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新型MEMS磁敏传感器的研究

杜广涛  
【摘要】:磁场测量、导航、潜艇探测、转速测量和电子罗盘等方面都需要微型化、功耗低、成本低的新型高灵敏度磁敏传感器。MEMS磁敏传感器因测量范围大、分辨率高、性能优异等特点,是近年来磁敏传感器研究的热点。其中MEMS铁磁磁敏传感器具有结构简单、功耗低、成本低等优点,开展MEMS铁磁磁敏传感器的研究具有重要意义。 本文基于硅桥开展了两种新型MEMS磁敏传感器的研究,第一种利用铁磁体在磁场中的扭矩效应;另一种利用磁流变弹性体(MRE)在磁场中的的磁弹性效应。论文的主要工作如下: 1.提出了一种基于硅桥和铁磁体的新型MEMS磁敏传感器,通过铁磁体在磁场中产生的扭矩与硅桥的耦合作用来检测磁场。该新型磁敏传感器与IC工艺兼容性好、易于批量生产,并且功耗低、成本低、体积小、稳定性好。 2.通过对硅桥的基础理论、磁化理论和磁-结构耦合效应的分析,推导了新型MEMS铁磁磁敏传感器的输出表达式,分析了影响该磁敏传感器性能的各项因素,如铁磁体侧面积、高度、退磁因子等,为传感器性能的改进提供了依据。 3.在理论分析的基础上,运用有限元软件建立了新型MEMS铁磁磁敏传感器的有限元模型,对新型磁敏传感器在磁场作用下的输出进行了磁-结构耦合仿真。研究了铁磁体的形状、尺寸对磁敏传感器输出的影响,并对传感器的结构进行了优化。 4.制备了新型MEMS铁磁磁敏传感器样品,对它们的输出响应、磁滞、重复性、响应时间等特性进行了测试及分析,并重点研究了高径比对磁敏传感器输出特性的影响。实验结果表明:铁磁体的高径比对传感器的性能有明显的影响。对提出的改进型“T”形铁磁磁敏传感器进行测试发现,新型MEMS铁磁磁敏传感器性能有了很大的改善。测试结果验证了理论分析和仿真分析。 5.提出了一种基于硅桥和MRE的新型MEMS磁敏传感器,通过MRE在磁场中的磁弹性与硅桥的耦合作用来检测磁场,分析了该MEMS磁敏传感器的工作机理,并对制备的MRE磁敏传感器样品进行了测试,验证了MRE磁弹性效应的原理。该MEMS磁敏传感器与新型MEMS铁磁磁敏传感器相比,与MEMS工艺有更好的兼容性。新型MRE磁敏传感器的灵敏度可以通过调节MRE中铁磁颗粒的大小、种类及弹性体的种类来改进。


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