本發(fā)明涉及一種磁場傳感探頭，尤其涉及一種基于超磁致伸縮薄膜的懸臂梁叉指電容磁場傳感探頭。

背景技術(shù)：

磁場傳感器是可以將磁場強度轉(zhuǎn)變成電信號輸出的器件。傳統(tǒng)的磁場傳感器主要有測量線圈磁場計、光泵磁力計、核旋進磁力儀、超導干涉量子磁力計、磁阻磁力計、霍爾傳感器、光纜磁力計、磁光傳感器等。目前，磁場傳感器的發(fā)展趨勢為靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾性強、小型化、集成化、智能化和低功耗，傳統(tǒng)的磁場傳感器難以完全實現(xiàn)這些優(yōu)良性能。隨著微電子機械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)的發(fā)展，磁場傳感器向小型化和微型化發(fā)展，不僅可以降低制作成本，還可以實現(xiàn)對狹窄空間的待測信號的檢測。和傳統(tǒng)器件相比，MEMS磁場傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、成本低和可靠性高等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點，符合磁場傳感器的發(fā)展趨勢。

本發(fā)明的磁場傳感探頭的結(jié)構(gòu)為在硅基底上加工懸臂梁，懸臂梁上表面鍍有超磁致伸縮薄膜(GMF：Giant Magnetostrictive Thin Film)，并且形成叉指結(jié)構(gòu)，在硅基底上鍍有鉻金屬膜，懸臂梁上鍍有鉻金屬膜和超磁致伸縮薄膜，硅基底和懸臂梁之間形成電容結(jié)構(gòu)，待測磁場的變化導致超磁致伸縮薄膜的伸縮從而使懸臂梁發(fā)生撓曲，電容值發(fā)生變化，通過檢測電容值的變化可以檢測待測磁場的大小，電容式檢測具有結(jié)構(gòu)簡單和高分辨率的優(yōu)點，并且能在高溫、輻射等惡劣條件下工作。本發(fā)明的磁場傳感探頭具有小型化、重量輕、成本低等優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對傳統(tǒng)磁場傳感器的不足，設計了一種基于超磁致伸縮薄膜的叉指電容磁場傳感探頭。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：一種基于超磁致伸縮薄膜的叉指電容磁場傳感探頭，包括：硅基底、固支端、懸臂梁、鉻金屬膜、超磁致伸縮薄膜。

所述的固支端位于硅基底的兩側(cè)。

所述的懸臂梁通過固支端與硅基底連接，每側(cè)三個懸臂梁，兩側(cè)的懸臂梁形成叉指結(jié)構(gòu)。

所述的鉻金屬膜鍍在硅基底和懸臂梁的上表面，硅基底和懸臂梁之間形成電容結(jié)構(gòu)，同一側(cè)的電容結(jié)構(gòu)并聯(lián)。

所述的超磁致伸縮薄膜鍍在懸臂梁上的鉻金屬膜上面，一側(cè)懸臂梁上的鉻金屬膜上面鍍正超磁致伸縮薄膜，另一側(cè)鍍負超磁致伸縮薄膜，正、負兩種超磁致伸縮薄膜的磁致伸縮系數(shù)相同或相近。在待測磁場中，由于正、負超磁致伸縮薄膜的伸縮和拉伸，使兩側(cè)的懸臂梁分別向硅基底方向和背離硅基底方向撓曲，形成差動電容。

本發(fā)明的有益效果是：

1在懸臂梁上表面和硅基上表面鍍鉻金屬膜作為粘附層和電極層，同側(cè)懸臂梁和硅基底之間的電容形成三個電容并聯(lián)結(jié)構(gòu)，改善了單個檢測電容值微弱的問題。

2兩側(cè)的懸臂梁形成了叉指結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)懸臂梁的鉻金屬膜上面鍍正負類型相反的超磁致伸縮薄膜，通過對差動電容的檢測得出外界磁場的大小，可以提高傳感探頭對磁場的檢測精度。

3在兩側(cè)懸臂梁上的鉻金屬膜上面鍍超磁致伸縮薄膜，超磁致伸縮薄膜具有較大的磁致伸縮系數(shù)，能產(chǎn)生較大的磁致伸縮，從而有效地提高了對磁場的檢測精度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。

圖1為本發(fā)明傳感探頭的立體圖。

圖2為本發(fā)明傳感探頭的半剖面圖。其中，1為硅基底，2為固支端，3為懸臂梁，4為鉻金屬膜，5為超磁致伸縮薄膜。

圖3為本發(fā)明傳感探頭的制作工藝流程圖。

圖4為本發(fā)明傳感探頭的檢測電路流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種基于超磁致伸縮薄膜的懸臂梁叉指結(jié)構(gòu)磁場傳感探頭，包括：硅基底1，固支端2，懸臂梁3，鉻金屬膜4，超磁致伸縮薄膜5，如圖2所示。

所述的懸臂梁3通過固支端與硅基底連接，在硅基底兩側(cè)排列成方向相反的兩組，每組三個懸臂梁，兩組懸臂梁形成叉指結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

所述的鉻金屬膜4鍍在硅基底1和懸臂梁3的上表面，充當超磁致伸縮薄膜的粘附層和電極層，硅基底和懸臂梁之間形成電容結(jié)構(gòu)，同側(cè)的三個電容結(jié)構(gòu)并聯(lián)。

所述的超磁致伸縮薄膜鍍在懸臂梁上鉻金屬膜的上面，一側(cè)懸臂梁的鉻金屬膜上面鍍正超磁致伸縮薄膜，另一側(cè)鍍負超磁致伸縮薄膜，兩種超磁致伸縮薄膜的磁致伸縮系數(shù)相同或相近，超磁致伸縮薄膜在磁場的作用下產(chǎn)生伸縮，其在常溫下各向異性常數(shù)幾乎為零示出巨大的磁致伸縮效應，磁致伸縮系數(shù)高達1500-2000ppm，能夠在磁場中實現(xiàn)敏感檢測。

本發(fā)明制作工藝流程圖如圖3所示，具體步驟：(a)在清洗后的硅基底上濺射鉻金屬膜；(b)濺射SiO₂犧牲層，利用光刻方法在SiO₂犧牲層上刻出固支端的區(qū)域；(c)在SiO₂犧牲層上生長氮化硅結(jié)構(gòu)層，在氮化硅結(jié)構(gòu)層上濺射鉻金屬膜；(d)用光刻法得到一側(cè)的懸臂梁形狀的區(qū)域，濺射正超磁致伸縮薄膜；再用光刻法得到另一側(cè)的懸臂梁形狀的區(qū)域，濺射負超磁致伸縮薄膜；(e)利用光刻法得到叉指結(jié)構(gòu)的懸臂梁形狀的區(qū)域，再用刻蝕法在結(jié)構(gòu)層得到叉指懸臂梁結(jié)構(gòu)；(f)去除SiO₂犧牲層。

本發(fā)明的檢測磁場的基本原理為：在磁場中，超磁致伸縮薄膜發(fā)生伸縮，從而導致懸臂梁的撓曲。由于在懸臂梁和硅基底上鍍有鉻金屬膜充當電極層，因此在懸臂梁和硅基底之間形成電容，同一側(cè)的三個電容并聯(lián)，當懸臂梁梁發(fā)生撓曲時，兩極板間的距離發(fā)生變化，從而使電容值發(fā)生變化。當待測磁場增大時，鍍有正超磁致伸縮薄膜的懸臂梁向硅基底方向撓曲，硅基底與懸臂梁之間的距離變小，電容值變大，而鍍有負超磁致伸縮薄膜的懸臂梁背離硅基底方向撓曲，硅基底與懸臂梁之間的距離變大，電容值變小，最后利用對差動電容的檢測得出待測磁場的變化。

差動電容檢測電路框圖如圖4所示，整個檢測電路由應用差動電容的檢測和放大電路、全波整流電路和低通濾波電路組成。高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的高頻正弦波信號施加于被測電容，將被測電容變換成容抗，再通過C/V轉(zhuǎn)換把容抗變成交流電壓信號，經(jīng)過放大器放大，再送入全波整流電路轉(zhuǎn)變成直流電平，最后經(jīng)過低通濾波，輸入到計算機進行分析。