摘要
磁场检测在生产和生活中是不可或缺的。随着科学技术的不断发展，如何实现能够片上集成的高性能磁场传感器已经成为了热点问题之一。近几十年来，微加工工艺的持续进步促使了微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS）技术的蓬勃发展，导致一大批高性能MEMS器件的出现和广泛的商业化应用。MEMS传感器具有体积小、功耗低、性能优异和易于实现片上集成的优势，特征尺寸一般在微米量级，可以实现传统传感器所不能完成的小型化和集成化等功能。在众多MEMS器件中，基于硅上压电薄膜（Thin-filmPiezoelectric-on-Silicon,TPoS）结构的MEMS谐振器具有机电换能效率高、品质因数高以及机械稳定性强的优点，近年来，片上集成谐振式传感器领域引起了广泛的关注。 本文设计了一种基于TPoS谐振器的压电式磁场传感器，并且通过分析测试数据，对磁场传感器建立了通用的电路模型进行表征。具体研究内容如下： 首先，本文对TPoS谐振器的机电转换原理、电路模型进行了深入的研究。之后设计了一种主体结构为方形平板的谐振器，它的工作原理为：在存在外界磁场时，输入激励电流后，利用谐振器上表面的金属导线产生洛伦兹力，从而激励谐振器在角拍动振动模态振动，实现电信号的输出。本文利用理论和仿真模型对磁场传感器进行了设计优化，并根据设计方案完成了四个器件的制备，并对加工器件进行了测试和分析。 然后，本文针对四个谐振器设计进行了接口电路的设计，并采用了不同的引线键合方案，利用矢量网络分析仪和锁相放大器两种不同的测试平台对器件进行测试分析，重点研究了偏置电流对器件性能的影响。测试结果表明磁场传感器的灵敏度为0.281ppm/mT。 最后，本文分析了偏置电流产生的原因，并在原有电路模型的基础上改进了磁场传感器的等效电路模型，用于表征偏置电流去器件性能的影响。本文通过对比仿真数据和实际测试数据验证了等效电路模型的有效性。这一等效电路模型可以用于其他谐振式MEMS磁场传感器的性能分析，为相关研究工作的开展提供了新的思路。
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