一種利用高分辨力磁場探測的低噪聲MEMS前置放大器件的制作方法

本發明涉及微弱信號檢測技術領域，具體涉及一種利用高分辨力磁場探測的低噪聲MEMS前置放大器件，用于微弱電信號極低頻低噪聲的前置放大。

背景技術：

低噪聲前置放大器通常作為第一級放大電路，目前已經被廣泛地應用于各類無線電接收機和高靈敏電子探測設備中，其噪聲水平很大程度上決定了整個放大電路乃至整個儀器設備的噪聲相關性能。傳統的低噪聲放大器一般由于受到硅基半導體內在物理機制的限制，存在明顯的1/f噪聲特性，頻率越低，噪聲越大，導致用于極低頻(<1Hz)信號的低噪聲放大器其噪聲水平很難達到亞nV量級。在很多需要檢測極低頻微弱信號的情況下，難以達到要求。例如：海洋電場檢測可應用于海洋地質勘探、水下目標探測、腐蝕檢測等方面，但是由于海水導電，海洋電場頻域越高，衰減越快，一般海洋電場檢測的是極低頻微弱信號，傳統放大器難以滿足海洋電場檢測的需要。

目前，在科研實驗領域廣為使用的是美國Stanford Research公司的SR560型低噪聲前置電壓放大器，該低噪聲前置電壓放大器存在明顯的1/f噪聲特性，其拐點頻率在100Hz左右，典型低頻本底噪聲為4nV/√Hz@100Hz、10nV/√Hz@10Hz、40nV/√Hz@1Hz。此外，TI公司優秀的低噪聲放大芯片opa211高頻處噪聲密度為1.1nV/√Hz，其拐點頻率在100Hz左右，在1Hz處的噪聲密度為6nV/√Hz。為了減小低頻1/f噪聲，國內外研究人員普遍采用斬波調制的方法。國內邱賀等人設計并研制了斬波前置放大器并進行了測試，在頻帶范圍0.001Hz～10kHz，等效輸入噪聲密度為3.75nV/√Hz。德國D.Drung等人設計并研制了一款斬波低噪聲放大器，等效輸入噪聲密度達到0.73nV/√Hz，1/f噪聲的拐點頻率為3mHz。為了實現低頻低噪聲放大，國內外的專利也主要是通過斬波調制實現，尚未見其它基于新原理的極低頻低噪聲放大器的研究。但是，斬波放大器由于時鐘潰通、電荷注入等非理性特性，輸出會存在一定的殘余失調，從而影響了它的性能。可見，傳統低噪聲放大器的噪聲達到1nV/√Hz左右難以繼續降低，且在極低頻處的噪聲可能更大，難以滿足某些極低頻微弱信號測量的需求。亟待開展基于新原理的極低頻低噪聲前置放大器研究。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題：針對現有技術的上述問題，提供一種能夠實現亞納伏級別的低噪聲放大，磁場聚集放大效果好、抗外磁場干擾性能好、體積小、電-磁信號轉化效率高的利用高分辨力磁場探測的低噪聲MEMS前置放大器件。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種利用高分辨力磁場探測的低噪聲MEMS前置放大器件，包括絕緣基底和磁力線聚集器，所述磁力線聚集器的底面上繞設有底層線圈，所述磁力線聚集器的頂面上繞設有頂層線圈，所述磁力線聚集器呈回形結構且由兩個采用高導磁材料生長在絕緣基底上形成的高導磁部件呈軸對稱布置構成，兩個高導磁部件之間設有間隙，所述絕緣基底上位于所述間隙內設有磁場敏感元件，所述絕緣基底上位于磁場敏感元件的上方設有微壓電橋調制組件。

優選地，所述磁場敏感元件為由第一TMR敏感元件、第二TMR敏感元件、第三TMR敏感元件、第四TMR敏感元件四者組成的惠斯通電橋，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場的方向一致，所述兩個高導磁部件之間的間隙包括第一間隙和第二間隙，所述第一TMR敏感元件和第三TMR敏感元件布置于第一間隙中，所述第二TMR敏感元件和第四TMR敏感元件布置于第二間隙中。

優選地，所述微壓電橋調制組件包括微壓懸臂梁，所述微壓懸臂梁分別和設于絕緣基底上的第七連接電極和第八連接電極相連，所述微壓懸臂梁的兩端分別設有微壓電橋基座，所述微壓懸臂梁通過微壓電橋基座固定于絕緣基底上，所述微壓懸臂梁的底面上位于第一間隙和第二間隙的位置均設有調制膜。

優選地，所述微壓懸臂梁采用壓電晶體材料制成。

本發明利用高分辨力磁場探測的低噪聲MEMS前置放大器件具有下述優點：

1、近年來高分辨力磁場傳感器的性能指標不斷提升，現已能夠探測到pT量級的極微弱磁場。根據畢奧-薩伐爾定理，利用高分辨力磁場傳感器探測通電線圈感生的磁場信號，可實現對微弱電信號的間接測量和放大，其極低頻噪聲有望突破至亞nV量級，相比傳統低噪聲放大電路優勢明顯，本發明包括絕緣基底和磁力線聚集器，磁力線聚集器的底面上繞設有底層線圈，磁力線聚集器的頂面上繞設有頂層線圈，磁力線聚集器呈回形結構且由兩個采用高導磁材料生長在絕緣基底上形成的高導磁部件呈軸對稱布置構成，兩個高導磁部件之間設有間隙，絕緣基底上位于間隙內設有磁場敏感元件，絕緣基底上位于磁場敏感元件的上方設有微壓電橋調制組件，利用高分辨力磁場傳感器技術來實現低噪聲前置放大，通過電流線圈和磁力線聚集器等結構把電信號高效地轉化為磁信號，再用磁場敏感元件使得該器件對極低頻電信號具有亞納伏級別(nV級)的低噪聲放大功能。

2、本發明磁力線聚集器呈回形結構，使得磁場形成回路，能夠提高磁場聚集放大效果。

3、本發明的磁力線聚集器呈回形結構且由兩個采用高導磁材料生長在絕緣基底上形成的高導磁部件呈軸對稱布置構成，兩個高導磁部件之間設有間隙，采用具有兩個間隙的對稱結構，外磁場對輸出的影響被抵消，降低了外磁場對磁場探測的影響。

4、本發明構成磁力線聚集器的高導磁部件采用高導磁材料生長在絕緣基底上，采用了采用MEMS工藝制備，減小了器件的尺寸，同時減小了被測磁場位置與電流線圈的距離，提高了電-磁信號轉化效率。

附圖說明

圖1為本發明實施例的主視結構示意圖。

圖2為本發明實施例不含微壓電橋調制組件部分的主視結構示意圖。

圖3為本發明實施例的線圈原理結構示意圖。

圖4為本發明實施例的惠斯通電橋結構示意圖。

圖5為圖1中A-A剖視結構示意圖。

圖6為圖1中B-B剖視結構示意圖。

圖7為圖1中C-C剖面結構示意圖。

圖例說明：1、絕緣基底；11、第一連接電極；14、第一連接電極(11)～第四連接電極；15、第五連接電極；16、第六連接電極；17、第七連接電極；18、第八連接電極；2、磁力線聚集器；21、高導磁部件；211、第一間隙；212、第二間隙；3、底層線圈；4、頂層線圈；5、磁場敏感元件；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、微壓電橋調制組件；61、微壓懸臂梁；62、微壓電橋基座；63、調制膜。

具體實施方式

如圖1、圖2和圖3所示，本實施例的利用高分辨力磁場探測的低噪聲MEMS前置放大器件包括絕緣基底1和磁力線聚集器2，磁力線聚集器2的底面上繞設有底層線圈3，磁力線聚集器2的頂面上繞設有頂層線圈4，底層線圈3和頂層線圈4一起形成繞設于磁力線聚集器2上的電流線圈，磁力線聚集器2呈回形結構且由兩個采用高導磁材料生長在絕緣基底1上形成的高導磁部件21(21#1和21#2)呈軸對稱布置構成，兩個高導磁部件21(21#1和21#2)之間設有間隙，絕緣基底1上位于間隙內設有磁場敏感元件5，絕緣基底1上位于磁場敏感元件5的上方設有微壓電橋調制組件6。本實施例中，磁力線聚集器2的兩個高導磁部件21采用高導磁材料生長在絕緣基底1上，且兩個高導磁部件21之間設有間隙，使得磁力線聚集器2構成具有間隙的回形結構，該結構有利于提高磁力線聚集器的磁場聚集效果。用于放置磁場敏感元件5的間隙可以布置在磁力線聚集器2的任意位置，都可以實現磁場聚集的功能。

本實施例中，底層線圈3和頂層線圈4均包括不連續的線圈金屬層，且底層線圈3的線圈金屬層、頂層線圈4的線圈金屬層之間依次通過高導磁部件21側面的金屬連接層(圖中未繪制出)首尾相連，形成繞制在磁力線聚集器2上的電流線圈，電流線圈在激勵信號的作用下回產生磁場，該磁場通過磁力線聚集器2聚集放大，在間隙處被磁場敏感元件5探測。

參見如圖1、圖2和圖3，底層線圈3和頂層線圈4構成的電流線圈與設于絕緣基底1上的第五連接電極15和第六連接電極16相連，微壓電橋調制組件6和設于絕緣基底1上的第七連接電極17和第八連接電極18相連。

如圖4所示，磁場敏感元件5為由第一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54四者組成的惠斯通電橋，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54四者的敏感磁場的方向一致，兩個高導磁部件21之間的間隙包括第一間隙211和第二間隙212，第一TMR敏感元件51和第三TMR敏感元件53布置于第一間隙211中，第二TMR敏感元件52和第四TMR敏感元件54布置于第二間隙212中。磁場敏感元件5采用由四個TMR(Tunnel Magneto Resistance，穿隧磁阻效應)敏感元件組成的惠斯通電橋，每一個TMR敏感元件都能夠完成磁場探測，四個TMR敏感元件敏感磁場的方向一致，則該惠斯通電橋只對電流線圈產生的磁場敏感，不敏感外磁場，從而降低了外磁場對磁場探測的影響，與傳統的檢測元件相比，提高了磁場探測靈敏度。需要說明的是，磁場敏感元件5不限于TMR敏感元件構成惠斯通電橋，只要能夠放入第一間隙211和第二間隙212中并能用于探測磁場的器件均可實現，只是在檢測靈敏度上可能會有所不同。參見圖4，本實施例中惠斯通電橋分別與設于絕緣基底1上的第一連接電極11、第二連接電極12、第三連接電極13、第四連接電極14相連。

如圖5、圖6和圖7所示，微壓電橋調制組件6包括微壓懸臂梁61，微壓懸臂梁61分別和設于絕緣基底1上的第七連接電極17和第八連接電極18相連，微壓懸臂梁61的兩端分別設有微壓電橋基座62，微壓懸臂梁61通過微壓電橋基座62固定于絕緣基底1上，微壓懸臂梁61的底面上位于第一間隙211和第二間隙212的位置均設有調制膜63。本實施例中，微壓電橋調制組件6采用微壓懸臂梁的形式，微壓電橋基座62通過激光等手段鍵合在絕緣基底1上，微壓懸臂梁61兩端位于微壓電橋基座62上，調制膜63位于微壓懸臂梁61的下表面，并正對間隙(第一間隙211和第二間隙212)所處位置。在外部電源的激勵下，微壓懸臂梁61帶動調制膜63上下振動，使得間隙(第一間隙211和第二間隙212)處的磁場被調制，通過調制膜63的調制使微弱極低頻磁場在磁場敏感元件處為高頻交變磁場，有效克服了極低頻域內1/f噪聲的不利影響，提高了磁場分辨力，提高了前置放大器件的低噪聲性能。

本實施例中，微壓懸臂梁61采用壓電晶體材料制成，壓電晶體材料在外部電源的激勵下能夠使得微壓懸臂梁61上下振動。此外，微壓懸臂梁61也可以采用其他可以驅動微壓懸臂梁61上下振動的材料制備。

本實施例的利用高分辨力磁場探測的低噪聲MEMS前置放大器件通過高分辨力、低噪聲的磁場敏感元件5測量通電線圈產生的磁場，實現對微弱電信號的間接測量和放大，信號經過了輸入電壓V_i→輸入電流I_i→被測磁場B→輸出電壓V_o的幾個過程。輸出電壓V_o的表達式如式(1)所示；

式(1)中，R_i為輸入電阻(即電流線圈的電阻)，V_i為輸入電壓，K為輸入電流的磁場轉化率，S為磁敏感單元的靈敏度，輸入電流的磁場轉化率K的表達式為K＝B/I_i，磁敏感單元的靈敏度S表達式為S＝V_o/B，B為被測磁場，I_i為輸入電流。因此本實施例的低噪聲MEMS前置放大器件的電壓放大倍數A的表達式如式(2)所示；

式(2)中，K為輸入電流的磁場轉化率，S為磁敏感單元的靈敏度，R_i為輸入電阻(即電流線圈的電阻)。

同時，本實施例的低噪聲MEMS前置放大器件的噪聲主要來源與兩部分：輸入端的電流線圈熱噪聲e_Ni和輸出端的磁敏感元件輸出噪聲e_No，此時本實施例的低噪聲MEMS前置放大器件的輸出噪聲e_o的表達式如式(3)所示；

式(3)中，A為本實施例的低噪聲MEMS前置放大器件的電壓放大倍數，e_Ni為輸入端的電流線圈熱噪聲，e_No為輸出端的磁敏感元件輸出噪聲。因此，本實施例的低噪聲MEMS前置放大器件的等效輸入噪聲e_i的表達式如式(4)所示；

式(4)中，e_o為本實施例的低噪聲MEMS前置放大器件的輸出噪聲，A為本實施例的低噪聲MEMS前置放大器件的電壓放大倍數，e_Ni為輸入端的電流線圈熱噪聲，e_No為輸出端的磁敏感元件輸出噪聲，K為輸入電流的磁場轉化率，S為磁敏感單元的靈敏度，R_i為輸入電阻(即電流線圈的電阻)，k為玻爾茲曼常數，k＝1.38×10^-23J/K，T為絕對溫度。所以，若要降低本實施例的低噪聲MEMS前置放大器件的等效輸入噪聲，需要降低電流線圈的電阻R_i，增大輸入電流磁場轉化率K、敏感元件輸出噪聲e_No、磁敏感單元的靈敏度S。在實際操作中，通過控制電流線圈的厚度，電流線圈的電阻R_i可達到10歐姆以下；通過合理設計磁力線聚集器2的結構，輸入電流磁場轉化率可達到1nT/nA左右；且目前由TMR敏感元件制備的磁場敏感元件5的磁場靈敏度可達到200-400mV/mT，輸出噪聲達到4-10nV/√Hz左右，可計算得等效輸出噪聲為0.4-0.7nV/√Hz左右。同時，隨著MEMS工藝和磁測量技術的高速發展，可繼續提高該器件的噪聲性能。

綜上所述，本實施例的低噪聲MEMS前置放大器件通過采用高靈敏度的TMR敏感元件與磁力線聚集器2等軟磁微結構，使得本實施例對極低頻電信號具有亞納伏級別的低噪聲放大功能；而且本實施例采用高靈敏度、低噪聲的TMR敏感元件探測電流產生的磁場，通過調制膜63的調制使微弱極低頻磁場在磁場敏感元件5處為高頻交變磁場，使得極低頻信號在放大過程中被調制為高頻信號，有效克服了極低頻域內1/f噪聲的不利影響；本實施例的磁力線聚集器2采用對稱結構，提高了靈敏度又降低了外磁場對電流探測的影響。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。