一种MEMS三轴矢量磁力仪及矢量磁场强度测量方法

一种mems三轴矢量磁力仪及矢量磁场强度测量方法
技术领域
1.本发明属于磁传感器领域，更具体地，涉及一种mems(微机电系统)三轴矢量磁力仪及矢量磁场强度测量方法。


背景技术：

2.磁力仪是一种测量磁场强度的仪器，目前已有较为深入的研究与广泛的应用，涉及诸多领域，例如，作为导航罗盘、地质测量设备和航空航天仪器。
3.由于地磁场是一个矢量场，因此三轴矢量测量能够获得磁场更多的信息。同时，在一些特定环境中，需要对加速度、磁场强度等物理量同时进行测量，因此需要研制可以集成加工在加速度计表头上的磁传感器。
4.中国专利cn109298455a提出了一种应用于无人机航空磁测平台的三轴tmr磁力仪，包括三轴tmr磁力仪传感器、模数转换器、姿态传感器、存储模块和处理器；具有较小的体积和较低的功耗，提高了航空磁测的精度，并且具有较快的测量速度，易于无人机的安装和携带。但是，该磁力仪动态范围十分有限，无法应用于磁场强度较大的环境中，而且容易受到磁滞效应的影响，后续数据处理比较复杂，并且该磁力仪无法实现片上集成加工。
5.基于上述现有技术的缺陷和不足，以及实际应用场景的需求，发明人提出了一种mems三轴矢量磁力仪，以解决三轴矢量测量的问题，并解决磁力仪需要在复杂磁场和较大偏置磁场环境下工作的问题，以及需要实现片上集成加工的问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种mems三轴矢量磁力仪，以解决磁力仪需要三轴矢量测量的问题，并解决磁力仪需要在复杂磁场和较大偏置磁场环境下工作的问题，以及需要实现片上集成加工的问题。
7.为实现上述目的，作为本发明的一方面，提出了一种mems三轴矢量磁力仪，该mems三轴矢量磁力仪由三个或六个两两正交的mems磁传感单元构成，所述三个或六个mems磁传感单元通过绝缘且不导磁的材料制成的框架固定并相互隔开；
8.所述mems磁传感单元包括双端固定音叉谐振器、洛伦兹力发生器和电极；每个所述mems磁传感单元的双端固定音叉谐振器和洛伦兹力发生器位于同一平面，该平面为所述mems磁传感单元的工作平面；在每个所述mems磁传感单元的工作平面建立平面坐标系，在该工作平面上，
9.所述双端固定音叉谐振器沿y轴布置；
10.所述洛伦兹力发生器设置有两个，由能够导电的材料制成，两个洛伦兹力发生器对称地布置于所述双端固定音叉谐振器两端的外侧，并分别与所述双端固定音叉谐振器的两端固定相连；
11.所述电极在每个所述洛伦兹力发生器沿x轴方向的两端各耦合连接若干个，以使洛伦兹力发生器两端的电极存在电压差时，该洛伦兹力发生器内部产生沿x轴方向移动的
电荷，该电荷在垂直于所述工作平面的磁场中受沿y轴方向的洛伦兹力，洛伦兹力发生器将该洛伦兹力施加于双端固定音叉谐振器端部。
12.通过以上构思，一方面，该磁力仪通过两两正交的三个或六个mems磁传感单元对矢量磁场三个矢量方向的分量磁场进行检测，实现对外部矢量磁场的感测；另一方面，该磁力仪的动态范围较大，能够适应复杂的外部磁场环境，在较大偏置磁场中也可以正常工作，还能够在变化磁场环境中使用；再一方面，该磁力仪体积小，与其它mems器件的制造工艺兼容，能够实现片上集成，使其成为惯性传感单元的理想补充；又一方面，该磁力仪灵敏度高、分辨率强，且响应时间快。
13.作为进一步优选的，所述mems三轴矢量磁力仪由六个两两正交的mems磁传感单元构成。
14.作为进一步优选的，所述框架为正方体或长方体结构，该正方体或长方体结构的六个面分别与六个所述mems磁传感单元的工作平面平行，六个所述mems磁传感单元分别固定于该正方体或长方体结构的六个面；通过将框架设置为正方体或长方体，易于使六个mems磁传感单元两两正交，且使该装置结构稳定并便于使用。
15.作为进一步优选的，所述mems三轴矢量磁力仪由三个两两正交的mems磁传感单元构成；所述框架为正方体、长方体或直角三棱锥结构，该正方体、长方体或直角三棱锥结构三个相互靠近的面分别与三个所述mems磁传感单元的工作平面平行，三个所述mems磁传感单元分别固定于该三个相互靠近的面；通过将框架设置为正方体、长方体或三棱锥结构，易于使三个mems磁传感单元两两正交，且使该装置结构稳定并便于使用。
16.作为进一步优选的，所有所述mems磁传感单元结构相同，能够实现批量加工，使mems磁传感单元的一致性显著提高。
17.作为进一步优选的，每个所述mems磁传感单元的两个洛伦兹力发生器均由多个长梁并排形成；在每个mems磁传感器的工作平面上，每个所述洛伦兹力发生器的多个长梁均平行于x轴，并沿y轴依次并排布置，且所述多个长梁的中部通过第一竖梁相连，两个洛伦兹力发生器的第一竖梁分别与双端固定音叉谐振器的两端相连，以实现洛伦兹力发生器与双端固定音叉谐振器的连接，所述电极在每个由多个长梁形成的洛伦兹力发生器两端各耦合连接一个，每个电极与其所靠近的所述多个长梁的端部均耦合连接。
18.作为进一步优选的，每个所述mems磁传感单元的两个洛伦兹力发生器均为大质量块，且所述大质量块为正方形；在每个mems磁传感器的工作平面上，每个所述大质量块的四条边分别与x轴和y轴平行，且两个大质量块的平行于x轴并靠近所述双端固定音叉谐振器的边分别与双端固定音叉谐振器两端相连，以实现洛伦兹力发生器与双端固定音叉谐振器的连接，所述电极在每个所述大质量块沿x轴方向的两端各耦合连接两个；正方形的大质量块能够形成偏转效果，实现对多轴的磁场分量进行测量。
19.作为进一步优选的，每个所述mems磁传感单元的两个洛伦兹力发生器均为环形梁；在每个所述mems磁传感单元的工作平面上，两个所述环形梁的圆心均位于所述双端固定音叉谐振器的轴线上，且两个所述环形梁分别与双端固定音叉谐振器的两端垂直相连，以实现洛伦兹力发生器与双端固定音叉谐振器的连接，所述电极在每个环形梁沿x轴方向的两端各耦合连接一个，并在每个环形梁沿y轴方向并远离双端固定音叉谐振器的一端耦合连接一个；使用环形梁的有益效果在于它能够以一个起点进行三轴测量，在mems磁传感
单元三维组装以后，各个mems磁传感单元具有互相校准、互补测量的效果。
20.作为进一步优选的，所述双端固定音叉谐振器的两根叉齿上均沿叉齿轴向依次设置有若干个腔槽，以改善双端固定音叉谐振器结构中由于温度梯度变化产生结构内部应力导致的能量损失，从而有效提高器件的品质因数，使得器件对真空度的要求降低，能够有效简化封装要求。
21.作为进一步优选的，所述双端固定音叉谐振器连接其两根叉齿的横梁上沿横梁轴向依次设置有若干个腔槽，同样能够得到提高双端固定音叉谐振器品质因数的有益效果。
22.作为进一步优选的，制成所述框架的材料为塑料、橡胶、陶瓷或玻璃钢。
23.作为本发明的另一方面，提出了一种利用该mems三轴矢量磁力仪进行矢量磁场磁场强度测量的方法，该方法包括以下步骤：
24.s1：将所述mems三轴矢量磁力仪放置于待测的矢量磁场中；
25.s2：使用三个两两正交的所述mems磁传感单元作为工作单元，在每个工作单元的其中一个所述洛伦兹力发生器两端电极施加电压以形成电压差，或在每个工作单元的两个洛伦兹力发生器两端电极均施加电压以形成电压差，并使两个洛伦兹力发生器两端电极的电压反向设置；所述工作单元的洛伦兹力发生器能够在矢量磁场垂直于该工作单元工作平面的分量磁场中产生洛伦兹力，洛伦兹力发生器将该洛伦兹力由轴向施加于双端固定音叉谐振器，调制双端固定音叉谐振器的谐振频率；
26.s3：通过频率读出电路和锁相放大器检测每个工作单元的双端固定音叉谐振器谐振频率的变化，实现对待测矢量磁场各分量磁场的检测，并得到矢量磁场的磁场强度及方向。
27.在该方法中，在mems磁传感单元的两个洛伦兹力发生器两端的电极均施加电压，并使两个洛伦兹力发生器两端的电极电压反向设置时，两个洛伦兹力发生器内部分别产生沿+x方向和-x方向移动的电荷；在垂直于该mems磁传感单元工作平面的分量磁场中，两个洛伦兹力发生器对双端固定音叉谐振器施加的洛伦兹力方向相反，使双端固定音叉谐振器所受轴向力放大，相比于使用mems磁传感单元的其中一个洛伦兹力发生器，能够将磁场感测的灵敏度提高一倍。
28.作为本发明的再一方面，提出了另一种利用该mems三轴矢量磁力仪进行矢量磁场磁场强度测量的方法，该方法包括以下步骤：
29.s1：将所述mems三轴矢量磁力仪放置于待测的矢量磁场中；
30.s2’：在六个两两正交的mems磁传感单元的每个所述洛伦兹力发生器两端电极均施加电压以形成电压差，并使每两个相互平行的mems磁传感单元的洛伦兹力发生器两端电极的电压以差分的方式设置，使相互平行的两个mems磁传感单元的双端固定音叉谐振器分别承受轴向拉伸力和轴向压缩力，以分别调制该两个mems磁传感单元双端固定音叉谐振器的谐振频率；
31.s3’：通过频率读出电路和锁相放大器检测每个双端固定音叉谐振器谐振频率的变化，实现对待测矢量磁场各分量磁场的检测，并得到矢量磁场的磁场强度及方向。
32.该方法通过使每两个相互平行的mems磁传感单元的洛伦兹力发生器两端电极的电压以差分的方式设置，使该两个mems磁传感单元的双端固定音叉谐振器分别承受轴向拉伸力和轴向压缩力，两个双端固定音叉谐振器的谐振频率调制方向相反但大小相同，因此
可以作为差分对使用，更进一步提高磁场感测灵敏度和共模抑制能力。
33.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
34.1.通过两两正交的三个或六个mems磁传感单元对矢量磁场三个矢量方向的分量磁场进行检测，实现对外部矢量磁场的感测；另一方面，该磁力仪的动态范围较大，能够适应复杂的外部磁场环境，在较大偏置磁场中也可以正常工作，还能够在变化磁场环境中使用；再一方面，该磁力仪体积小，与其它mems器件的制造工艺兼容，能够实现片上集成，使其成为惯性传感单元的理想补充；又一方面，该磁力仪灵敏度高、分辨率强，且响应时间快，并且能够通过使每两个相互平行的mems磁传感单元采用差分的方式对矢量磁场的分量进行感测，进一步提高提高磁场感测灵敏度和共模抑制能力。
35.2.通过使用正方体、长方体或直角三棱锥结构的框架，易于使mems磁传感单元两两正交，且使该装置结构稳定并便于使用。
36.3.通过使所有mems磁传感单元结构相同，能够实现批量加工，并使mems磁传感单元的一致性显著提高。
37.4.通过使用正方形的大质量块作为洛伦兹力发生器，能够形成偏转效果，实现对多轴的磁场分量进行测量；通过使用环形梁作为洛伦兹力发生器，能够以一个起点进行三轴测量，在mems磁传感单元三维组装以后，各个mems磁传感单元具有互相校准、互补测量的效果。
附图说明
38.图1是本发明实施例一的结构示意图；
39.图2是本发明实施例二的结构示意图；
40.图3是本发明实施例一的mems磁传感单元的结构示意图；
41.图4是本发明实施例一的带有腔槽的双端固定音叉谐振器示意图；
42.图5是本发明实施例一的两个平行的mems磁传感单元差分检测时的示意图；
43.图6是本发明实施例三的mems磁传感单元的结构示意图；
44.图7是本发明实施例四的mems磁传感单元的结构示意图。
45.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：双端固定音叉谐振器1，洛伦兹力发生器2，电极3，框架4。
具体实施方式
46.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
47.如图1和图2中所示，本发明提供的mems三轴矢量磁力仪由三个或六个两两正交的mems磁传感单元构成，三个或六个mems磁传感单元通过绝缘且不导磁的材料制成的框架4固定并相互隔开；
48.如图1-图3、以及图6和图7中所示，mems磁传感单元包括双端固定音叉谐振器1、洛
伦兹力发生器2和电极3；每个mems磁传感单元的双端固定音叉谐振器1和洛伦兹力发生器2位于同一平面，该平面为该mems磁传感单元的工作平面；在每个mems磁传感单元的工作平面建立平面坐标系，在该工作平面上，
49.双端固定音叉谐振器1沿y轴布置；
50.洛伦兹力发生器2设置有两个，由能够导电的材料制成，两个洛伦兹力发生器2对称地布置于双端固定音叉谐振器1两端的外侧，并分别与双端固定音叉谐振器1的两端固定相连；
51.电极3在每个洛伦兹力发生器2沿x轴方向的两端各耦合连接若干个。
52.通过上述各个部件的相互配合，可实现对矢量磁场三个矢量方向的分量磁场进行检测，实现对外部矢量磁场的感测，具有实用性和先进性；另一方面，该磁力仪的动态范围较大，能够适应复杂的外部磁场环境，在较大偏置磁场中也可以正常工作，还能够在变化磁场环境中使用；再一方面，该磁力仪体积小，与其它mems器件的制造工艺兼容，能够实现片上集成，使其成为惯性传感单元的理想补充；又一方面，该磁力仪灵敏度高、分辨率强，且响应时间快。
53.下面针对实施例一至实施例四分别对各个部件逐一进行更为具体的说明。
54.实施例一
55.在实施例一中，mems三轴矢量磁力仪由六个结构相同且两两正交的mems磁传感单元构成，六个mems磁传感单元通过框架4固定并相互隔开；框架4为正方体或长方体结构，该正方体或长方体结构的六个面分别与六个所述mems磁传感单元的工作平面平行，六个所述mems磁传感单元分别固定于该正方体或长方体结构的六个面；在实施例一中，框架4为正方体结构，由陶瓷材料制成；在一些实施例中，制成框架4的材料还可以为塑料、橡胶或玻璃钢。
56.在一些实施例中，mems磁传感单元的双端固定音叉谐振器1单根叉齿的长度为700μm～1000μm，宽度为10μm～15μm，以提高其品质因数，使得器件对真空度的要求降低，能够有效简化封装要求；在实施例一中，双端固定音叉谐振器1单根叉齿优选长度为740μm，宽度为15μm；在一些实施例中，双端固定音叉谐振器1的两根叉齿上均沿叉齿轴向依次设置有若干个腔槽，腔槽长度为220μm～350μm，宽度为2μm～4μm，以优化热弹阻尼，并避免腔槽长度过长引起其它的振动模态；如图4中所示，在实施例一中，双端固定音叉谐振器1的两根叉齿上设置的腔槽数量均为两个，两个腔槽的宽度均为3μm，长度均为320μm；在一些实施例中，腔槽之间间隔为40μm～60μm，，以实现进一步提高品质因数，实施例一中优选为50μm；在一些实施例中，还可以在双端固定音叉谐振器1连接两根叉齿的横梁上沿横梁轴向依次设置若干个腔槽，同样能够得到提高双端固定音叉谐振器1品质因数的有益效果。
57.在实施例一中，每个洛伦兹力发生器2均由平行于x轴的多个长梁沿y轴依次并排形成；如图3中所示，实施例一中每个洛伦兹力发生器2的长梁的数量为十个；十个长梁的中部通过第一竖梁相连；两个洛伦兹力发生器2的第一竖梁分别与双端固定音叉谐振器1的两端相连，以实现洛伦兹力发生器2与双端固定音叉谐振器1的连接；电极3在每个由多个长梁形成的洛伦兹力发生器2两端各耦合连接一个，每个电极3与其所靠近的多个长梁的端部均耦合连接；
58.长梁的刚度范围优选为0.5n/m～5n/m，长梁刚度过大时，该磁力仪在工作时产生
的洛伦兹力过多地损耗在长梁的形变过程中，从而减小了施加在双端固定音叉谐振器1的端部的轴向力，降低了该磁力仪的灵敏度；长梁刚度过低，会导致器件的稳定性和可靠性受损；因此，对长梁的刚度进行优选能够兼顾长梁的灵敏度、稳定性和可靠性；长梁的刚度通过以下公式进行计算：
[0059][0060]
其中，k为刚度，e为材料的杨氏模量，h为高度，w为宽度，l为长度；
[0061]
由上述公式能够得知，降低长梁的刚度可以通过减小长梁的高度和/或宽度，或增加长梁的长度实现；反之，提高长梁的刚度可以通过增加长梁的高度和/或宽度，或减小长梁的长度实现；
[0062]
因此，在一些实施例中，长梁的长度优选为500μm～2500μm，宽度优选为5μm～20μm，高度优选为20μm～50μm；在实施例一中，长梁的长度为1000μm，宽度为10μm，高度为25μm，长梁的整体结构稳定；在一些实施例中，长梁的长度为2000μm，此时，长梁的刚度较低，轴向力传感较敏感，即灵敏度较高。
[0063]
在实施例一中，双端固定音叉谐振器1和长梁形成的洛伦兹力发生器2由硅基材料一次加工成型，采用硅基材料，不受磁滞现象干扰；在一些实施例中，双端固定音叉谐振器1和洛伦兹力发生器2的材料还可以为金属或其它半导体材料。
[0064]
本发明的电极3为由导体或半导体材料制成的焊盘或焊块；在实施例一中，电极3为金属焊盘，如图3中所示，金属焊盘在由十个长梁形成的洛伦兹力发生器2两端各耦合连接一个，每个金属焊盘与其所靠近的十个长梁的端部均耦合连接。
[0065]
在利用本发明提供的mems三轴矢量磁力仪进行矢量磁场的磁场强度测量时，可以采取两种方法；下面将结合实施例一对两种方法及其优点进行具体解释。
[0066]
方法一，使用三个两两正交的mems磁传感单元进行矢量磁场的磁场强度测量，该方法包括以下步骤：
[0067]
s1：将mems三轴矢量磁力仪放置于待测的矢量磁场中；
[0068]
s2：使用三个两两正交的mems磁传感单元作为工作单元，在每个工作单元的其中一个洛伦兹力发生器2两端电极3施加电压以形成电压差；或在每个工作单元的两个洛伦兹力发生器2两端电极3均施加电压以形成电压差，并使两个洛伦兹力发生器2两端电极3的电压反向设置；工作单元的洛伦兹力发生器2能够在矢量磁场垂直于该工作单元工作平面的分量磁场中产生洛伦兹力，洛伦兹力发生器2将该洛伦兹力由轴向施加于双端固定音叉谐振器1，调制双端固定音叉谐振器1的谐振频率；
[0069]
s3：通过频率读出电路和锁相放大器检测每个工作单元的双端固定音叉谐振器1谐振频率的变化，实现对待测矢量磁场各分量磁场的检测，并得到矢量磁场的磁场强度及方向。
[0070]
在该方法中，在每个工作单元的两个洛伦兹力发生器2两端的电极3均施加电压，并使两个洛伦兹力发生器2两端的电极3电压反向设置时，两个洛伦兹力发生器2内部分别产生沿+x方向和-x方向移动的电荷；在垂直于该工作单元工作平面的分量磁场中，两个洛伦兹力发生器2对双端固定音叉谐振器1施加的洛伦兹力方向相反，双端固定音叉谐振器1承受轴向拉伸力或轴向压缩力；相比于在每个工作单元的其中一个洛伦兹力发生器2两端
电极3施加电压的方法，使双端固定音叉谐振器1所受轴向力放大，能够将磁场感测的灵敏度提高一倍。
[0071]
方法二，使用六个两两正交的mems磁传感单元，采用差分的方式进行矢量磁场的磁场强度测量，该方法包括以下步骤：
[0072]
s1：将mems三轴矢量磁力仪放置于待测的矢量磁场中；
[0073]
s2’：如图5中所示，在六个两两正交的mems磁传感单元的每个洛伦兹力发生器2两端电极3均施加电压以形成电压差，并使每两个相互平行的mems磁传感单元的洛伦兹力发生器2两端电极3的电压以差分的方式设置，使相互平行的两个mems磁传感单元的双端固定音叉谐振器1分别承受轴向拉伸力和轴向压缩力，以分别调制该两个mems磁传感单元双端固定音叉谐振器1的谐振频率；图5中示出了两个相互平行的mems磁传感单元的洛伦兹力发生器2两端电极3的电压以差分的方式设置，使该两个mems磁传感单元的双端固定音叉谐振器1分别承受轴向拉伸力和轴向压缩力的一种具体形式；
[0074]
s3’：通过频率读出电路和锁相放大器检测每个双端固定音叉谐振器1谐振频率的变化，实现对待测矢量磁场各分量磁场的检测，并得到矢量磁场的磁场强度及方向。
[0075]
在方法二中，通过使每两个相互平行的mems磁传感单元的洛伦兹力发生器2两端电极3的电压以差分的方式设置，使该两个mems磁传感单元的双端固定音叉谐振器1分别承受轴向拉伸力和轴向压缩力，两个双端固定音叉谐振器1的谐振频率调制方向相反但大小相同，因此可以作为差分对使用，更进一步提高磁场感测灵敏度和共模抑制能力。
[0076]
本发明提供的mems三轴矢量磁力仪与其他mems器件的制造工艺兼容，可实现批量生产，并能够实现片上集成，使其成为惯性传感单元的理想补充。
[0077]
实施例二
[0078]
在实施例二中，如图2中所示，mems三轴矢量磁力仪由三个结构相同且两两正交的mems磁传感单元构成，三个mems磁传感单元通过框架4固定并相互隔开；在实施例二中，框架4为正方体结构，由塑料制成；框架4的三个相互靠近的面分别与三个mems磁传感单元的工作平面平行，三个mems磁传感单元分别固定于框架4的该三个面。
[0079]
实施例二的mems磁传感单元结构与实施例一相同。
[0080]
实施例三
[0081]
实施例三的框架4与实施例一或实施例二结构相同。
[0082]
在实施例三中，mems三轴矢量磁力仪由六个结构相同且两两正交的mems磁传感单元构成，每个mems磁传感单元的洛伦兹力发生器2均为大质量块；如图6中所示，图中示出了一个mems磁传感单元，在该mems磁传感器的工作平面上，大质量块为正方形，且四条边分别与平面坐标系的x轴和y轴平行；两个大质量块的平行于x轴并靠近双端固定音叉谐振器1的边分别与双端固定音叉谐振器1两端相连，以实现洛伦兹力发生器2与双端固定音叉谐振器1的连接。
[0083]
在实施例三中，电极3为硅材料焊块；在一些实施例中，焊块还可以为导体材料，或其它半导体材料；在实施例三中，如图6中所示，焊块在每个大质量块沿x轴方向的两端各耦合连接两个，该连接具体为通过金属弹簧连接。
[0084]
实施例四
[0085]
实施例四的框架4与实施例一或实施例二结构相同。
[0086]
在实施例四中，mems三轴矢量磁力仪由三个结构相同且两两正交的mems磁传感单元构成，每个mems磁传感单元的洛伦兹力发生器2均为环形梁；如图7中所示，图中示出了一个mems磁传感单元，在该mems磁传感器的工作平面上，两个环形梁的圆心均位于双端固定音叉谐振器1的轴线上，且两个环形梁分别与双端固定音叉谐振器1的两端垂直相连，以实现洛伦兹力发生器2与双端固定音叉谐振器1的连接。
[0087]
在实施例四中，电极3为金属焊盘；如图7中所示，实施例四中，金属焊盘在每个环形梁沿x轴方向的两端各耦合连接一个，并在每个环形梁沿y轴方向并远离双端固定音叉谐振器1的一端耦合连接一个。
[0088]
以上例子用于对本发明的mems三轴矢量磁力仪进行示例性说明，不构成对本发明保护范围的限制。
[0089]
综上，按照本发明的磁力仪能够实现对矢量磁场的三轴分量磁场进行高分辨率的快速检测，尤其适用于矢量磁场磁场强度检测的应用场合。
[0090]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种mems三轴矢量磁力仪，其特征在于，由三个或六个两两正交的mems磁传感单元构成，所述三个或六个mems磁传感单元通过绝缘且不导磁的材料制成的框架(4)固定并相互隔开；所述mems磁传感单元包括双端固定音叉谐振器(1)、洛伦兹力发生器(2)和电极(3)；每个所述mems磁传感单元的双端固定音叉谐振器(1)和洛伦兹力发生器(2)位于同一平面，该平面为所述mems磁传感单元的工作平面；在每个所述mems磁传感单元的工作平面建立平面坐标系，在该工作平面上，所述双端固定音叉谐振器(1)沿y轴布置；所述洛伦兹力发生器(2)设置有两个，由能够导电的材料制成，两个洛伦兹力发生器(2)对称地布置于所述双端固定音叉谐振器(1)两端的外侧，并分别与所述双端固定音叉谐振器(1)的两端固定相连；所述电极(3)在每个所述洛伦兹力发生器(2)沿x轴方向的两端各耦合连接若干个。2.如权利要求1所述的mems三轴矢量磁力仪，其特征在于，所述mems三轴矢量磁力仪由六个两两正交的mems磁传感单元构成。3.如权利要求2所述的mems三轴矢量磁力仪，其特征在于，所述框架(4)为正方体或长方体结构，该正方体或长方体结构的六个面分别与六个所述mems磁传感单元的工作平面平行，六个所述mems磁传感单元分别固定于该正方体或长方体结构的六个面。4.如权利要求1所述的mems三轴矢量磁力仪，其特征在于，所述mems三轴矢量磁力仪由三个两两正交的mems磁传感单元构成；所述框架(4)为正方体、长方体或直角三棱锥结构，该正方体、长方体或直角三棱锥结构三个相互靠近的面分别与三个所述mems磁传感单元的工作平面平行，三个所述mems磁传感单元分别固定于该三个相互靠近的面。5.如权利要求1-4中任一所述的mems三轴矢量磁力仪，其特征在于，所有所述mems磁传感单元结构相同。6.如权利要求5所述的mems三轴矢量磁力仪，其特征在于，每个所述mems磁传感单元的两个洛伦兹力发生器(2)均由多个长梁并排形成；在每个mems磁传感器的工作平面上，每个所述洛伦兹力发生器(2)的多个长梁均平行于x轴，并沿y轴依次并排布置，且所述多个长梁的中部通过第一竖梁相连，两个洛伦兹力发生器(2)的第一竖梁分别与双端固定音叉谐振器(1)的两端相连，以实现洛伦兹力发生器(2)与双端固定音叉谐振器(1)的连接，所述电极(3)在每个由多个长梁形成的洛伦兹力发生器(2)两端各耦合连接一个，每个电极(3)与其所靠近的所述多个长梁的端部均耦合连接。7.如权利要求5所述的mems三轴矢量磁力仪，其特征在于，每个所述mems磁传感单元的两个洛伦兹力发生器(2)均为大质量块，且所述大质量块为正方形；在每个mems磁传感器的工作平面上，每个所述大质量块的四条边分别与x轴和y轴平行，且两个大质量块的平行于x轴并靠近所述双端固定音叉谐振器(1)的边分别与双端固定音叉谐振器(1)两端相连，以实现洛伦兹力发生器(2)与双端固定音叉谐振器(1)的连接，所述电极(3)在每个所述大质量块沿x轴方向的两端各耦合连接两个。8.如权利要求5所述的mems三轴矢量磁力仪，其特征在于，每个所述mems磁传感单元的两个洛伦兹力发生器(2)均为环形梁；在每个所述mems磁传感单元的工作平面上，两个所述环形梁的圆心均位于所述双端固定音叉谐振器(1)的轴线上，且两个所述环形梁分别与双
端固定音叉谐振器(1)的两端垂直相连，以实现洛伦兹力发生器(2)与双端固定音叉谐振器(1)的连接，所述电极(3)在每个环形梁沿x轴方向的两端各耦合连接一个，并在每个环形梁沿y轴方向并远离双端固定音叉谐振器(1)的一端耦合连接一个。9.利用如权利要求1-8中任一所述的mems三轴矢量磁力仪进行矢量磁场磁场强度测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将所述mems三轴矢量磁力仪放置于待测的矢量磁场中；s2：使用三个两两正交的所述mems磁传感单元作为工作单元，在每个工作单元的其中一个所述洛伦兹力发生器(2)两端电极(3)施加电压以形成电压差，或在每个工作单元的两个洛伦兹力发生器(2)两端电极(3)均施加电压以形成电压差，并使所述两个洛伦兹力发生器(2)两端电极(3)的电压反向设置；所述一个或两个洛伦兹力发生器(2)将洛伦兹力由轴向施加于双端固定音叉谐振器(1)，调制双端固定音叉谐振器(1)的谐振频率；s3：检测每个工作单元的双端固定音叉谐振器(1)谐振频率的变化，实现对待测矢量磁场各分量磁场的检测，并得到矢量磁场的磁场强度及方向。10.利用如权利要求2或3所述的mems三轴矢量磁力仪进行矢量磁场的磁场强度测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将所述mems三轴矢量磁力仪放置于待测的矢量磁场中；s2’：在六个两两正交的mems磁传感单元的每个所述洛伦兹力发生器(2)两端电极(3)均施加电压以形成电压差，并使每两个相互平行的mems磁传感单元的洛伦兹力发生器(2)两端电极(3)的电压以差分的方式设置，使相互平行的两个mems磁传感单元的双端固定音叉谐振器(1)分别承受轴向拉伸力和轴向压缩力，以分别调制该两个mems磁传感单元双端固定音叉谐振器(1)的谐振频率；s3’：检测每个双端固定音叉谐振器(1)谐振频率的变化，实现对待测矢量磁场各分量磁场的检测，并得到矢量磁场的磁场强度及方向。

技术总结
本发明属于磁传感器领域，并具体公开了一种MEMS三轴矢量磁力仪及矢量磁场强度测量方法；该种磁力仪由三个或六个两两正交的MEMS磁传感单元构成，MEMS磁传感单元通过绝缘且不导磁的材料制成的框架固定并相互隔开；每个MEMS磁传感单元包括双端固定音叉谐振器和两个洛伦兹力发生器，洛伦兹力发生器由能够导电的材料制成，对称地布置于双端固定音叉谐振器两端的外侧，并分别与双端固定音叉谐振器的两端相连；该磁力仪通过两两正交的三个或六个MEMS磁传感单元对矢量磁场三个矢量方向的分量磁场进行检测，实现对外部矢量磁场的感测；同时，通过使每两个相互平行的MEMS磁传感单元采用差分的方式对矢量磁场的分量进行感测，能够进一步提高感测灵敏度和共模抑制能力。步提高感测灵敏度和共模抑制能力。步提高感测灵敏度和共模抑制能力。


技术研发人员：宋萧萧 王苑 刘骅锋 赵纯 涂良成 周泽兵
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2022.01.19
技术公布日：2023/8/1