专利名称：组合的磁场梯度和磁场强度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁场传感器，尤其涉及用于罗盘等中的组合的磁场梯度和磁场强度传感器。
一些磁场强度传感器(也称为磁强计)是已知的。通常，这种传感器构造成沿一个轴测量磁场强度。对于罗盘应用，可使用三个磁强计沿三个相互正交的轴测量磁场强度，以唯一地确定地磁场的方向并由此提供罗盘方位。
在D.K.Wickenden等的文章“MEMS based resonatingXylophone Bar Magnetometers”(SPIE ConferenceProceedings-Micro-machined Devices and ComponentsIV，SPIEVol.3514，pp 350-358，1998)中描述了基于紧凑型MEMS的共振磁强计的一个例子。Wickenden等的器件包括在其第一谐振模式的节点固定于一对电极的表面微机械棒。使用时，交变电流(AC)以该棒的谐振频率通过该棒。存在磁场时，洛仑兹力引起该棒谐振，电容性感测任何这种运动的量以提供所施加磁场强度的表示。
最近，Zaki Izham、Michael CL Ward、Kevin M Brunson和PaulC Stevens的文章“Development of a ResonantMagnetometer”(见Proceedings of.the 2003 Nanotechnology Conference and Tradeshow，February 23-27，San Francisco，Volumel，pp 340-343，ISBN0-9728422-0-9)中描述了对基本MEMS谐振磁强计设计的改变。Izham等的谐振磁强计由绝缘体上硅(SOI)晶片形成，且包括具有两组固定-固定悬架的振荡物质，所述悬架允许其沿晶片平面上的轴移动。频率在该振荡物质的谐振频率附近的AC电流流过该悬架的电流路径，由此当存在磁场时引起该物质谐振。一组电极附着于该物质以便电容性地测量任何磁场感应运动的量。
众所周知，当地磁场相对弱时，如果出现局部的磁场，包括基于磁强计的器件在内的罗盘的精确度可能显著降低。局部磁场的来源可能有多种，例如电气装置、电缆或磁性材料。为了增加罗盘精确度，之前采用了校准过程，其中在罗盘周围与局部磁场抵消的位置放置磁体对。虽然这种技术对于固定罗盘设备(例如在车辆或船舶上)是有用的，但其不容易应用于移动(例如，手持)罗盘系统。
磁场梯度传感器(通常称为磁梯度计)也是已知的。磁梯度计通常包括空间上分开几米的一对磁强计，使用由这两个磁强计测得的磁场强度的任何差值来确定磁场梯度。通过这种方式，之前已经高精度地测量了小的磁场梯度。
本发明的一个目的是提供一种磁场传感器，尤其是用于罗盘的磁场传感器，该传感器减轻了至少一些上述缺点。
根据本发明的第一方面，磁场传感器器件包括振荡元件和电流控制装置，其中电流控制装置设置成使交变电流(AC)沿穿过振荡元件设置的至少第一和第二电流路径流过，其特征在于该电流控制装置设置成提供磁强计模式操作，该操作中流过第一电流路径的电流的方向与流过第二电流路径的电流的方向基本相反。
由此本发明的磁场传感器包括受到振荡力的振荡元件，该振荡力源于任何施加的磁场与流过第一和第二电流路径的AC电流的洛仑兹(Lorentz)相互作用。将该电流控制装置设置成使得在梯度计模式下，通过第一电流路径的电流方向与通过第二电流路径的电流方向基本相反。
换句话说，以如下方式将AC电流(显然具有随时间周期性改变的电流方向)施加到第一和第二电流路径确保沿第一和第二电流路径流过的任何电流将相对于振荡元件沿相反方向流过。因此可认为流过第一电流路径的AC电流与流过第二电流路径的电流异相。
如果假设流过第一和第二电流路径的交变电流的幅度相同，且第一和第二电流路径基本等长，则第一和第二电流路径处的磁场强度的任何差别将向振荡元件提供与磁场梯度有关的合成的振荡力。如果没有磁场梯度(例如，该器件处于基本均匀的磁场或不存在磁场)，将不向该器件的振荡元件提供合力。因此提供了一种磁场传感器，其中向振荡元件提供取决于两个电流路径处的磁场强度差的洛仑兹振荡力。
因此本发明的器件提供了紧凑型的磁梯度计。与使用两个分立的空间分离的磁强计器件相比，提供具有两个分开的电流路径的单个振荡元件提供了更高的磁场梯度灵敏度。或者本发明器件的提高的灵敏度可用于减小提供具有给定灵敏度的磁梯度计所需的物理尺寸。
应当注意，此处使用的术语电流路径的意思是穿过振荡元件的导电路线。通常，形成穿过振荡元件的电流路径的导电路线在两个连接点(例如，通过将振荡元件贴附于衬底的物理锚定点)与下面的衬底电连接。然后，可以通过跨过所述连接点施加适当的电势差，使电流沿电流路径流过。应当注意，电流路径可以是直接连接连接点的直的导电轨迹，或者可以使用更复杂的导电图形来定义所述电流路径；例如，电流路径可以是弯曲的或者穿过应力释放部分，这将在下面更详细地描述。电流路径可以由埋置在振荡元件中的层形成或者由位于振荡元件表面上的层形成。
方便的是，电流控制装置设置成另外提供磁强计模式操作，其中流过第一电流路径的电流的方向与流过第二电流路径的电流的方向基本相同。在该模式中，由磁场和流过第一电流路径的电流的相互作用向振荡元件提供的振荡力与由磁场和流过第二电流路径的电流的相互作用向振荡元件提供的振荡力相加。这使得能够测量磁场强度提供第一和第二电流路径可用于增加流过振荡元件的总电流。
或者，可以有利地使用磁强计操作模式，其中电流控制装置仅使AC流过第一电流路径。于是，该器件可以与在我们的国际专利申请PCT/GB2004/004017中描述的那一类型的磁强计相同的方式工作。
有利的是，电流控制装置包括用于将该器件切换到梯度计模式和磁强计模式中任一种的模式选择器。该模式选择器可包括例如跨接开关或其它电子或电气电路，以将沿第一电流路径或第二电流路径的电流方向反转。
有利的是，该器件还包括感测装置，该感测装置提供取决于振荡元件的偏转的输出信号。该感测装置通常可包括至少一个位于衬底上且与振荡元件具有可变电容的传感器电极。换而言之，该感测装置通过电容性感测测量振荡元件的运动。
优选地，该感测装置包括多个位于衬底上的细长传感器电极，且振荡元件包括与所述多个细长传感器电极相互交叉的多个细长电极。相互交叉的电极组提供了所需的随振荡元件的运动而变化的电容。为了确定运动方向，技术人员可理解按照常规，每个细长的传感器电极可以更靠近与其相邻的那对振荡元件细长电极中的一个。
方便的是，振荡元件的电极保持在预定直流(DC)极化电压。在这种情况下，可直接测量振荡元件的电极和衬底之间的电容。
或者，可以有利地向振荡元件的电极施加高频AC极化电压(所谓的探测信号)。高频探测信号的使用确保了放大电子电路的1/f噪声不显著影响电容性感测的质量。该频率远在振动结构的机械响应之上。优选地，该高频探测信号的范围为50KHz到几十MHz，更优选地，其大于100KHz，甚至更优选地，其约为1MHz。因而，实施高频电容性感测改善了由感测装置产生的输出电信号的信噪比。
有利的是，电连接该多个传感器电极以形成两个电极组，这两个电极组设置成提供差分电容性感测。如下面所详细描述的，由每个电极组提供的运动感应电容信号可以设置成使得它们异相。然而，由每个电极组产生的信号中的驱动电路的馈通将总是同相的。因此，所述信号进行减法运算(即，确定信号差)将减少噪声效应，并提供更干净的运动感应信号。这种差分电容性感测所提供的输出电信号具有比使用直接感测可获得的更低的噪声水平。
有利的是，也提供驱动装置，以便向振荡元件提供与磁场无关的振荡力。优选地，该与磁场无关的振荡力的幅度足以保证在使用期间连续迫使振荡元件谐振。因此，振荡元件将以与不依赖于磁场的振荡力和任何洛仑兹力的合力相关的幅度振荡，所述洛仑兹力由磁场与流过振荡元件的第一和第二路径的AC的相互作用提供。
以这种方式，提供了一种磁场传感器器件，其中，通过结合依赖于磁场的(即，洛仑兹)振荡力和由驱动装置施加的与磁场无关的振荡力，驱动振荡元件谐振。因此，即使缺少施加的磁场(磁强计模式)或磁场梯度(梯度计模式)，振荡元件也被驱动成谐振。施加磁场(磁强计模式)或磁场梯度(梯度计模式)时，振荡元件的振荡幅度将以可检测方式改变。
通过提供驱动装置确保振荡元件被连续驱动成谐振，提供了优于仅在施加磁场时被驱动成谐振的振荡磁强计器件的几个优点。首先，振荡元件的谐振频率的连续测量可允许适当选择所施加的AC的频率。当所述器件要用于在谐振属性方面产生显著变化的各种不同的环境(例如，不同的温度、压强等)中时，这尤其有利。这应当与Izham等人描述类型的现有技术磁强计相对照，该现有技术磁强计中，仅当施加强度足以引起振荡的磁场时才可能测量谐振频率。此外，驱动装置的使用提供了通常具有较低磁场检测阈值的器件；例如，在磁强计操作模式下，小的磁场可能不足以引起静止振荡元件谐振，然而所提供的洛仑兹力足以在振荡的振荡元件的幅度中产生可测量的改变。
应当注意，由AC与磁场的相互作用产生的洛仑兹力和驱动装置提供的振荡力优选设置成同相或异相。在这些情况下，在存在施加磁场时，振荡元件的振荡幅度将增加或减小，这根据具体情况取决于磁场方向或磁场梯度符号。本领域技术人员也将认识到，根据振荡幅度增加还是减小，可以容易地确定磁场方向(磁强计模式)和磁场梯度的符号(梯度计模式)。
有利地是，振荡元件承载于衬底上，且驱动装置包括至少一个形成于衬底上的驱动电极以便以静电方式向振荡元件提供振荡力。
通常，驱动装置包括多个形成于衬底上的第一细长驱动电极，且振荡元件包括多个第二细长驱动电极，其中第一细长驱动电极与第二细长驱动电极相互交叉。换而言之，实现了静电梳状驱动布置。这种静电梳状驱动的提供减小了所施加的静电力对振荡元件的位移的依赖性，因此减小了振荡元件的运动中的任何变形。虽然基于静电的驱动装置是优选的，但是可以使用热或压电驱动装置作为替代或另外还使用热或压电驱动装置。
通常驱动装置包括用于接收由感测装置产生的电信号的正反馈电路。因此，该驱动装置设置成使用正反馈回路将振荡元件驱动成谐振；由感测装置产生的信号由该正反馈电路适当处理(例如，按需要放大和/或移相)并被该驱动装置利用以(例如，静电地)产生振荡力。这确保了驱动装置在振荡元件的谐振频率连续向其施加振荡力。换而言之，可以说是由驱动装置进行振荡元件的自谐振驱动。也应当注意，已经发现该器件固有的机械噪声和驱动电路的固有电学噪声足以在器件启动时引起谐振。
优选地，驱动装置提供具有固定幅度的振荡力。换而言之，驱动装置工作在所谓的“恒定驱动模式”，并向振荡元件提供恒定的振荡力(例如通过向静电驱动电极施加恒定幅度的AC驱动电压)。在没有磁场的情况下当以磁强计模式操作时，或者在没有磁场的情况下当以梯度计模式操作时，没有合成的洛仑兹力，且振荡元件将以恒定幅度振荡。然而，任何合成洛仑兹力将改变振荡元件的振荡幅度，改变量与磁场强度直接相关。
或者，驱动装置设置成向振荡元件提供幅度可调节的振荡力，其中在使用期间调整振荡力的幅度以便保持振荡元件的给定振荡幅度。换而言之，驱动装置可设置成使得磁强计工作在所谓的“恒定幅度模式”；由该驱动装置提供的振荡力足以确保振荡元件以某一固定幅度谐振。对于磁强计模式和梯度计模式，磁场和磁场梯度的施加将分别导致驱动装置改变所施加的振荡力的幅度，所述振荡力的施加是为了保持振荡元件谐振的固定幅度。在这种情况下，由驱动装置施加的振荡力的幅度适当地提供了磁场强度或磁场梯度的度量。
有利地是，通过电流控制装置流过振荡元件的AC的频率基本等于振荡元件的谐振频率。通过这种方式，最大化了任何振荡力的谐振放大。
有利的是，电流控制装置包括用于提供通过振荡元件的AC的电压源，虽然可以由单独的电压源提供通过振荡元件的每条电流路径的AC，但是优选从单个源得到沿每条电流路径通过的AC。该电流控制装置也可设置成使得通过第一和第二电流路径的AC的幅度是可控的。控制施加到振荡元件的AC的幅度允许调整器件的灵敏度。对于给定的磁场强度或磁场梯度，增加所施加的AC将增加洛仑兹力的幅度，由此增加振荡元件的幅度的磁场感应效应。如果提供了驱动装置，所施加的AC的幅度也可以减小到零以使得振荡元件的谐振属性能够被估计，而没有任何磁场感应的影响。这允许为了校准而测量品质因数Q。
有利的是，电流控制装置包括设置成接收由感测装置产生的输出信号的反馈电路。因此提供了用于产生流过振荡元件的电流路径的AC电流的反馈回路(其可包括适当的放大等)。当直接从振荡元件的振荡得到AC电流时，该AC电流的频率将总是等于其谐振频率。因此，不需要提供单独的振荡器源来产生AC电流，并且不需要现有技术磁强计中使用的锁相回路装置来确保AC频率追踪振荡元件的谐振频率。因此，所得到的器件比现有技术器件制造起来更简单、更便宜。
应当注意，提供反馈回路来控制驱动装置和产生流过振荡元件的AC，确保了与磁场无关的力相对于由磁场和AC相互作用产生的力被适当定相。这进一步增加了磁场强度测量的精确度。
有利的是，振荡元件的第一和第二电流路径包括基本上是直的导电轨迹，优选形成第一电流路径的导电轨迹基本平行于形成第二电流路径的导电路径。此外，有利的是，第一电流路径穿过振荡元件的长度基本等于第二电流路径穿过振荡元件的长度。
有利的是，穿过振荡元件的第一电流路径与穿过振荡元件的第二电流路径分开，且分开的距离大于5mm，或者更优选地大于10mm，或者更优选地大于20mm。电流路径之间的间距越大，当器件工作于梯度计模式中时对磁场梯度的灵敏度就越大。因此技术人员能够选择提供具有所需灵敏度的器件所需要的间距。
适宜的是，振荡元件至少包括第一和第二柔性分支部分，第一分支部分包括限定第一电流路径的导电部分，第二分支部分包括限定第二电流路径的导电部分。振荡元件也可有利地包括基本刚性的横梁，该横梁的第一端连接到第一柔性分支部分，该横梁的第二端连接到第二柔性分支部分。方便的是，一个或多个细长电极从该横梁凸出。这些电极可用于提供电容传感器电极和/或提供驱动电极的对置电极。
有利的是，一个或多个另外的柔性分支部分可贴附于该横梁。这些另外的柔性分支部分对该梁提供另外的机械支撑，并在第一和第二分支部分的间距大时特别有利。该一个或多个另外的柔性分支部分也可包括导电部分；这些导电部分也可电连接到该横梁，并优选保持在如下所述的所需的极化电压。
在使用中，该横梁也可保持在给定的(D.C.)极化电压。例如，该横梁可包括与第一和第二分支部分的导电部分的中点电接触的导电轨迹。如果极化电压(V)加上ΔV施加到一个分支部分的一端，而极化电压(V)减去ΔV施加到该分支部分的另一端，则该分支部分的中点，并因此该横梁，将保持在该极化电压V。无论流过该分支部分的电流路径的电流方向如何，都是如此，因此该横梁在所述器件以磁强计模式或梯度计模式工作时可保持在所需的极化电压。应当注意，可以施加交变的ΔV，使得所需的AC电流流过振荡元件的各个分支部分，而该横梁保持在所需的D.C.极化电压。
优选振荡元件包括至少一个应力释放装置，例如应力释放环。因此电流路径(例如，第一或第二电流路径)可包括应力释放环的一个或多个导电部分，这将在下面参考图4详细描述。然而，穿过过应力释放装置的电流路径与纵电流路径长度相比通常是可以忽略的，因此当确定沿电流路径流动的电流的方向时被忽略。应力释放装置的提供减少了当悬置振荡元件锚定到衬底时可能发生的弯曲和非线性谐振效应。
有利的是，所述器件形成为微机电系统(MEMS)。此处术语“微机电系统(MEMS)”用于包含各种微机械传感器和致动器，包括在本领域中用术语“微系统技术(MST)”、“微型机器人技术”和“微工程设计的器件”那些。
方便的是，振荡元件悬置在衬底上。该振荡元件和/或衬底可包括硅，并可由绝缘体上硅(SOI)晶片和玻璃上硅(SOG)晶片中的任何一种形成。优选地，振荡元件设置成沿基本平行于衬底平面的平面内的轴振荡。
实质上，提供了一种磁场传感器，其具有包含两条电流路径的振荡元件，这两条电流路径基本平行排列，该振荡元件可以以梯度计模式工作，该模式中跨每条电流路径施加AC电压使得在出现均匀磁场时，由流过每条电流路径的电流产生的洛仑兹力基本相等且方向相反。
根据本发明的第二方面，提供了一种罗盘，其包括至少一个本发明第一方面的磁场传感器器件。尤其是，这种罗盘可包括可在磁强计模式和梯度计模式下工作的磁场传感器器件。
与已知的其中仅测量磁场强度的罗盘不同，本发明的罗盘还可测量磁场梯度。该额外测量还可用于针对局部磁场异常校正罗盘方位。因此，本发明的罗盘可用于各种磁环境，且不需要例如使用磁体对抵消局部磁场进行原位校准以便提供精确的罗盘读数。因此，本发明提供了一种高度通用罗盘，其可用于恶劣且变化的磁环境。
有利的是，该罗盘包括三个磁场感测器件，这三个磁场感测器件中的每一个设置成沿相互正交的轴获得磁场测量。此外，可方便地提供处理装置，该处理装置设置成按需要在磁强计模式和梯度计模式之间切换每个磁场传感器器件，并由此确定校正了任何局部磁场异常的罗盘方位。
根据本发明的第三方面，惯性测量单元包括本发明的第二方面的罗盘。
根据本发明的第四方面，罗盘包括用于测量磁场强度的装置，且其特征在于该罗盘还包括用于测量磁场梯度的装置。该罗盘还可包括处理器，该处理器设置成进行磁场强度和磁场梯度测量，并提供校正了局部磁场异常的罗盘方位。
根据本发明的第五方面，一种操作磁场传感器器件的方法，包括步骤采用包括振荡元件的磁场传感器器件，并使交变电流(AC)通过该振荡元件，其特征在于，该振荡元件包括至少第一和第二电流路径，且其特征在于，在使用过程中，AC沿该至少第一和第二电流路径通过。有利的是，该方法包含使AC以与第二电流路径基本相反的方向沿第一电流路径通过。
现在将仅通过举例的方式参考下面的附图描述本发明，其中
图1示出了本发明的磁场传感器，图2示出了可以在图1所示类型的MEMS磁强计中使用的一些电极布置，图3示出了可以在图1所示类型的MEMS磁强计中使用的静电梳状驱动装置，图4示出了使用折叠的梁来改善磁强计性能，图5示出了可如何使用SOI工艺制造本发明的器件。
参照图1，示出了自谐振磁场传感器2，该传感器2包括由SOI衬底形成的有源区4以及相关的控制电路6。
有源区4包括悬置的谐振梁结构8(即，悬置物质)，其具有第一分支10、第二分支12、第三分支14和第四分支16。第一至第四分支10、12、14、16的中点通过横梁18连接。横梁18形成为箱形截面，以提供高度刚性而不显著增加质量总量。这种箱形截面横梁防止激励扭曲的振荡模式。第一至第四分支10、12、14、16中每一个的各端通过锚定点物理贴附且电连接到到衬底。应力释放环22也在每个锚定点附近形成在这些分支中，以减少物理应力。
悬置谐振梁结构8的横梁部分18承载多个指状电极23，所述指状电极23从横梁部分18的每侧垂直凸出且位于衬底平面内。在悬置横梁部分18的各侧上，在衬底中形成第一组24和第二组26电容性感测指状电极。该器件设置成使得悬置横梁部分18的指状电极23与第一组24和第二组26指状电极相互交叉。这种电极布置使得能够电容性感测悬置谐振梁结构8的任何运动。也在衬底中形成一对驱动电极28，且该对驱动电极位于由横梁部分18所承载的端部指状电极对30附近。
使用时，该器件优选在所谓的“自谐振模式”下工作。静电驱动电路32向驱动电极对28施加驱动电压，由此将悬置谐振梁结构8静电地驱动成谐振。利用第一组24和第二组26指状电极，通过差分电容性检测感测谐振梁结构的运动。该电容性感测被馈至差分放大器34，并通过90°移相电路36(或微分电路)被引导到静电驱动电路32。以这种方式，实现了正电子反馈回路设置，且通过电容性感测产生的信号用于静电驱动谐振梁结构8。
由移相器36产生的输出信号也通过限制器电流驱动电路38馈至差分驱动电路40。也提供极化电压源42。该差分驱动电路设置成使极化电压加ΔV通到第一分支10的一端，且极化电压(V)减去ΔV通到该第一分支10的另一端。差分驱动电路38的电压输出也通过跨接开关44传递到第二分支12的各端。该极化电压(V)直接施加到第三分支14的两端和第四分支16的两端。
该差分驱动装置(为电压源电路)使得第一交变电流能够流过第一分支10且使得第二AC能够流过第二分支12。跨接开关44设置成使得可以按需要选择被施加差分驱动电压(即，V+ΔV和V-ΔV)的第二分支12的端部。这种布置确保了横梁18保持在所需的极化电压(即，处于由极化电压源42提供的电压)，这使得能够通过指状电极23进行低噪声电容性感测。可以固定ΔV的电平，这可能引入由悬架电阻的变化引起的电流的不确定性，或者可以监测电流和变化的ΔV，以保持电流幅度恒定。
谐振梁结构振荡的振荡幅度取决于静电驱动力和洛仑兹力之和，所述洛仑兹力由流过第一分支10和第二分支12的电流产生。在图1的布置中，保持静电驱动的幅度恒定；即，磁强计工作在恒定驱动模式下。因此，差分放大器34的输出在通过整流/滤波电路46后，在信号线48上提供与振荡元件8的运动幅度有关的输出。
磁场传感器2可作为磁强计或作为磁梯度计工作。
在磁梯度计模式下，跨接开关44设置成使得AC电流以相反方向沿第一分支10和第二分支12流过。应当注意，AC电流的方向显然将随时间变化。因此本领域技术人员将以相反方向流动的AC电流的概念理解成意思是在特定时间点，沿第一分支10向下的电流基本与沿第二分支12向下的电流相反。
在存在均匀磁场的情况下，由每条电流路径产生的洛仑兹力将等大反向，因此这些洛仑兹力抵消。在这种情况下，运动幅度将仅由所施加的静电驱动力定义，然而，如果附近存在磁异常，则将产生具有特定磁场梯度(即，随距离变化的磁场强度)的磁场。这将引起施加到第一分支的洛仑兹力的幅度不同于施加到第二分支的洛仑兹力的幅度，由此产生合成的洛仑兹力，其将增加或减小由静电驱动力产生的运动幅度。换而言之，磁场梯度将引起向谐振梁8施加与磁场梯度有关的振荡力。
在磁强计模式下，跨接开关44设置成使得电流以相同的方向沿第一分支10和第二分支12流过。在这种情况下，施加到谐振梁8的振荡力将取决于第一和第二分支处的磁场强度的幅度。因此可测量绝对磁场强度。在这种模式下，在我们的国际(PCT)专利申请PCT/GB2004/004017中描述了以类似方式工作的器件。应当注意，代替提供跨接开关44，当在磁强计模式下工作时可提供一开关以向第二分支的两端施加极化电压；由此流过第一分支的电流和所施加的磁场强度的相互作用将确定施加到谐振梁的洛仑兹力。
如上所述，该传感器可工作于恒定驱动模式，该模式中静电驱动电平被选择成足够高，使得该器件在施加最大待测磁场(磁强计模式)或最大磁场梯度(磁梯度计模式)时保持谐振。换而言之，由所施加的磁场和静电驱动引起的合力应当总是足够高以保持谐振而不引起悬置谐振梁撞击其终点挡板。应当注意，即使所施加的磁场阻止谐振或引起所述梁撞击其终点挡板，该器件通常也不会损伤，且将在磁场强度/梯度或AC电流减小时再次正常工作(而不需要重新校准)。
代替在恒定驱动模式下工作，该传感器可包括控制回路来改变静电驱动信号的幅度，以便保持振荡幅度恒定，即，其可工作于恒定幅度模式。
由此，所施加的驱动电压的幅度提供了向该器件施加的磁场强度(磁强计模式)或磁场梯度(磁梯度计模式)的表示。
上述电容性感测装置是所谓的位移电流检测器。在这种装置中，极化电压固定在适当的DC电平，且放大电子装置(例如差分放大器34等)工作于该器件的谐振频率。对于通常用于集成单元或特定用途集成电路(ASIC)中的CMOS感测放大器(pick off amplifier)，该工作频率在该放大器的1/f噪声之内，因此该器件的信噪比降低。
为了减少这些1/f噪声效应，可以使用高频(例如，1MHz)探测信号感测电容。在本发明的上下文中，“高频”是指这样的频率，其远高于放大器的1/f噪声区且远高于振动结构的机械响应。由极化电压源42产生的极化电压将是该高频探测信号，且电容传感器的输出在经过适当增益之后将需要解调和滤波。完成了针对上述基带实施方式的用于这种系统的反馈回路，但是用180°相移装置(未示出)代替90°相移电路36。
本发明的磁传感器非常适用于罗盘系统。该罗盘优选包括三个磁传感器，这些传感器设置成沿三个相互正交的轴测量磁场强度(磁强计模式)和/或磁场梯度(磁梯度计模式)。在短的长度范围，地球磁场是有效均匀的，而局部磁异常趋向于作为点状源起作用，因此具有显著的磁场梯度。根据三个正交磁场梯度测量确定磁场梯度矢量将允许当与磁场强度测量相结合时，磁异常的效应将与地球磁场的效应分开。换而言之，可以使用本发明的传感器校正局部磁异常对罗盘方位的影响，以测量磁场强度和磁场梯度二者。
为了获得将所述传感器作为罗盘工作所需的品质因数(Q)，在减压环境中封装所述传感器。作为谐振行为的强度的度量的Q因子对压强有高度依赖性，这又会影响灵敏度和带宽。该器件的另一优点在于，其也可用于直接为校准目的而测量Q。如果关断流经梁结构的AC电流，则仅仅由静电驱动电路40通过驱动电极28施加的静电力会将悬置谐振梁结构8驱动成谐振。在这种情况下，振荡运动的幅度(或者，如果工作于恒定幅度模式下，为所施加的驱动力)将与Q有关。
同时使用两个或更多相同的器件也是有利的，一个测量Q，一个用作磁传感器。也可通过包含在该器件周围形成于晶片上的平面线圈获得校准。馈通该平面线圈的已知电流将产生该器件处的已知磁场和/和磁场梯度。
参考图2，示出了一些可供选择的传感器布置(pick-uparrangement)，它们适于包含在本发明的磁强计中。
图2b示出了在图1的器件中使用的布置，而图2a和2c示出了作为替代的布置。
图2a示出了Izham等所描述类型的所谓的单端传感器布置。悬置横梁80包括若干与两组衬底指状电极84和86相互交叉的指状电极82。
横梁80在y方向的运动改变了该布置的电容，并提供了横梁位移的表示。这种布置的缺点在于难以将由横梁运动引起的电信号与驱动电路馈通和周围电路的电学影响分开。
图2b所示的差分传感器布置(其与上述参考图1描述的类似)，允许在相关噪声水平较低的情况下进行测量。横梁8位于两组指状电极24和26之间，这两组指状电极24和26相对于彼此横向偏移。横梁8的运动导致从一组指状电极(例如电极24)产生运动感应信号，该信号与由另一组电极26提供的运动感应信号异相。相反，与由电极24和26中每一个产生的信号相关联的噪声显然同相。因此，减去由电极24和26产生的信号除去了有害背景噪声中的大部分而增加了横梁运动感应的信号。由于这个原因，差分传感器布置是优选的。
图2c示出了可供选择的差分传感器布置，其中形成于衬底中的两个指状电极组92和94中的每一个被分成两半。这提供了在两侧对称的电极布置，由此平衡了由检测回路(pick up circuit)产生的静电力，从而避免施加扭曲运动。
上面描述了如何使用在衬底中形成的一对驱动电极28和由横梁18承载的对应指状电极对30，静电地驱动图1所示的器件的悬置谐振梁结构8。图3示出了可供选择的实施例的一部分，其中采用了静电梳状驱动布置。
在图3的布置中，横梁18承载包括多个指状电极的电极布置230。对应的驱动电极228形成在衬底上。衬底的细长驱动电极228与电极布置230的指状电极相互交叉，由此提供了静电梳状驱动。该梳状驱动装置最小化了位移对所施加静电力的依赖性，并减小了悬置梁结构18的运动中的任何变形。技术人员也可以认识到，可以在本发明的器件中使用各种可选择的驱动装置。
如参考图1所述的，本发明的磁传感器包括结合了应力释放环的悬架(即，悬置的谐振梁结构8)。现在参考图4，示出了适用于谐振磁强计的两个应力释放装置。
图4a示出了支撑中央物质102且在锚定点104锚定到衬底的谐振梁100。应力释放环106位于悬架的每端，形成穿过振荡元件的电路路径的部分。图4a中所示应力释放环有两个优点提供应力释放而不影响由所施加的磁场感应的力；并且允许悬架以更加线性的方式工作。
代替所述环，可以如图4b所示在谐振梁100的每端形成折叠108。折叠108设置成使得电流在每个方向上流动的距离相等。这确保了由流过折叠108的电流和所施加磁场的相互作用引起的洛仑兹力将会抵消。
尽管以前在MEMS器件中已经使用了各种应力释放装置，但使用标准的折叠悬架是不合适的，因为洛仑兹力会被在两个方向(即，向上的折叠和向下的折叠)上流动的电流抵消。因此，形成如图4所示类型的应力释放装置解决了与通用磁强计器件并且尤其是Izham等人的器件相关联的一些问题。首先，衬底中的应力会导致梁弯曲和器件失效。该应力可由封装和器件之间的热失配、以及SOI制造过程中的任何残余应力引起。该应力释放装置防止发生这种弯曲。其次，固定-固定梁的刚性随着幅度的变化不是线性的，因此引起谐振频率随振荡幅度而变化。提供应力释放环或折叠减少了这种非线性。
参考图5，示出了根据本发明的器件的制造。
图5a示出了包括机械硅层120的SOI衬底、牺牲氧化物层122和支撑晶片124。如图5b所示，氧化物层124沉积在硅层120上并被蚀刻以定义掩模。
参考图5c，示出了如何经过掩模氧化物层126向下至牺牲氧化物层122蚀刻机械硅层120。然后，在如图5e所示涂覆金属层128以形成欧姆导体之前，通过如图5d所示除去牺牲氧化物的一部分，在机械硅层120中形成悬置结构。
权利要求
1.一种包括振荡元件和电流控制装置的磁场传感器器件，其中该电流控制装置设置成使交变电流(AC)沿穿过该振荡元件提供的至少第一和第二电流路径流过，其特征在于该电流控制装置设置成提供磁梯度计模式操作，该操作中流过第一电流路径的电流的方向与流过第二电流路径的电流的方向基本相反。
2.根据权利要求1的器件，其中该电流控制装置设置成另外提供磁强计模式操作，在该操作中流过第一电流路径的电流的方向与流过第二电流路径的电流的方向基本相同。
3.根据权利要求1的器件，其中该电流控制装置设置成另外提供磁强计模式操作，在该操作中AC仅流过第一电流路径。
4.根据权利要求2至3之一器件，其中该电流控制装置包括用于按需要切换到梯度计模式和磁强计中任一种的模式选择器。
5.根据前述权利要求中任一项的器件，还包括用于提供依赖于振荡元件的偏移的输出信号的感测装置。
6.根据权利要求5的器件，其中该感测装置包括至少一个位于衬底上且与振荡元件具有可变电容的传感器电极。
7.根据权利要求6的器件，其中该感测装置包括位于衬底上的多个细长传感器电极，且振荡元件包括与所述多个细长传感器电极相互交叉的多个细长电极。
8.根据权利要求7的器件，其中振荡元件的电极保持在预定直流(DC)极化电压。
9.根据权利要求7的器件，其中向振荡元件的电极施加高频AC极化电压。
10.根据权利要求7-9中任一项的器件，其中所述多个传感器电极电连接以形成两个电极组，且这两个电极组设置成提供差分电容性感测。
11.根据前述权利要求中任一项的器件，其中还提供驱动装置，用于向振荡元件提供与磁场无关的振荡力。
12.根据权利要求11的器件，其中振荡元件承载于衬底上，且驱动装置包括至少一个形成于衬底上的驱动电极以便以静电方式向振荡元件提供振荡力。
13.根据权利要求12的磁强计，其中该驱动装置包括形成于衬底上的多个第一细长驱动电极，且振荡元件包括多个第二细长驱动电极，其中第一细长驱动电极与第二细长驱动电极相互交叉。
14.根据权利要求11-13中任一项的器件，当根据权利要求5时，其中驱动装置包括用于接收由感测装置产生的输出信号的正反馈电路。
15.根据权利要求14的器件，其中驱动装置提供具有固定幅度的振荡力。
16.根据权利要求14的器件，其中驱动装置设置成向振荡元件提供具有可调幅度的振荡力，其中在使用中调整由驱动装置所施加的振荡力的幅度以便振荡元件的振荡保持给定幅度。
17.根据前述权利要求中任一项的器件，其中通过电流控制装置流过振荡元件的AC的频率基本等于振荡元件的谐振频率。
18.根据前述权利要求中任一项的器件，其中电流控制装置包括用于提供流过振荡元件的AC的电压源。
19.根据权利要求18的器件，当根据权利要求5时，其中电流控制装置包括设置成接收由感测装置产生的输出信号的反馈电路。
20.根据前述权利要求中任一项的器件，其中振荡元件的第一和第二电流路径包括基本为直的导电轨迹。
21.根据权利要求20的器件，其中形成第一电流路径的导电轨迹基本平行于形成第二电流路径的导电路径。
22.根据前述权利要求中任一项的器件，其中穿过振荡元件的第一电流路径的长度基本等于穿过振荡元件的第二电流路径的长度。
23.根据前述权利要求中任一项的器件，其中穿过振荡元件的第一电流路径与穿过振荡元件的第二电流路径空间分离超过5mm。
24.根据前述权利要求中任一项的器件，其中振荡元件包括至少第一和第二柔性分支部分，第一分支部分包括限定第一电流路径的导电部分，第二分支部分包括限定第二电流路径的导电部分。
25.根据权利要求24的器件，其中振荡元件包括基本刚性的横梁，该横梁的第一端连接到第一柔性分支部分，该横梁的第二端连接到第二柔性分支部分。
26.根据权利要求25的器件，其中一个或更多另外的柔性分支部分连接到该横梁。
27.根据权利要求25和26中任一项的器件，其中一个或更多细长电极从该横梁凸出。
28.根据权利要求25-27中任一项的器件，其中在使用过程中该横梁保持在给定极化电压。
29.根据前述权利要求中任一项的器件，其中振荡元件包括至少一个应力释放装置。
30.根据权利要求29的器件，其中该至少一个应力释放装置包括应力释放环。
31.根据前述权利要求中任一项的器件，形成为微机电系统(MEMS)。
32.根据前述权利要求中任一项的器件，其中振荡元件悬置在衬底上。
33.根据权利要求32的器件，其中振荡元件设置成沿基本平行于衬底平面的平面内的轴振荡。
34.根据权利要求32-33中任一项的器件，其中衬底和振荡元件由绝缘体上硅(SOI)晶片和玻璃上硅(SOG)晶片中的任一种形成。
35.一种罗盘，包括至少一个根据前述权利要求中任一项的磁场传感器器件。
36.一种罗盘，包括至少一个根据权利要求4和直接或间接根据权利要求4时的权利要求5-34中任一项的磁场传感器器件。
37.根据权利要求36的罗盘，包括三个磁场感测器件，这三个磁场感测器件中的每一个设置成沿相互正交的轴获得磁场测量。
38.根据权利要求37的罗盘，进一步包括处理装置，该处理装置设置成按需要在磁强计模式和梯度计模式之间切换每个磁场传感器器件，并据此确定校正了任何局部磁场异常的罗盘方位。
39.一种惯性测量单元，包括根据权利要求35-38中任一项的罗盘。
40.一种包括用于测量磁场强度的装置的罗盘，其特征在于该罗盘还包括用于测量磁场梯度的装置。
41.根据权利要求40的罗盘，进一步包括处理器，该处理器设置成进行磁场强度和磁场梯度测量，并提供校正了局部磁场异常的罗盘方位。
42.一种操作磁场传感器器件的方法，包括如下步骤采用包括振荡元件的磁场传感器器件；以及使交变电流(AC)流过该振荡元件，其特征在于该振荡元件包括至少第一和第二电流路径，且其特征在于在使用过程中，使AC沿该至少第一和第二电流路径流过。
43.根据权利要求42的方法，其中AC以与第二电流路径基本相反的方向沿第一电流路径通过。
全文摘要
描述了一种磁场传感器器件(2)，其包括振荡元件(8)和电流控制装置(6)。电流控制装置(6)设置成使交变电流(AC)沿穿过振荡元件(8)提供的至少第一(10)和第二(12)电流路径流过，并设置成提供磁梯度计模式操作(即，测量磁场梯度)，在该操作中流过第一电流路径(10)的电流与流过第二电流路径(12)的电流方向基本相反。该电流控制装置(6)也可以提供磁强计模式操作(即，测量磁场强度)。该磁场传感器(2)可用在罗盘中。
文档编号G01R33/022GK1898576SQ200480039091
公开日2007年1月17日 申请日期2004年12月16日 优先权日2003年12月24日
发明者D·O·金, K·M·部伦森 申请人:秦内蒂克有限公司