的能級躍遷,并最終使原子由低能級升到高能級。(7)、超導(dǎo)量子磁強計(SQUID)原理:約瑟夫遜效應(yīng),利用弱耦合超導(dǎo)體中超導(dǎo)電流與外部磁場間的函數(shù)關(guān)系而測量恒定或交變磁場的一種磁強計,主要用于測量恒定的弱磁場。其特點是具有極高的靈敏度和分辨力。超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)是超導(dǎo)量子干涉磁強計的主要組成部分,就其功能來說是一種磁通傳感器。SQUID根據(jù)所使用的超導(dǎo)材料,可分為低溫超導(dǎo)SQUID和高溫超導(dǎo)SQUID;又可根據(jù)超導(dǎo)環(huán)中插入的約瑟夫森結(jié)的個數(shù),分為直流超導(dǎo)量子干涉器件(DC-SQUID)和交流超導(dǎo)量子干涉器件(RF-SQUID)。直流超導(dǎo)量子干涉器件(DC-SQUID)加有直流偏置,制成雙結(jié)的形式;交流超導(dǎo)量子干涉器件(RF-SQUID)由射頻信號作偏置,具體采用的是單結(jié)形式。

8資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。(8)、磁光效應(yīng)磁強計原理:基于磁光效應(yīng)當偏振光經(jīng)過磁場作用下的某些各向異性介質(zhì)時,會造成介質(zhì)電磁特性的變化,并使光的偏振面(電場振動面)發(fā)生旋轉(zhuǎn),這種現(xiàn)象被稱為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)法即是利用磁場對光和介質(zhì)的相互作用而產(chǎn)生的磁光效應(yīng)來測量磁場的一種方法。根據(jù)產(chǎn)生磁光效應(yīng)時經(jīng)過介質(zhì)(樣品)的光是透射的還是反射的,磁光效應(yīng)具體又有法拉第(Farady)磁光效應(yīng)和克爾(Kerr)磁光效應(yīng)之分。磁光效應(yīng)法可用于恒定磁場、交變磁場和脈沖磁場的測量。近年來,隨著基于磁致伸縮效應(yīng)的光纖微弱磁場傳感技術(shù)的發(fā)展,光纖磁場測量儀器的靈敏度已可做得很高。(9)震動樣品磁強計(VSM)原理:VSM采用電磁感應(yīng)原理,測量在一組探測線圈中心以固定頻率和振幅作微振動的樣品的磁矩。對于足夠小的樣品,它在探測線圈中振動所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與樣品磁矩、振幅、振動頻率成正比。在保證振幅、振動頻率不變的基礎(chǔ)上,用鎖相放大器測量這一電壓,即可計算出待測樣品的磁矩。震動樣品磁強計實際上是一種感應(yīng)線圈式磁強計。

9資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。綜上所述,磁場測量的設(shè)備由于測量原理、測量范圍、應(yīng)用范圍的不同而分很多種,將其特性列下表1所示:6、幾種MEMS磁強計的原理工藝及相關(guān)單位與傳統(tǒng)的磁強計相比,微磁強計具有重量輕、研制周期短、造價低等特點。當前的MEMS磁強計主要有霍爾效應(yīng)式磁強計、磁阻式磁強計、磁通門式磁強計、隧道效應(yīng)式磁強計、諧振式磁強計等。(1)、MEMS磁通門式磁強計(MFGM)研究單位:(1．清華大學精密儀器與機械學系;2．中國科學與技術(shù)大學國家同步輻射實驗室)作者:楊建中1,尤政1,劉剛2,康春磊2,田揚超2

10資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。原理:MFGM從原理上而言,是遵循法拉第電磁感應(yīng)定律和磁通門效應(yīng)的。MFGM的基本結(jié)構(gòu)包括三個部分:磁芯、激勵線圈和檢測線圈,見圖1。磁芯采用高磁導(dǎo)率、低矯頑力的軟磁材料做成。激勵和檢測線圈都以螺線管的形式螺繞在磁芯上。這種單磁芯的簡單結(jié)構(gòu)形式,測量的是環(huán)境磁場矢量沿傳感器敏感軸方向的磁場分量。Memsmag的設(shè)計:下圖2是依據(jù)磁通門原理設(shè)計的基于MEMS技術(shù)的磁通門磁敏感器(MEMSMag)的結(jié)構(gòu)示意圖。這種微型磁通門磁敏感器結(jié)構(gòu)具有對稱結(jié)構(gòu)、閉合磁路、差動形式、柔性連接等顯著特點。

11資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。圖2MEMSMag的結(jié)構(gòu)示意圖該微型磁通門磁敏感器采用氧化后的硅做基底。磁芯呈方形形狀的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。磁芯每邊長5mm,橫截面長400um,厚20um。在拐角處為了降低磁感應(yīng)強度變化的劇烈程度,進行倒圓角處理(內(nèi)半徑20um,外半徑420um)。圖3MEMSMag的橫截面結(jié)構(gòu)圖磁芯的材料選用電鍍工藝加工形成的鎳鐵合金軟磁薄膜,

12資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。其磁性能為各向同性,確保X和Y方向的磁芯結(jié)構(gòu)、磁性能和電氣性能等參數(shù)的對稱。采用電鍍工藝,與濺射鍍、蒸發(fā)鍍等工藝比較,能夠容易實現(xiàn)10一20um等較大厚度的軟磁性磁芯薄膜的加工,獲得更大的磁芯橫截面面積。由于磁敏感器的靈敏度和磁芯的橫截面積成正比,這樣采用電鍍工藝,增大磁芯的橫截面積,也就提高了靈敏度。另一方面,磁通門式磁敏感器中,要求磁芯具有較大的有效磁導(dǎo)率、很小的矯頑力和較小的飽和磁場強度等磁性能。而電鍍工藝形成的鎳鐵合金鍍膜,具有良好的軟磁性磁學性能,完全符合器件性能的要求。這種環(huán)形的結(jié)構(gòu)形狀對磁通來說具有閉合磁路。和開路磁芯相比,具有閉合磁路的磁芯,對于磁通來說,由于軟磁材料的磁導(dǎo)率遠遠大于周圍空間空氣的,因此磁力線幾乎都在磁芯內(nèi)部聚合,漏磁通極低,退磁場系數(shù)幾乎為零。因此閉合磁路的方形環(huán)狀磁芯幾乎能夠忽略退磁場的影響。磁芯的有效磁導(dǎo)率能夠得到顯著的提高,磁芯內(nèi)的磁化強度和磁感應(yīng)強度更容易達到飽和,形成更為陡峭的動態(tài)磁滯回線,只需要較小的凋制磁場就能實現(xiàn)對磁芯的過飽和磁化和勵磁功耗的降低。磁芯四周共12個匝數(shù)和旋向都相同的線圈,每邊3個,每個38匝。以螺繞方式纏繞在被絕緣過的磁芯上。在利用微細加工工藝時,每個線圈都是在相同的工藝步驟中形成,

13資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。因此電氣參數(shù)都是相同的。每一個線圈都能夠作為激磁、檢測或者補償線圈。線圈的旋向都相同,對于結(jié)構(gòu)中心和兩條正交軸線來說具有對稱性。線圈的材料選用銅。底層的直導(dǎo)線每根長460um,寬15um,厚(高)10um;導(dǎo)線之間的間距30um,形成的節(jié)距(相鄰兩匝導(dǎo)線之問的距離)為45um。線圈具有立體的螺繞形式。平面線圈只能將一部分磁通包圍在線圈內(nèi)部。如果采用平面線圈形式,為了達到過飽和勵磁,就需要更大的勵磁電流或者是更多匝數(shù)的勵磁線圈,這不利于功耗的降低。另外,對于檢測線圈來說,未能將磁通全部包圍在線圈內(nèi),為了獲得感應(yīng)電動勢,就需要更多匝數(shù)的檢測線圈,不利于尺寸的減小。還有一個原因,平面線圈多和開路的磁芯聯(lián)合使用。對于開路磁芯來說,意味著較大的退磁場,和較小的表觀磁導(dǎo)率,一方面降低了靈敏度,另一方面不利于磁芯的快速飽和。在磁芯和線圈之間由絕緣體材料填充,為一個內(nèi)含空腔的封閉結(jié)構(gòu)。絕緣材料選用光刻膠經(jīng)處理后形成,起到隔離支撐和電氣絕緣的雙層作用。在磁芯和底層導(dǎo)線之間的絕緣層厚度為10um,磁芯和頂層導(dǎo)線之間的絕緣層厚度也為10um。在磁芯側(cè)面,磁芯和立柱導(dǎo)線之間的絕緣層寬度為20um。設(shè)計中將磁芯和檢測線圈做成對稱的差分形式,從結(jié)構(gòu)上消除作為噪聲的奇次諧波分量,加倍增強偶次諧波分量,提高輸出信號中的信噪比。而且考慮到退磁場的影響,將磁芯的磁通路徑設(shè)計成環(huán)狀的閉合形式,以此來降低退磁系數(shù),

14資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。提高視在磁導(dǎo)率,使磁芯更容易進入過飽和狀態(tài)。構(gòu)成差動結(jié)構(gòu)的方式有兩種,如圖4和5所示。一種方式是兩個檢測線圈分別螺繞在兩個磁通反向的磁芯上,這時檢測線圈內(nèi)部的感應(yīng)電動勢正好是大小相等、極性相反,然后再將線圈同向串聯(lián)。另外一種方式是單個檢測線圈纏繞在兩個內(nèi)部磁通反向的磁芯上。圖4差動形式的構(gòu)成方式(1)

15資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。圖5差動形式的構(gòu)成方式(2)在MEMSMag中采用第一種差動結(jié)構(gòu)形式。這樣做的用意主要是考慮到線圈的對稱性。如圖6所示,順時針的把十二個線圈分別標記為X、X、X、Y、Y、Y、X、X、X、Y、Y、Y。這樣X和X就構(gòu)成一組線圈,其余同理。經(jīng)過這種形式,十二個線圈組成六組線圈對,具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電氣參數(shù),至于利用哪一組線圈作為勵磁、檢測和補償線圈,能夠根據(jù)應(yīng)用需要在使用時決定,而不是在設(shè)計和加工時就確定,擴大了使用的靈活性。磁芯的形狀是方形的環(huán)狀結(jié)構(gòu),具有對稱性,選用各向同性的軟磁材料,這樣四條邊的電磁參數(shù)都相同。線圈的旋向相同,匝數(shù)相同,也具有對稱性。x方向的兩條邊構(gòu)成一組雙磁芯的磁探頭,用于X方向磁場分量的測量;同樣,Y方向的兩條邊構(gòu)成另一組雙磁芯的磁探頭,

16資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。用于Y方向磁場分量的測量。由于磁芯和線圈是對稱的,又具有差動結(jié)構(gòu),使得這種結(jié)構(gòu)很容易形成一個兩軸的磁敏感器,也能夠形成一個一軸的磁敏感器,這主要是由于線圈具有柔性的連接性能。如果把線圈對X和X正向串聯(lián)作為激磁線圈,X和X正向串聯(lián)作為補償線圈,X和X反向串聯(lián)作為檢測線圈,就可形成一個檢測Y軸方向的一軸磁敏感器。對另外三組線圈也進行同樣的連接,也形成一個檢測x軸方向的一軸磁敏感器。這樣整個就形成了一個兩軸的磁敏感器,可用于測量磁場強度在x和Y軸兩個正交軸方向上的分量。圖6MEMSMag的連結(jié)方式示意圖除上述連接方式之外,這種結(jié)構(gòu)形式經(jīng)過不同的連接方式還能夠形成一軸磁通門磁敏感器結(jié)構(gòu),如表2所示。

17資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。表2MEMSMag中線圈的不同連結(jié)方式(2)、MEMS諧振式磁強計基本原理:諧振式磁強計基本工作原理是利用通電導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生的洛侖茲力來檢測磁場強度的大小。在懸臂梁中經(jīng)過一定頻率的交變電流,其頻率等于懸臂梁的諧振頻率,這樣,當外界有磁場時,懸臂梁中的電流將受到洛侖茲力的作用使懸臂梁產(chǎn)生振動,其振幅和外界磁場強度的大小成正比關(guān)系,經(jīng)過檢測振幅的大小,即可得到磁場強度的信息。由于其工作在諧振狀態(tài)下,因此其振幅能夠被放大Q倍,

18資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。從而使檢測精度和靈敏度得到大幅提高。諧振式磁強計按照其結(jié)構(gòu)基本能夠分為扭擺式和水平式兩種。扭擺式諧振式MEMS磁強計:單位:清華大學精密儀器與機械學系作者:任大海,閻梅芝,尤政結(jié)構(gòu):圖7所示是結(jié)合國內(nèi)MEMS加工條件設(shè)計的基于扭擺結(jié)構(gòu)的諧振式磁強計,它采用電容檢測方式,扭擺式結(jié)構(gòu)靠差動力矩驅(qū)動扭梁扭轉(zhuǎn),靈敏度高.另外,由于諧振式磁強計要求具有高Q值,若不考慮諧振器在空氣中的阻尼,則Q值主要取決于經(jīng)過支撐結(jié)構(gòu)將諧振器能量傳遞到基底所損失的能量及由于機械結(jié)構(gòu)阻尼所損失的能量.扭擺式結(jié)構(gòu)能夠有效地減小上述2個方面的能量損失.同時,在實際應(yīng)用中,由于機械結(jié)構(gòu)總是有一定的質(zhì)量,因此必須考慮加速度對檢測輸出信號的影響.

19資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。而扭擺由于其具有對稱式結(jié)構(gòu),能夠有效抑制重力及加速度產(chǎn)生的慣性力與磁場經(jīng)過線圈產(chǎn)生的洛倫茲力之間的耦合,因此采用扭擺式諧振磁強計方案.兩端固支梁在加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力較大,將嚴重影響器件的成品率,且當扭轉(zhuǎn)角較大時,彈性系數(shù)隨扭轉(zhuǎn)角做非線性變化,因此設(shè)計了”L”形梁,能夠有效釋放應(yīng)力,且當扭擺尺寸較大時,”L”形梁有利于系統(tǒng)穩(wěn)固支撐.。圖7諧振式磁強計的測量原理

20資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。水平式磁強計的結(jié)構(gòu)運動方向與結(jié)構(gòu)平面平行。如1999年RobertBosch公司的EmmerichH等人研制的水平諧振式磁強計,在諧振梁中通以交變電流并經(jīng)過電容方式進行檢測,如圖8所示圖8RobertBosch公司研制的水平諧振式磁強計清華大學的湯學華在年研制了采用該原理制作的磁強計,并使用隧穿電流的方式進行檢測,其原理如圖9所示

21資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。圖9清華大學研制的水平諧振式磁強計扭擺式磁強計能夠制作多匝線圈,具有靈敏度高等特點,可是在采用電容檢測形式時,電容極板位移和電容值變化之間是非線性關(guān)系,會對其性能產(chǎn)生較大的影響。而水平式諧振磁強計的位移是在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)運動,當采用電容方式檢測時,其電容變化的線性度較好,而且制作相對簡單,具有明顯的優(yōu)勢。(3)、隧道效應(yīng)式MEMS磁強計隧穿磁強計是一種利用量子力學中隧道效應(yīng)原理測量磁場強度的新型磁強計。水平式隧穿磁強計:單位:(1．清華大學精密儀器與機械學系;

22資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。2．河北半導(dǎo)體研究所微米／納米中心)作者:湯學華1,何洪濤2,羅蓉2,李倩2,郭榮輝2,吝海峰2特點:是磁場產(chǎn)生的洛倫茲力方向和磁強計敏感元件(質(zhì)量彈簧系統(tǒng))的結(jié)構(gòu)平面在同一水平面內(nèi)。原理:圖10為水平式隧穿磁強計表頭的結(jié)構(gòu)原理圖。這種磁強計的工作原理是:首先由梳齒電極將質(zhì)量彈簧系統(tǒng)往左邊拉一個期望位移,約為4um(檢測電極與硅尖之間的原始距離為4um),使得檢測電極與硅尖之間的距離為1nm(即隧道間隙為1nm),此時在驅(qū)動電壓的作用下,產(chǎn)生約1.4nA的隧道電流,然后再給線圈通上交流電,通電線圈在被測磁場(磁場方向垂直于紙面)的作用下將產(chǎn)生洛倫茲力,該力使質(zhì)量彈簧系統(tǒng)作諧振運動,導(dǎo)致隧道間隙發(fā)生變化,使得隧道電流的大小也跟著變化,經(jīng)過測量隧道電流的變化量能夠確定磁場強度的大小。

23資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。圖10水平隧穿磁強計包頭的結(jié)構(gòu)原理圖加工工藝:表頭采用MEMS體硅溶片工藝加工,具體工藝及流程見參考文獻【12】。扭擺型諧振式隧穿磁強計:單位:清華大學精密儀器與機械學系作者:閻梅芝、董哲、任大海、尤政設(shè)計思想:采用微鏡結(jié)構(gòu)中常見的扭擺扭梁結(jié)構(gòu),并在扭擺平面上制作線圈,使磁強計的制作工藝易于實現(xiàn),且能經(jīng)過設(shè)定較高的線圈電流工作點頻率來提高扭擺的諧振頻率,

24資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。有效降低1／f噪聲。原理:由隧道效應(yīng)的原理磁強計結(jié)構(gòu)設(shè)計:基于以上基本原理,設(shè)計諧振扭擺型隧穿式磁強計的結(jié)構(gòu)如圖1～3所示,將扭擺和硅尖部分結(jié)構(gòu)均鍵合在玻璃基底上。在扭擺平面上制作線圈,在待測的空間磁場中,當給線圈通電流后將產(chǎn)生安培力,安培力作用于線圈所依附的扭擺就會產(chǎn)生力矩作用于扭梁,使扭擺偏轉(zhuǎn),改變扭擺與隧尖之間的間隙,從而由隧道電流的變化來反映磁場的變化。扭擺型隧穿式磁強計除了硅尖這一最為核心的部件外,扭擺和其上的線圈也是非常重要的。扭梁所受的扭矩大小不但取決于線圈中所通的電流,

25資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。還取決于線圈的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中采用平面線圈,其結(jié)構(gòu)如圖11所示。圖11線圈、扭擺及驅(qū)動電極的結(jié)構(gòu)垂直式隧穿磁強計:這種磁強計中,磁場產(chǎn)生的洛倫茲力方向和磁強計的敏感元件(薄膜)的結(jié)構(gòu)平面垂直。單位:1、清華大學精密儀器與機械學系2、河北半導(dǎo)體研究所微米/納米中心作者:湯學華,尤政,楊擁軍結(jié)構(gòu):

26資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。其它的隧道效應(yīng)磁強計設(shè)計方案:方案A、單位:1清華大學精密儀器系;2北京大學微電子學研究所

27資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。作者:朱俊華1,周兆英1,葉雄英1,張大成2,郝一龍2,李婷2基本原理:經(jīng)典物理學認為,動能低于勢壘的電子是不能穿透勢壘的?？墒歉鶕?jù)量子力學的理論,上述電子能夠穿透勢壘,并已被實驗所證實。當兩個電極充分接近(約為1nm),電子云相互重疊時,在電極間加上電壓(約100mV),電子便會經(jīng)過電子云的狹窄通道流動,形成隧道電流。隧道電流和電極間距離的關(guān)系如下::由上式可知,隧道電流和s成指數(shù)關(guān)系微小的位移就會使隧道電流產(chǎn)生很大的變化。而且,隧道電流僅發(fā)生在兩個電極上距離最近的兩個原子之間,因此從本質(zhì)上來說其靈敏度是與尺寸無關(guān)的。圖12(f)是微型隧道效應(yīng)磁強計的結(jié)構(gòu)圖,它由下層的玻璃襯底和上層的硅片組成。在驅(qū)動電極和偏置電極之間加上電壓,靜電力使硅橋變形,當針尖和電極之間的間距約為1nm時,就會產(chǎn)生隧道電流。在平面線圈內(nèi)通以交變電流,薄膜在Lorentz力的作用下,上下振動,隧道電流隨之改變,從而測出磁感應(yīng)強度的大小。

28資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。工藝流程:硅片工藝,首先用熱氧法在雙面拋光的硅片上長出500nm的二氧化硅并用甩膠光刻,圖形化后用RIE刻蝕二氧化硅,為防止RIE損壞下面的硅,當二氧化硅剩余50nm時改用BHF溶液腐蝕,直至暴露出下面的硅。BHF溶液腐蝕二氧化硅速率為2.3nm/s,較RIE容易控制。然后用KOH進行各向異性腐蝕,形成1μm的淺坑,這一步確定了硅尖和偏置電極間的間距(圖12a)。去掉硅表面的二氧化硅,進行無掩模的濃硼摻雜,形成自停止層,摻雜

29資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。圖12磁強計的工藝流程圖濃度為10cm,厚度9μm。接下來在硅表面熱氧二氧化硅,進行光刻,形成10μm×10μm的硅尖掩模(圖12b)。對硅尖的刻蝕工藝做了濕法刻蝕和干法刻蝕(RIE)的實驗比較。因為硅片摻雜濃硼之后,選用配比為3∶25∶10的HF+HNO3+CH3COOH的各向同性腐蝕液。但在工藝實驗中發(fā)現(xiàn),硼的摻雜濃度對該腐蝕液的腐蝕速率影響較大,重復(fù)性差。而且,橫向腐蝕速率大大超過了縱向腐蝕速率,腐蝕速率比2～3∶

30資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。1。因此,這種刻蝕方法無法獲得精確清晰的結(jié)構(gòu)輪廓。分析認為這是因為二氧化硅掩模和硅的界面處對該腐蝕液的親和性較大造成的。圖13是RIE刻蝕實驗的SEM照片,從照片上能夠看出,RIE刻蝕的結(jié)構(gòu)側(cè)面比較光滑。而且,經(jīng)過改變腐蝕氣體(SF4/O2)流量和反應(yīng)室壓力,使縱橫刻蝕比能在0.8～1.2之間調(diào)整。因此,RIE是制作硅尖的理想工藝。圖14是硅尖濺射的SEM照片。圖13RIE刻蝕SEM照片圖14硅尖SEM照片刻蝕出硅尖后,將二氧化硅去掉,再熱氧一層300nm的二氧化硅作為絕緣層。然后經(jīng)過剝離工藝在坑底制作硅尖電極和驅(qū)動電極,電極為Ti/Pt/Au三層結(jié)構(gòu),厚度300nm(參見圖12d)。兩個電極都經(jīng)過引線引至硅片的上表面,以便經(jīng)過鍵合和玻璃上的電極相連。玻璃工藝:Pyrex7740玻璃光刻圖形化后用RIE刻蝕出

31資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。350nm的淺槽,使用剝離工藝在槽內(nèi)制作出電極(圖12c),包括傳感器的偏置電極和與硅片上電極相連的引線。電極材料為Ti/Pt/Au,厚度為200nm。電極和玻璃表面有150nm的高度差,這樣,在鍵合中既能使硅片上的電極與玻璃上的電極相接觸,又不至因電極隆起過高而使硅片和玻璃無法緊密接觸,而影響鍵合的強度。組合片工藝:靜電鍵合又稱場助鍵合或陽極鍵合,能夠?qū)⒉Ａc金屬、合金或半導(dǎo)體鍵合在一起而不需任何粘接劑,鍵合界面有良好的氣密性和長期穩(wěn)定性,應(yīng)用十分廣泛。將硅片和玻璃倒扣在一起,硅片接正極,玻璃接負極,在400度的溫度和1200V的電壓下,硅/玻璃界面發(fā)生化學反應(yīng),形成牢固的化學鍵而使硅和玻璃緊密結(jié)合在一起(圖12d)。薄片溶解法(DissolvedWaferProcess)是一種利用自停止技術(shù),將硅片的大部分溶解掉,獲得各種厚度薄膜的體硅工藝。根據(jù)摻雜層的厚度不同,能夠得到從1微米到10多微米厚的薄膜。一般先在硅上刻蝕結(jié)構(gòu)圖形,然后與玻璃鍵合在一起,最后用濕法溶解體硅,這樣分離出的結(jié)構(gòu)或薄膜就粘附在玻璃上。KOH對硅的腐蝕速率在摻雜濃度超過閾值濃度(約為5×10cm)時,腐蝕速率很小,輕摻雜硅和重摻雜硅的腐蝕速率之比高達數(shù)百倍,能夠認為KOH對重摻雜硅不腐蝕。實驗中將鍵合好的硅片和玻璃放入KOH溶液并不停地攪拌,單晶硅以1.1μm/min的速率被腐蝕,大約7.5小時后,腐蝕至自停止層。腐蝕停止后

32資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。,硅表面平整光滑,525μm厚的玻璃僅腐蝕了5μm。在硅的表面涂上1μm的聚酰亞胺,對聚酰亞胺進行圖形化,暴露出硅橋兩側(cè)的硅,為后續(xù)工藝作準備。將聚酰亞胺亞胺化,形成絕緣層,然后在它的上面蒸上1μm的鋁,制作出平面線圈(圖12e)。最后,在硅片上甩膠,用光刻聚酰亞胺所用的掩模板進行圖形化后,用ICP將單晶硅薄膜刻穿,釋放薄膜的兩個對邊,從而形成硅橋(圖12f).方案B:單位:清華大學精密儀器系作者:朱俊華、丁衡高、葉雄英原理:如方案A:根據(jù)隧道效應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計:圖15所示為微型隧道效應(yīng)磁強計的結(jié)構(gòu)圖,它由上層的玻璃襯底和下層的硅片組成。在驅(qū)動電極和偏置電極之間加上一定電壓,靜電力使微梁變形,當針尖和電極之間的間距約為1nm時就會產(chǎn)生隧道電流,在梁背面的平面線圈內(nèi)通上交變電流,梁在Lorentz力的作用下上下振動,測量隧道電流的大小,就能得到粱的變形量和磁感應(yīng)強度的大小。薄膜的上表面和下表面都有一層0．2um厚的si02作絕緣層。

33資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。圖15微型磁強計結(jié)構(gòu)圖7、基于MEMS技術(shù)磁強計的有關(guān)專利(1)專利名稱:?MEMS水平諧振式磁強計申請?zhí)?10077171.3申請(專利權(quán))人:清華大學發(fā)?明?(設(shè)計)人:尤政;胡穆之;楊建中(2)專利名稱:?MEMS水平諧振式磁強計申請?zhí)?10131270.5申請(專利權(quán))人:清華大學發(fā)?明?(設(shè)計)人:尤政;胡穆之;楊建中(3)、專利名稱:?基于微機電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件

34資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。申請?zhí)?10026606.3申請(專利權(quán))人:上海交通大學發(fā)?明?(設(shè)計)人:周勇;丁文;曹瑩;陳吉安;周志敏(4)、專利名稱:?基于微機電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件的制作方法申請?zhí)?10026607.8申請(專利權(quán))人:上海交通大學發(fā)?明?(設(shè)計)人:周勇;丁文;曹瑩;陳吉安;周志敏(5)、專利名稱:?一種MEMS微型高靈敏度磁場傳感器及制作方法申請?zhí)?10030766.X申請(專利權(quán))人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所發(fā)?明?(設(shè)計)人:吳亞明;劉玉菲;李四華;萬助軍(6)、專利名稱:??水平式隧穿磁強計申請?zhí)?10074075.0

35資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。申請(專利權(quán))人:清華大學;中國電子科技集團公司第十三研究所發(fā)?明?(設(shè)計)人:尤政;楊擁軍;湯學華;何洪濤;王曉路;吝海峰(7)專利名稱:?一種微機電系統(tǒng)磁場傳感器及測量方法申請?zhí)?10022319.9申請(專利權(quán))人:?東南大學發(fā)?明?(設(shè)計)人:陳潔;黃慶安;秦明;趙桂林(8)專利名稱:?以MEMS技術(shù)制造的半導(dǎo)體材料的集成三軸磁力計申請?zhí)?10592331.0申請(專利權(quán))人:?意法半導(dǎo)體股份有限公司發(fā)?明?(設(shè)計)人:?L·巴爾多;F·普羅科皮奧;S·澤爾比尼(9)專利名稱:

36資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。??微機電系統(tǒng)磁場傳感器及磁場測量方法申請?zhí)?10022805.6申請(專利權(quán))人:?東南大學發(fā)?明?(設(shè)計)人:?陳潔;黃慶安;秦明;張中平(10)專利名稱:??微機電系統(tǒng)的微型化磁通門傳感器申請?zhí)?10046099.8申請(專利權(quán))人:上海交通大學發(fā)?明?(設(shè)計)人:??周勇;雷沖;周志敏;丁文(11)專利名稱:??諧振式微機電系統(tǒng)磁場傳感器及測量方法申請?zhí)?10029903.1申請(專利權(quán))人:?東南大學發(fā)?明?(設(shè)計)人:??陳潔;黃慶安;秦明;李成章(12)專利名稱:?共振磁強計設(shè)備申請?zhí)?80034653.6申請(專利權(quán))人:?秦內(nèi)蒂克有限公司

37資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。發(fā)?明?(設(shè)計)人:??D·O·金;K·M·布倫森8、參考論文:[1]姜智鵬,趙偉,屈凱峰,等.磁場測量技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用.電測與儀表,,(45):1-5,10;[2]潘啟軍,馬偉明,趙治華,康軍.磁場測量方法的發(fā)展及應(yīng)用.電工技術(shù)學報,,(20):7-13;[3]金惕若.空間磁場的測量.《測控技術(shù)》,,(19):32-35;[4]董浩斌,張昌達.量子磁力儀再評說.工程地球物理學報,,(7):460-470;[5]胡苗苗,劉海順,李端明,王懷軍.磁場測量方法及其應(yīng)用.現(xiàn)代物理知識,(20):36-38;[6]張昌達,董浩斌.量子磁力儀評說.工程地球物理學報,,(1):499-507;[7]陳海英.精密磁強計的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用.現(xiàn)代儀器,,6:5-7;[8]張志杰,賀天民,孫昕,杜曉波.用于近代物理實驗教學的振動樣品磁強計.物理實驗,,(27):37-39;[9]胡穆之,尤政,楊建中,張弛.

38資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。MEMS水平諧振式磁強計的建模與仿真.系統(tǒng)仿真學報,,(21):2787-2790;[10]劉玉菲,趙本剛,吳亞明,王躍林.新型高靈敏度低功耗的磁場傳感器設(shè)計與模擬.傳感技術(shù)學報,,(19):2068-2071;[11]任大海,閻梅芝,尤政.扭擺型諧振式磁強計及其激振與測控系統(tǒng)設(shè)計.納米技術(shù)與精密工程,,(5):190-196;[12]湯學華,何洪濤,羅蓉,李倩,郭榮輝,吝海峰.水平式隧穿磁強計表頭的制作.壓電與聲光,,(28):48-50;[13]楊建中,尤政,劉剛,康春磊.微型磁通門式磁敏感器(MEMSMag).功能材料與器件學報,,(14):313-318;[14]朱俊華,周兆英,葉雄英,張大成,郝一龍,李婷.微型隧道效應(yīng)磁強計的設(shè)計和加工工藝研究.微細加工技術(shù)。,(1):53-56;[15]任大海,闔梅芝,尤政.諧振式MEMS磁強計原理與研究進展.傳感器與微系統(tǒng),(26):10-12,16;[16]湯學華,尤政,楊建中.諧振式隧穿磁強計的理論研究.微納電子技術(shù),.,(7/8):407-409;[17]張海昌,湯學華,胡曉莉.新型隧穿磁強計結(jié)構(gòu)多梳齒結(jié)構(gòu).機械工程師,,(11):13-15;[18]朱俊華,丁衡高,葉雄英.

39資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯(lián)系改正或者刪除。一種微型隧道效應(yīng)磁強計的設(shè)計.儀器與儀表,,(11):16-17,34;[19]全瑋,湯學華.一種新型水平式MEMS隧穿磁強計仿真.上海電機學院學報,,(11):95-98;[20]湯學華,尤政,楊擁軍.水平式隧穿磁強計的建模與仿真.壓電與聲光,,(27):566-568;[21]閻梅芝,董哲、任大海、尤政.扭擺型隧穿磁強計的設(shè)計方法研究.儀器儀表學報,,(27):1154-1158;