CN106501547A - 一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴mems加速度计 - Google Patents

一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴mems加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，包括：晶圆外框，包括相互垂直的横框和竖框，竖框设于横框的竖直中心线上，将横框一侧所在平面划分成两个区域；磁源，固定设于竖框上；两个检验质量块，分别设于两个所述区域内，且每一所述检验质量块由一垂直设于所述横梁上的支撑梁支撑；两个巨磁阻芯片，分别安装于两个检验质量块上，且两个巨磁阻芯片对称设置于磁源两侧，巨磁阻芯片的中心点到横框的距离与磁源的中心点到横框的距离相等，巨磁阻芯片的磁敏感方向与磁源的磁矩方向相同，且检验质量块在加速度作用下的位移方向与磁矩方向在同一直线上。该基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计具有精度高、测量范围大的优点。

Description

一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计
技术领域
本发明涉及加速度测量领域，特别是涉及一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计。
背景技术
加速度计是测量运载体线加速度的仪表，按照牛顿第二定律，加速度是物体位移随时间的二次导数，等于物体受到的合外力除以其质量。通过测量加速度可以知道物体偏离惯性运动的情况，一般的加速度计测量检验质量受到的非保守力，是惯性导航需要测量的主要物理量(另一物理量是陀螺仪测量的惯性指向)。在飞行控制系统中，加速度计是重要的动态特性校正元件，在惯性导航系统中，高精度的加速度计是最基本的敏感元件之一。在各类飞行器的飞行实验中，加速度计是研究飞行器颤振和疲劳寿命的重要工具，因此加速度计测量的精度也就尤为重要。
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)加速度计是指利用微电子加工手段加工制作并与微电子测量线路集成在一起的加速度计，这种加速度计常用硅材料制作，故又名硅微型加速度计，当然，也可以采用其它半导体材料或绝缘体材料制作。硅微型加速度计其检验质量可以做到几个毫克，因此也就提高了对MEMS加速度计测量精度及测量范围的要求，而如何提高MEMS加速度计的精度以及扩大测量范围成为本领域技术人亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种精度高、测量范围大的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，包括：
晶圆外框，包括相互垂直的横框和竖框，所述竖框设于所述横框的竖直中心线上，将所述横框一侧所在平面划分成两个区域；
磁源，固定设于所述竖框上；
两个检验质量块，分别设于两个所述区域内，且每一所述检验质量块由一垂直设于所述横梁上的支撑梁支撑；
两个巨磁阻芯片，分别安装于两个所述检验质量块上，且两个所述巨磁阻芯片对称设置于所述磁源两侧，所述巨磁阻芯片的中心点到所述横框的距离与所述磁源的中心点到所述横框的距离相等，所述巨磁阻芯片的磁敏感方向与所述磁源的磁矩方向相同，且所述检验质量块在加速度作用下的位移方向与所述磁矩方向在同一直线上。
可选的，每一所述支撑梁为一个悬臂梁，所述悬臂梁的一端连接所述横框，所述悬臂梁的另一端连接所述检验质量块。
可选的，所述横框包括相互平行的第一横框和第二横框，每一所述支撑梁为一个简支梁，所述简支梁包括竖直中心线重合的第一支撑梁和第二支撑梁，所述第一支撑梁的一端连接所述检验质量块，所述第一支撑梁的另一端连接所述第一横框的内壁；所述第二支撑梁的一端连接所述检验质量块，所述第二支撑梁的另一端连接所述第二横框的内壁。
可选的，每一所述支撑梁沿所述磁源的磁矩方向的厚度小于所述支撑梁垂直于所述磁矩方向的厚度，使得在加速度作用下，所述支撑梁所连接的所述检验质量块能够沿所述磁矩方向所在直线产生位移。
可选的，所述磁源为微型永磁体或微型通电线圈。
可选的，所述微型永磁体是在所述竖框上通过镀膜工艺制备永磁体薄膜，再磁化所述永磁体薄膜而制得。
可选的，所述竖框上设有安装孔，所述微型永磁体设置于所述安装孔内。
可选的，所述晶圆外框、支撑梁的材料为非磁性的绝缘材料，或所述晶圆外框、支撑梁的材料为非磁性的高电阻率半导体材料，所述检验质量块的材料为非磁性材料。
可选的，所述晶圆外框、支撑梁和检验质量块是在晶圆上通过光刻蚀、离子刻蚀或化学腐蚀的加工工艺制成。
可选的，所述加速度计外设有屏蔽层，所述屏蔽层的材料为高磁导率材料。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计是利用巨磁电阻(Giant Magneto-Resistive，GMR)芯片的巨磁电阻效应，将两个高精度GMR芯片集成到位置对称分布的两个检验质量块上，构成一个差分式的MEMS结构。通过磁源在检验质量块所在区域产生梯度磁场，当加速度计载体获得线加速度时，由于加速度产生的惯性力的作用，两个检验质量块在梯度磁场中产生位移，两个GMR芯片在梯度磁场中产生相反的磁电阻变化。根据两个GMR芯片电阻值的变化，运用差分手段即可求出检验质量块产生的位移量，同时可求出检验质量块在加速度作用下所获得的惯性力的大小，进而求得加速度值。通过GMR芯片的电阻变化即可对加速度计载体所获得的线加速度进行精确测量。由于本加速度计采用的GMR芯片工作磁场范围大，精度高，所以可以提高本加速度计的测量精度和扩大测量范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的支撑梁为悬臂梁的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计实施例1的结构示意图；
图2为本发明提供的支撑梁为简支梁的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计实施例2的结构示意图；
图3为本发明提供的加速度计的微悬臂梁的结构尺寸示意图；
图4为地面上检验质量块受力示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种精度高、测量范围大的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：图1为本发明提供的支撑梁为悬臂梁的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计实施例1的结构示意图，如图1所示，本发明提供的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，包括：
晶圆外框，包括相互垂直的横框101和竖框102，竖框102设于横框101的竖直中心线上，将横框101上方一侧所在平面划分成两个区域。在本实施例中，横框101为两组，竖框102为三组，构成一具有两个矩形区域的矩形框，但是只要具备一组横框和一组竖框也能实现相同的固定作用。
磁源103，固定设于竖框102上，用于产生磁场，为加速度测量提供梯度磁场；作为一种可选的实施方式，该磁源103可以是微型永磁体，也可以是微型通电线圈，其中，微型永磁体可以是在竖框102上通过镀膜工艺制备永磁体薄膜，再磁化永磁体薄膜而制得；也可以现有的微型永磁体安装于竖框102上设有的安装孔内，只要是能够固定该磁源103即可。
两个检验质量块104a、104b，分别设于两个所述区域内，且每一检验质量块104a、104b由一垂直设于横梁上101的支撑梁105a、105b支撑，为了限定检验质量块104a、104b的位移方向，支撑梁105a、105b沿磁源的磁矩方向的厚度小于垂直于磁矩方向的厚度，使得在加速度作用下，检验质量块104a、104b能够沿磁矩方向所在直线产生位移；该检验质量块104a、104b分别关于支撑梁105a、105b的轴线对称。
在本实施例中，支撑梁105a、105b分别为悬臂梁105a、105b，悬臂梁105a、105b的一端连接横框101，悬臂梁105a、105b的另一端连接检验质量块104a、104b。
两个巨磁阻芯片106a、106b，安装于两个检验质量块104a、104b上，且两个巨磁阻芯片106a、106b对称设置于磁源103两侧。优选的，该巨磁阻芯片106a、106b的中心线与检验质量块104a、104b的中心线重合。巨磁阻芯片106a、106b的中心点到横框101的距离与磁源103的中心点到横框101的距离相等，即如图1所示的三个中心点的y轴坐标值相等；巨磁阻芯片106a、106b的磁敏感方向与磁源103的磁矩方向相同，检验质量块104a、104b在加速度作用下的位移方向与磁矩方向在同一直线上，即该直线与图1中x轴平行。
实施例2：图2为本发明提供的支撑梁为简支梁的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计实施例2的结构示意图，如图2所示，该加速度计包括竖框202、磁源203、两个检验质量块204a、204b、巨磁阻芯片206a、206b，本实施例与上述实施例1的差别在于：横框包括相互平行的第一横框201a和第二横框201b，每一支撑梁为一个简支梁，该简支梁包括竖直中心线重合的第一支撑梁205a、205b和第二支撑梁205a'、205b'，第一支撑梁205a、205b的一端连接检验质量块204a、204b，第一支撑梁205a、205b的另一端连接第一横框201a的内壁；第二支撑梁205a'、205b'的一端连接检验质量块204a、204b，第二支撑梁205a'、205b'的另一端连接第二横框201b的内壁。
在上述两个实施例中，晶圆外框、支撑梁的材料为非磁性的绝缘材料，或晶圆外框、支撑梁的材料为非磁性的高电阻率半导体材料，而检验质量块的材料为非磁性材料。晶圆外框、支撑梁和检验质量块是在晶圆上通过光刻蚀、离子刻蚀或化学腐蚀的加工工艺制成。整个加速度计采用MEMS封装工艺封装。为了避免磁场和杂散场对加速度计造成影响，在加速度计外设有屏蔽层，屏蔽层的材料为高磁导率材料，如坡莫合金，包覆一层，起到屏蔽地磁场和杂散磁场的作用。
本加速度计中支撑梁的厚度T要远小于它的宽度W(如图3所示)，以确保支撑梁只能在垂直于支撑梁轴向的方向获得受力并发生形变(如图1中x轴方向)，磁源的中心点与GMR芯片的中心点保持在同一水平线上，即在图1中磁源103的中心点与GMR芯片106a、106b的中心点的y坐标相同，且磁源磁矩方向、GMR芯片磁敏感方向以及检验质量块的位移方向均在同一条直线上，即该直线与图1中x轴方向平行，以保证检验质量块发生位移时，GMR芯片能感受到最大的磁场变化量，提高加速度计的检测精度。
本发明提供的加速度计可在太空及地面两种环境中分别使用，下面详细介绍这两种环境中加速度计的测量原理。
1、太空环境中加速度的测量
1.1太空中悬臂梁的受力
在太空环境中，加速度计中的检验质量块不会受到重力作用，当加速度计载体在图3的x方向产生的加速度为a，以载体为参照系，检验质量块在x方向产生的惯性力大小为
F＝ma (1)
惯性力F的方向与载体加速度a的方向相反，在此惯性力的作用下，微悬臂梁将在x方向发生形变，即检验质量块在x方向即磁源的磁矩方向产生一个位移Δx2。
根据悬臂梁的受力公式有
式中Δx1为悬臂梁端头的位移量，E为悬臂梁的弹性模量，L1、T分别为悬臂梁的长度和厚度，W为悬臂梁的宽度，如图3所示。Δx1与检验质量块的位移量Δx2有如下关系式(在位移量小时)
代入(2)式，有
将(3)式代入(1)式，则载体的加速度为
1.2用差分原理对检验质量块位移的测量
在实际工艺中，磁源尺寸远小于GMR芯片与小磁体之间距离，故磁源可等效为一磁偶极子。
当检验质量块未产生位移时，磁源在GMR芯片区域产生的磁感应强度的大小为
式中M为磁源的磁矩大小，是一个可测值，x为未产生位移时GMR芯片中心到磁源的距离，μ0为真空介电常数。
当图1中左侧区域内的检验质量块104a在x方向产生位移Δx2时，所对应的磁场变化即梯度磁场变化量为
由于两个检验质量块在x方向所受到的惯性力是相同的，故右侧区域的检验质量块104b也将会产生一个同方向的位移Δx2，但梯度磁场变化量是异号的，即右侧检验质量块104b所对应的磁场变化即梯度磁场变化量为
左侧区域的检验质量块104a的梯度磁场变化量ΔBx可通过其上的GMR芯片106a的电阻变化来进行测量，即
式中ΔR为GMR芯片106a的电阻变化量，dR/dB为GMR芯片106a的磁场灵敏度。
同样，右侧区域的检验质量块104b的梯度磁场变化量ΔBx′可通过其上的GMR芯片106b的电阻变化来进行测量。由于两个GMR芯片完全相同，即磁场灵敏度相同，有
式中ΔR′为GMR芯片106b的电阻变化量，ΔR′与ΔR异号。
将(6)式与(6')式，(7)式与(7')式两两分别进行差分，得
则检验质量块产生的位移Δx2为
通过以上差分手段，可最大程度消除热噪声，使得测量准确度和灵敏度得到进一步增强。
1.3太空中载体的加速度公式
将(8)式代入前面的(4)式，可得到太空中载体的加速度大小公式为
式中W、T、E、L1、L2、x、m、dR/dB在加速度计封装完成后均为已知值，Bx可通过(5)式求取，ΔR、ΔR′通过各自的GMR芯片实时读取。故通过(9)式即可实时测量出太空环境中加速度计载体的加速度。
1.4太空中加速度计的测量精度和测量范围
(1)所能测量的检验质量块的最小位移和最大位移
设GMR芯片的分辨率即磁场测量精度为ΔBT，由(6)式，GMR芯片所能测量到的检验质量块的最小位移为
设GMR芯片磁场工作范围的最大值为BM，由(5)式，则GMR芯片所能测量到的检验质量块与永磁体小磁体的最小距离为
即GMR芯片所能测量到的检验质量块最大位移为
因为Bx＜BM，故Δxmax＜x，即检验质量块能够被测量的最大位移始终在MEMS器件尺寸范围内。
(2)太空中加速度计的测量精度
将(10)式代入前面的(4)式，在m一定时，可得太空中加速度计的测量精度为
如果取m～10－3kg,W～10-4m,T～5×10-6m，Bx～10-5T，x～10-3m,L1～10-3m，L2～10- 3m，E＝1.6×1011Pa,ΔBT＝1nT。
则有
即在太空中加速度计可实现10－7g量级或更高量级的测量精度。这是因为在太空中检验质量块不会受到重力的作用，可以增大检验质量块的质量m来提高测量精度。
(3)太空中加速度计的测量范围
将(12)式代入前面的(4)式，在m一定时，可得太空中加速度计的最大测量范围为
而最大测量范围与测量精度的比值为：
一般情况下，取Bx～10-5T，BM～10-4T，ΔBT＝1nT，则有
即加速度计的最大测量范围与测量精度可相差4～5个数量级。
2、地面环境中加速度的测量
当加速度计在地面使用时，此时在x方向，检验质量块不仅受到惯性力F＝ma作用；还会受到检验质量块的重力分力mgx的作用，如图4所示，gx为重力加速度在x方向的分量，可通过高精度的姿态传感器来测量。此时，检验质量块在x方向受到的合力为
F合＝ma+mgx (16)
同样利用悬臂梁的受力公式即(3)式，可得
则可得地面上加速度计载体的加速度公式为
在gx测量精确的前提条件下，地面上加速度计的测量精度取决于(17)式的第一项，即与太空中加速度计的测量精度公式(13)式一致。但在地面上，由于重力的影响，检验质量块的质量需满足一定的取值范围，导致测量精度会降低，而最大测量范围与测量精度的比值与太空中的计算即(15)式相同。从理论上来估算，地面上加速度计的测量精度可达到10－3g量级，测量范围0～100g。
本发明提供的高精度加速度计在选取合适的参数情况下，在太空中可获得10－7g或更高的测量精度。在地面上，由于检验质量块将会受到重力的影响，检验质量块的质量需满足一定的取值范围，从而导致测量精度会降低，可获得10-3g量级的测量精度。以上两种情况加速度计的最大测量范围均可达测量精度之上4～5个数量级，整个MEMS器件尺寸只有几个毫米大小。采用该加速度计，相比于其它MEMS器件的加速度计，具有灵敏度高，加速度大小与待测信号之间线性度更好，测量准确度、测量精度以及测量范围更大的优点。
基于上述原理，下面结合一具体的实施方式计算本发明提供的加速度计的测量精度和测量范围。对于图1所示的结构，设永磁体小磁体磁矩M＝10-7Am2，磁矩中心到GMR芯片中心的距离x＝1mm＝10-3m；选用的GMR芯片为深圳市华夏磁电子技术开发有限公司研制的HM系列传感器芯片，分辨率ΔBT＝1nT，磁场工作范围为0～10－4T，即BM＝10-4T；悬臂梁的长度L1＝2mm＝2×10-3m，宽度W＝500μm＝5×10-4m，厚度T＝5μm＝5×10-6m，弹性模量E＝160GPa＝1.6×1011Pa；检验质量块的长度L2＝1mm＝10-3m。
(1)在太空中使用时，检验质量选取m＝1g＝10－3kg。
根据(5)式可得
将以上各参数代入(13)式，可得太空中使用时加速度计测量精度
根据(15)式，最大测量范围与测量精度的比值为
即在太空中使用时，加速度计的最大测量范围为
amax＝2.46×104×amin＝8.54×10-2m/s2
(2)在地面上使用时，检验质量选取m＝10－7kg。
根据(13)式，地面上使用时加速度计精度
地面上使用时，加速度计的最大测量范围为
amax＝2.46×104×amin＝8.54×102m/s2
可见，本发明的加速度计具有测量范围宽，测量精度高的特点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，包括：
晶圆外框，包括相互垂直的横框和竖框，所述竖框设于所述横框的竖直中心线上，将所述横框一侧所在平面划分成两个区域；
磁源，固定设于所述竖框上；
两个检验质量块，分别设于两个所述区域内，且每一所述检验质量块由一垂直设于所述横梁上的支撑梁支撑；
两个巨磁阻芯片，分别安装于两个所述检验质量块上，且两个所述巨磁阻芯片对称设置于所述磁源两侧，所述巨磁阻芯片的中心点到所述横框的距离与所述磁源的中心点到所述横框的距离相等，所述巨磁阻芯片的磁敏感方向与所述磁源的磁矩方向相同，且所述检验质量块在加速度作用下的位移方向与所述磁矩方向在同一直线上。
2.根据权利要求1所述的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，每一所述支撑梁为一个悬臂梁，所述悬臂梁的一端连接所述横框，所述悬臂梁的另一端连接所述检验质量块。
3.根据权利要求1所述的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述横框包括相互平行的第一横框和第二横框，每一所述支撑梁为一个简支梁，所述简支梁包括竖直中心线重合的第一支撑梁和第二支撑梁，所述第一支撑梁的一端连接所述检验质量块，所述第一支撑梁的另一端连接所述第一横框的内壁；所述第二支撑梁的一端连接所述检验质量块，所述第二支撑梁的另一端连接所述第二横框的内壁。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述支撑梁沿所述磁源的磁矩方向的厚度小于所述支撑梁垂直于所述磁矩方向的厚度，使得在加速度作用下，所述支撑梁所连接的所述检验质量块能够沿所述磁矩方向所在直线产生位移。
5.根据权利要求1所述的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述磁源为微型永磁体或微型通电线圈。
6.根据权利要求5所述的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述微型永磁体是在所述竖框上通过镀膜工艺制备永磁体薄膜，再磁化所述永磁体薄膜而制得。
7.根据权利要求5所述的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述竖框上设有安装孔，所述微型永磁体设置于所述安装孔内。
8.根据权利要求1所述的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述晶圆外框、支撑梁的材料为非磁性的绝缘材料，或所述晶圆外框、支撑梁的材料为非磁性的高电阻率半导体材料，所述检验质量块的材料为非磁性材料。
9.根据权利要求1所述的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述晶圆外框、支撑梁和检验质量块是在晶圆上通过光刻蚀、离子刻蚀或化学腐蚀的加工工艺制成。
10.根据权利要求1所述的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述加速度计外设有屏蔽层，所述屏蔽层的材料为高磁导率材料。
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