本發(fā)明涉及微弱信號檢測技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

低噪聲前置放大器通常作為第一級放大電路，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各類無線電接收機(jī)和高靈敏電子探測設(shè)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(shè)備的噪聲相關(guān)性能。傳統(tǒng)的低噪聲放大器一般由于受到硅基半導(dǎo)體內(nèi)在物理機(jī)制的限制，存在明顯的1/f噪聲特性，頻率越低，噪聲越大，導(dǎo)致用于極低頻(<1Hz)信號的低噪聲放大器其噪聲水平很難達(dá)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(dá)到要求。例如：海洋電場檢測可應(yīng)用于海洋地質(zhì)勘探、水下目標(biāo)探測、腐蝕檢測等方面，但是由于海水導(dǎo)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(tǒng)放大器難以滿足海洋電場檢測的需要。

目前，在科研實驗領(lǐng)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(yōu)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(nèi)外研究人員普遍采用斬波調(diào)制的方法。國內(nèi)邱賀等人設(shè)計并研制了斬波前置放大器并進(jìn)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(shè)計并研制了一款斬波低噪聲放大器，等效輸入噪聲密度達(dá)到0.73nV/√Hz，1/f噪聲的拐點頻率為3mHz。為了實現(xiàn)低頻低噪聲放大，國內(nèi)外的專利也主要是通過斬波調(diào)制實現(xiàn)，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(diào)，從而影響了它的性能。可見，傳統(tǒng)低噪聲放大器的噪聲達(dá)到1nV/√Hz左右難以繼續(xù)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(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)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(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)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(shè)有底層線圈，所述磁力線聚集器的頂面上繞設(shè)有頂層線圈，所述磁力線聚集器呈回形結(jié)構(gòu)且由兩個采用高導(dǎo)磁材料生長在絕緣基底上形成的高導(dǎo)磁部件呈軸對稱布置構(gòu)成，兩個高導(dǎo)磁部件之間設(shè)有間隙，所述絕緣基底上位于所述間隙內(nèi)設(shè)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(shè)有微壓電橋調(diào)制組件。

優(yōu)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(dǎo)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(yōu)選地，所述微壓電橋調(diào)制組件包括微壓懸臂梁，所述微壓懸臂梁分別和設(shè)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(shè)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(shè)有調(diào)制膜。

優(yōu)選地，所述微壓懸臂梁采用壓電晶體材料制成。

本發(fā)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(yōu)點：

1、近年來高分辨力磁場傳感器的性能指標(biāo)不斷提升，現(xiàn)已能夠探測到pT量級的極微弱磁場。根據(jù)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(xiàn)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(tǒng)低噪聲放大電路優(yōu)勢明顯，本發(fā)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(shè)有底層線圈，磁力線聚集器的頂面上繞設(shè)有頂層線圈，磁力線聚集器呈回形結(jié)構(gòu)且由兩個采用高導(dǎo)磁材料生長在絕緣基底上形成的高導(dǎo)磁部件呈軸對稱布置構(gòu)成，兩個高導(dǎo)磁部件之間設(shè)有間隙，絕緣基底上位于間隙內(nèi)設(shè)有磁場敏感元件，絕緣基底上位于磁場敏感元件的上方設(shè)有微壓電橋調(diào)制組件，利用高分辨力磁場傳感器技術(shù)來實現(xiàn)低噪聲前置放大，通過電流線圈和磁力線聚集器等結(jié)構(gòu)把電信號高效地轉(zhuǎn)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(fā)明磁力線聚集器呈回形結(jié)構(gòu)，使得磁場形成回路，能夠提高磁場聚集放大效果。

3、本發(fā)明的磁力線聚集器呈回形結(jié)構(gòu)且由兩個采用高導(dǎo)磁材料生長在絕緣基底上形成的高導(dǎo)磁部件呈軸對稱布置構(gòu)成，兩個高導(dǎo)磁部件之間設(shè)有間隙，采用具有兩個間隙的對稱結(jié)構(gòu)，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(fā)明構(gòu)成磁力線聚集器的高導(dǎo)磁部件采用高導(dǎo)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(zhuǎn)化效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例不含微壓電橋調(diào)制組件部分的主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例的線圈原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為圖1中A-A剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為圖1中B-B剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為圖1中C-C剖面結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(diào)制組件；61、微壓懸臂梁；62、微壓電橋基座；63、調(diào)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(shè)有底層線圈3，磁力線聚集器2的頂面上繞設(shè)有頂層線圈4，底層線圈3和頂層線圈4一起形成繞設(shè)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(jié)構(gòu)且由兩個采用高導(dǎo)磁材料生長在絕緣基底1上形成的高導(dǎo)磁部件21(21#1和21#2)呈軸對稱布置構(gòu)成，兩個高導(dǎo)磁部件21(21#1和21#2)之間設(shè)有間隙，絕緣基底1上位于間隙內(nèi)設(shè)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(shè)有微壓電橋調(diào)制組件6。本實施例中，磁力線聚集器2的兩個高導(dǎo)磁部件21采用高導(dǎo)磁材料生長在絕緣基底1上，且兩個高導(dǎo)磁部件21之間設(shè)有間隙，使得磁力線聚集器2構(gòu)成具有間隙的回形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xù)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(dǎo)磁部件21側(cè)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(chǎn)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(gòu)成的電流線圈與設(shè)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(diào)制組件6和設(shè)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(dǎo)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(yīng))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(chǎn)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(tǒng)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(gòu)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(xiàn)，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(shè)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(diào)制組件6包括微壓懸臂梁61，微壓懸臂梁61分別和設(shè)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(shè)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(shè)有調(diào)制膜63。本實施例中，微壓電橋調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)制，通過調(diào)制膜63的調(diào)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(nèi)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(qū)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(chǎn)生的磁場，實現(xiàn)對微弱電信號的間接測量和放大，信號經(jīng)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(dá)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(zhuǎn)化率，S為磁敏感單元的靈敏度，輸入電流的磁場轉(zhuǎn)化率K的表達(dá)式為K＝B/I_i，磁敏感單元的靈敏度S表達(dá)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(shù)A的表達(dá)式如式(2)所示；

式(2)中，K為輸入電流的磁場轉(zhuǎn)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(dá)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(shù)，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(dá)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(shù)，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(zhuǎn)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(shù)，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(zhuǎn)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(dá)到10歐姆以下；通過合理設(shè)計磁力線聚集器2的結(jié)構(gòu)，輸入電流磁場轉(zhuǎn)化率可達(dá)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(dá)到200-400mV/mT，輸出噪聲達(dá)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(shù)的高速發(fā)展，可繼續(xù)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(jié)構(gòu)，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(chǎn)生的磁場，通過調(diào)制膜63的調(diào)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(diào)制為高頻信號，有效克服了極低頻域內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。