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嵌入可动电极的微惯性传感器的设计

MEMS电容式微惯性传感器因其具有尺寸小、灵敏度高、稳定性好、温度漂移小、功耗低、很好的工作在力平衡模式下等等优点，在***、汽车工业、生物医学、消费电子、惯性导航等领域得到广泛的应用。 本首先分析了电容式微惯性传感器的测量控制原理和系统动态模型，并在此基础上通过三个方面设计出新型嵌入横向可动电极的微惯性传感器，分别是：支撑梁结构、微执行器结构和检测电容结构。通过分别对以上三方面不同结构模型的分析对比，在传感器设计中选用U形梁结构作为传感器的支撑梁，电磁执行器作为驱动力，梳栅结构作为检测电容结构。

其中为了克服深反应离子刻蚀关于深宽比不能做大的限制和降低噪声，详细介绍了电磁驱动增大传感器初始检测电容的工作原理，通过嵌入可动电极和电磁驱动作用减小电容间隙，结果表明，电磁驱动使得传感器的电容间隙减小4μm，初始检测电容由1.28pf增大到6.4pf。 根据以上理论分析和参数设计，给出了新型电容式微惯性传感器的整体结构模型，并利用有限元软件Ansys进行。结果表明所设计的传感器在非敏感方向上梁的刚度较大，轴向交叉效应得到了有效抑制；传感器的静态位移灵敏度为0.659μm/g，施加电磁驱动前后的电容灵敏度分别为0.15pf/g和0.192pf/g，增大为原来的1.28倍；同时应力分析结果表明，传感器能够抵挡1000g的加速度信号的冲击而不被损坏。之后利用电磁分析软件ANSOFT-Maxwell分析了边缘效应对传感器性能的影响，表明小尺寸的传感器电容的边缘效应不可忽略。

复合式磁传感器

弱磁探测技术的发展，归根结底依靠的是磁传感器技术的进步。近年来，随着各种物理效应在磁场测量中的应用，各种弱磁测量的方法已经逐渐趋于完善，而根据不同测量方法，各类磁传感器也应运而生。从霍尔效应磁传感器、磁通门磁传感器、磁电阻传感器到光泵磁强计和超导***干涉器件(SQUID)，磁传感器技术不断的向前发展。这其中，为熟知的探测精度达到fT量级的弱磁传感器当属基于超导约瑟夫森效应的超导***干涉器件。目前，单独的SQUID 器件在低温下灵敏度可以达到0.2—2 pT，而通过加入耦合线圈磁通放大器，在4.2 K灵敏度可以达到10 fT 以下。然而，对于低温超导SQUID 而言，需要昂贵的低温制冷设备(液氦、低温制冷机等)；高温超导SQUID由于超导材料的相干长度短，在约瑟夫森结的制备方面存在困难。这些因素都制约了SQUID的大规模应用。

伴随着科技进步和信息技术的发展，除了灵敏度之外，人们也对磁传感器的尺寸、稳定性、功耗、制备工艺的简单化等提出了越来越高的要求。其中基于磁电阻效应的传感器因其具备高灵敏度、功耗低、体积小、加工技术成熟等优点正在越来越大规模的使用。其中，基于巨磁电阻(GMR)及隧道磁电阻(TMR)效应制备的磁电阻传感器因其饱和磁场较低、单位磁场灵敏度高、温度特性稳定等优点，目前已被广泛用于生产应用中。特别是TMR磁传感器，拥有小型化、低成本、低功耗、高集成性、高相应频率和高灵敏度特性，使其成为未来竞争的制高点。

另一方面，作为高灵敏度传感器而言，GMR和TMR的固有噪声仍然较大，特别是在低频下，传感器存在明显的1/f 噪声。并且在探测精度方面相比于SQUID、光泵磁力仪等高灵敏度磁传感器仍然有较大差距，这也限制了其在生物磁性、等一些弱磁探测领域的应用。

一种新型的高灵敏度磁探测器

磁电阻/超导复合式磁传感器作为一种新型的高灵敏度磁探测器， 其探测精度目前已接近SQUID器件并已达到fT 量级。同时这类传感器又具有体积小、结构简单、工艺成熟、便于大规模生产等优势，使其在未来发展潜力巨大。就该复合式磁传感器而言，进一步提升器件的探测精度是其未来研究发展的主要方向。

一方面，继续减小超导磁场放大器的狭窄区域宽度至1 μm以下，同时增大磁场放大器的有效面积都可以将磁场放大倍数继续提升至几千甚至上万倍，但是同时会对传感器的工作区间以及小型化造成影响。另一方面，使用灵敏度更高的磁电阻传感器件(TMR、巨磁阻抗器件(GMI)等[35])，将有望使得该复合式传感器的磁场探测精度达到1fT，甚至0.1 fT 的量级。