一种利用高分辨力磁场探测的低噪声MEMS前置放大器件制造技术

本发明专利技术公开了一种利用高分辨力磁场探测的低噪声MEMS前置放大器件，包括绝缘基底和磁力线聚集器，所述磁力线聚集器的底面上绕设有底层线圈，所述磁力线聚集器的顶面上绕设有顶层线圈，所述底层线圈和顶层线圈一起形成绕设于磁力线聚集器上的电流线圈，所述磁力线聚集器呈回形结构且由两个采用高导磁材料生长在绝缘基底上形成的高导磁部件呈轴对称布置构成，两个高导磁部件之间设有间隙，所述绝缘基底上位于所述间隙内设有磁场敏感元件，所述绝缘基底上位于磁场敏感元件的上方设有微压电桥调制组件。本发明专利技术能够实现亚纳伏级别的低噪声放大，具有磁场聚集放大效果好、抗外磁场干扰性能好、体积小、电‑磁信号转化效率高的优点。

Low noise MEMS preamplifier with high resolution magnetic field detection

The invention discloses a method using high resolution magnetic field detection of MEMS low noise preamplifier device, including an insulation substrate and magnetic collector, the collector lines on the bottom surface of the bottom coil is coiled, a top surface of the magnetic concentrator is wound with the coil top, bottom and top coil coil together the formation of coiled coil magnetic aggregation on the device, the magnetic concentrator was back to the structure and by two with high magnetic material growth high magnetic components are formed on the insulating substrate in a symmetrical arrangement, a gap is arranged between the two high magnetic component, the insulating substrate located in the the gap is arranged in the magnetic field sensitive element, the insulating substrate located above the magnetic sensitive element is provided with a micro piezoelectric bridge modulation components. The invention can realize low noise Anna volt level of amplification, amplification effect, aggregation has magnetic resistance to external magnetic interference performance, small volume, electro magnetic signal advantages of high conversion efficiency.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微弱信号检测
，具体涉及一种利用高分辨力磁场探测的低噪声MEMS前置放大器件，用于微弱电信号极低频低噪声的前置放大。
技术介绍
低噪声前置放大器通常作为第一级放大电路，目前已经被广泛地应用于各类无线电接收机和高灵敏电子探测设备中，其噪声水平很大程度上决定了整个放大电路乃至整个仪器设备的噪声相关性能。传统的低噪声放大器一般由于受到硅基半导体内在物理机制的限制，存在明显的1/f噪声特性，频率越低，噪声越大，导致用于极低频(<1Hz)信号的低噪声放大器其噪声水平很难达到亚nV量级。在很多需要检测极低频微弱信号的情况下，难以达到要求。例如：海洋电场检测可应用于海洋地质勘探、水下目标探测、腐蚀检测等方面，但是由于海水导电，海洋电场频域越高，衰减越快，一般海洋电场检测的是极低频微弱信号，传统放大器难以满足海洋电场检测的需要。目前，在科研实验领域广为使用的是美国StanfordResearch公司的SR560型低噪声前置电压放大器，该低噪声前置电压放大器存在明显的1/f噪声特性，其拐点频率在100Hz左右，典型低频本底噪声为4nV/√Hz@100Hz、10nV/√Hz@10Hz、40nV/√Hz@1Hz。此外，TI公司优秀的低噪声放大芯片opa211高频处噪声密度为1.1nV/√Hz，其拐点频率在100Hz左右，在1Hz处的噪声密度为6nV/√Hz。为了减小低频1/f噪声，国内外研究人员普遍采用斩波调制的方法。国内邱贺等人设计并研制了斩波前置放大器并进行了测试，在频带范围0.001Hz～10kHz，等效输入噪声密度为3.75nV/√Hz。德国D.Drung等人设计并研制了一款斩波低噪声放大器，等效输入噪声密度达到0.73nV/√Hz，1/f噪声的拐点频率为3mHz。为了实现低频低噪声放大，国内外的专利也主要是通过斩波调制实现，尚未见其它基于新原理的极低频低噪声放大器的研究。但是，斩波放大器由于时钟溃通、电荷注入等非理性特性，输出会存在一定的残余失调，从而影响了它的性能。可见，传统低噪声放大器的噪声达到1nV/√Hz左右难以继续降低，且在极低频处的噪声可能更大，难以满足某些极低频微弱信号测量的需求。亟待开展基于新原理的极低频低噪声前置放大器研究。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够实现亚纳伏级别的低噪声放大，磁场聚集放大效果好、抗外磁场干扰性能好、体积小、电-磁信号转化效率高的利用高分辨力磁场探测的低噪声MEMS前置放大器件。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种利用高分辨力磁场探测的低噪声MEMS前置放大器件，包括绝缘基底和磁力线聚集器，所述磁力线聚集器的底面上绕设有底层线圈，所述磁力线聚集器的顶面上绕设有顶层线圈，所述磁力线聚集器呈回形结构且由两个采用高导磁材料生长在绝缘基底上形成的高导磁部件呈轴对称布置构成，两个高导磁部件之间设有间隙，所述绝缘基底上位于所述间隙内设有磁场敏感元件，所述绝缘基底上位于磁场敏感元件的上方设有微压电桥调制组件。优选地，所述磁场敏感元件为由第一TMR敏感元件、第二TMR敏感元件、第三TMR敏感元件、第四TMR敏感元件四者组成的惠斯通电桥，所述第一TMR敏感元件、第二TMR敏感元件、第三TMR敏感元件、第四TMR敏感元件四者的敏感磁场的方向一致，所述两个高导磁部件之间的间隙包括第一间隙和第二间隙，所述第一TMR敏感元件和第三TMR敏感元件布置于第一间隙中，所述第二TMR敏感元件和第四TMR敏感元件布置于第二间隙中。优选地，所述微压电桥调制组件包括微压悬臂梁，所述微压悬臂梁分别和设于绝缘基底上的第七连接电极和第八连接电极相连，所述微压悬臂梁的两端分别设有微压电桥基座，所述微压悬臂梁通过微压电桥基座固定于绝缘基底上，所述微压悬臂梁的底面上位于第一间隙和第二间隙的位置均设有调制膜。优选地，所述微压悬臂梁采用压电晶体材料制成。本专利技术利用高分辨力磁场探测的低噪声MEMS前置放大器件具有下述优点：1、近年来高分辨力磁场传感器的性能指标不断提升，现已能够探测到pT量级的极微弱磁场。根据毕奥-萨伐尔定理，利用高分辨力磁场传感器探测通电线圈感生的磁场信号，可实现对微弱电信号的间接测量和放大，其极低频噪声有望突破至亚nV量级，相比传统低噪声放大电路优势明显，本专利技术包括绝缘基底和磁力线聚集器，磁力线聚集器的底面上绕设有底层线圈，磁力线聚集器的顶面上绕设有顶层线圈，磁力线聚集器呈回形结构且由两个采用高导磁材料生长在绝缘基底上形成的高导磁部件呈轴对称布置构成，两个高导磁部件之间设有间隙，绝缘基底上位于间隙内设有磁场敏感元件，绝缘基底上位于磁场敏感元件的上方设有微压电桥调制组件，利用高分辨力磁场传感器技术来实现低噪声前置放大，通过电流线圈和磁力线聚集器等结构把电信号高效地转化为磁信号，再用磁场敏感元件使得该器件对极低频电信号具有亚纳伏级别(nV级)的低噪声放大功能。2、本专利技术磁力线聚集器呈回形结构，使得磁场形成回路，能够提高磁场聚集放大效果。3、本专利技术的磁力线聚集器呈回形结构且由两个采用高导磁材料生长在绝缘基底上形成的高导磁部件呈轴对称布置构成，两个高导磁部件之间设有间隙，采用具有两个间隙的对称结构，外磁场对输出的影响被抵消，降低了外磁场对磁场探测的影响。4、本专利技术构成磁力线聚集器的高导磁部件采用高导磁材料生长在绝缘基底上，采用了采用MEMS工艺制备，减小了器件的尺寸，同时减小了被测磁场位置与电流线圈的距离，提高了电-磁信号转化效率。附图说明图1为本专利技术实施例的主视结构示意图。图2为本专利技术实施例不含微压电桥调制组件部分的主视结构示意图。图3为本专利技术实施例的线圈原理结构示意图。图4为本专利技术实施例的惠斯通电桥结构示意图。图5为图1中A-A剖视结构示意图。图6为图1中B-B剖视结构示意图。图7为图1中C-C剖面结构示意图。图例说明：1、绝缘基底；11、第一连接电极；14、第一连接电极(11)～第四连接电极；15、第五连接电极；16、第六连接电极；17、第七连接电极；18、第八连接电极；2、磁力线聚集器；21、高导磁部件；211、第一间隙；212、第二间隙；3、底层线圈；4、顶层线圈；5、磁场敏感元件；51、第一TMR敏感元件；52、第二TMR敏感元件；53、第三TMR敏感元件；54、第四TMR敏感元件；6、微压电桥调制组件；61、微压悬臂梁；62、微压电桥基座；63、调制膜。具体实施方式如图1、图2和图3所示，本实施例的利用高分辨力磁场探测的低噪声MEMS前置放大器件包括绝缘基底1和磁力线聚集器2，磁力线聚集器2的底面上绕设有底层线圈3，磁力线聚集器2的顶面上绕设有顶层线圈4，底层线圈3和顶层线圈4一起形成绕设于磁力线聚集器2上的电流线圈，磁力线聚集器2呈回形结构且由两个采用高导磁材料生长在绝缘基底1上形成的高导磁部件21(21#1和21#2)呈轴对称布置构成，两个高导磁部件21(21#1和21#2)之间设有间隙，绝缘基底1上位于间隙内设有磁场敏感元件5，绝缘基底1上位于磁场敏感元件5的上方设有微压电桥调制组件6。本实施例中，磁力线聚集器2的两个高导磁部件21采用高导磁材料生长在绝缘基底1上，且两个高导磁部件21本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用高分辨力磁场探测的低噪声MEMS前置放大器件，其特征在于：包括绝缘基底(1)和磁力线聚集器(2)，所述磁力线聚集器(2)的底面上绕设有底层线圈(3)，所述磁力线聚集器(2)的顶面上绕设有顶层线圈(4)，所述底层线圈(3)和顶层线圈(4)一起形成绕设于磁力线聚集器(2)上的电流线圈，所述磁力线聚集器(2)呈回形结构且由两个采用高导磁材料生长在绝缘基底(1)上形成的高导磁部件(21)呈轴对称布置构成，两个高导磁部件(21)之间设有间隙，所述绝缘基底(1)上位于所述间隙内设有磁场敏感元件(5)，所述绝缘基底(1)上位于磁场敏感元件(5)的上方设有微压电桥调制组件(6)。

【技术特征摘要】
1.一种利用高分辨力磁场探测的低噪声MEMS前置放大器件，其特征在于：包括绝缘基底(1)和磁力线聚集器(2)，所述磁力线聚集器(2)的底面上绕设有底层线圈(3)，所述磁力线聚集器(2)的顶面上绕设有顶层线圈(4)，所述底层线圈(3)和顶层线圈(4)一起形成绕设于磁力线聚集器(2)上的电流线圈，所述磁力线聚集器(2)呈回形结构且由两个采用高导磁材料生长在绝缘基底(1)上形成的高导磁部件(21)呈轴对称布置构成，两个高导磁部件(21)之间设有间隙，所述绝缘基底(1)上位于所述间隙内设有磁场敏感元件(5)，所述绝缘基底(1)上位于磁场敏感元件(5)的上方设有微压电桥调制组件(6)。2.根据权利要求1所述的利用高分辨力磁场探测的低噪声MEMS前置放大器件，其特征在于：所述磁场敏感元件(5)为由第一TMR敏感元件(51)、第二TMR敏感元件(52)、第三TMR敏感元件(53)、第四TMR敏感元件(54)四者组成的惠斯通电桥，所述第一TMR敏感元件(51)、第二TMR敏感元件(52)、第三TMR敏感元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘孟春，潘龙，胡佳飞，田武刚，于洋，陈棣湘，李裴森，胡靖华，杜青法，胡悦国，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43