可同时测量磁场幅度和方向的微机械磁场传感器基础研究

The magnetic field sensor is widely used especially in traffic navigation and communication. The sensors such as Hall-effect, magnetoresis tive, can only measure the magnitude of magnetic field. Several sensors, which are used to sense the magnitude of the magnetic field, are combined to measure the direction.Now the MEMS magnetic sensor are under study. A MEMS magnetic field sensor based on modal programs is proposed innovatively in this project. The direction and magnitude of magnetic field is detected by measuring the vibration amplitudes of the different modes of the mechanical beam. The model of the mechanical coupling are established using the relevant mechanical theory, validated using the ANSYS finite element software. And then the optimized structure of the sensor design, the design of the lead frame and plastic material selection are studied before multi-chip system in package. Not only a new principle of magnetic field sensing for measurements but also a new magnetic field detection method is proposed in this project. At the same time, the study is of important practical value in the sensor package.

磁场传感器应用十分广泛，特别在交通航海和通讯导航定位的发展尤为迅速。目前基于Hall效应和磁阻效应的半导体磁场传感器仅能测量磁场大小，为了测量磁场方向，需要多个传感器的组合，现在以MEMS技术开发的磁场传感器正广泛应用。本项目创新性地提出一种基于模态的MEMS磁场传感器方案，利用传感器结构不同模态下的不同振动方式，测量磁场大小和方向。该研究首先利用相关力学理论建立传感器的结构模型，用ANSYS软件对模型进行验证，接着对传感器的结构优化设计、引线框架的设计和塑封料的选择，实现多芯片的系统级封装设计。通过对本项目的研究，不仅提出了一种新的磁场传感原理为磁场测量提供新途径，也提出了一种新的磁场检出方法，并在实现传感器高可靠性封装上具有重要的实用价值。

在自然界和人类生活很多地方都存在磁场和磁场相关的信息，很多采集、存储、转换、探测任务中都会需要磁场信息，因此磁场传感器的应用十分广泛。当今的信息社会，磁场传感器已经成为信息技术和产业中不可缺少的基础原件，已经研制出了各种物理、化学、生物等各种磁场传感器在科研、生产和社会生活得到广泛应用，尤其是近年来现代交通的发展，磁场传感器发展更加迅速，并逐渐向小型化的方向发展。开展MEMS磁场传感器的研究是一种趋势。磁场的幅度和方向是其两个基本信息，本项目提出了利用同一种结构可以同时测试磁场幅度和方向，结合力学相关结构振动的原理，利用不同的激励方式，使结构在不同模态下振动，得到不同振动模式下结构的振幅，这个不同的振动模式得到的是不同磁场方向下的结构的振幅，从而得到磁场方向信息。首先设计一种结构，这个结构能在平面内不同的运动方向上有不同的运动模态，并且从这两个模态的运动方式相互垂直，从测量的准确性和便利性考虑，这个2个模态最好是相邻的，这样得到的振动幅度在两个方向是比较接近，提高准确性。接着利用力学相关知识建立传感器结构的力学模型，一般的软件可以得到相关的力学量，但是为了得到建立完整的系统级模型，需要建立理论模型，这样可以和后面的电路模型可以结合应用，得到将力学和电路结合的系统级模型，一般的模型是主要考虑的是结构的刚性变形，本模型中考虑到了非刚体的形变因素，提高了模型的准确性。其次利用软件对结构进行模拟，并与模型进行对比，发现两者具有可比性，并利用软件模拟对结构进行优化设计，提高传感器的灵敏度。再次为了加工所设计的传感器，首先需要设计工艺流程，选择合适的硅片，本研究采用的是SOI硅片，然后进行加工处理。最后需要对传感器进行测试，测试可以分为2部分，一部分是属于结构的力学特性测试，如结构的振幅测试，结构的振动模态检测，另一部分为电学测试，由于所测试的信号比较小，属于微弱信号，需要搭建与此相适应的微弱信号激励和检测电路，对传感器进行测试。在测试和模拟过程中发现第一模态下的运动幅度相对于第二模态的运动幅度要小，而且相互之间会有干扰，需要解决的结构解耦的问题。根据模拟得到的结果所测量的磁场幅度大约为

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