CN106645797A - 一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，包括顶层结构、底层结构、第一锚点和第二锚点，顶层结构通过分别设置在底层结构两端的第一锚点和第二锚点支撑在底层结构上。本发明采用高灵敏度的隧道磁阻效应进行加速度信号检测，具有饱和磁场低、工作磁场小、灵敏度高、温度系数小，测量带宽大等优点，提出隧道磁阻效应加速度计结构方案简单、紧凑、体积较小、灵敏度高、测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，属于微机电系统和微惯性器件技术领域。
背景技术
现有微型加速度计存在体积庞大、测量精度低和灵敏度低等问题。
隧道磁阻效应加速计主要是基于隧道磁阻效应(Tunneling magnetre sistance,TMR)来测量输入的加速度。隧道磁阻效应主要指两层铁磁金属和中间绝缘层构成的磁性隧道结中，如果两层铁磁金属极化方向平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性会变大，其宏观表现为电阻小；如果极化方向反平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性较小，其宏观表现是电阻极大。因此利用输入加速度引起的极化方向变化或者隧道间隙变化，通过测量其导致的电阻变化就可以测量输入加速度大小。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，外界输入加速度引起质量块发生位移，导致磁场发生变化，然后利用隧道磁阻效应来测量磁场变化，进而获得输入加速度的大小，该技术解决了现有微型加速度计体积庞大、精度低和灵敏度低等问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，包括顶层结构、底层结构、第一锚点和第二锚点，顶层结构通过分别设置在底层结构两端的第一锚点和第二锚点支撑在底层结构上。
与其他类型的加速度计相比，隧道磁阻效应加速度计具有灵敏度和分辨率高，测试范围宽等优点，这是由隧道式原理对磁场磁化方向或间隙变化的超敏感性决定的，使其成为新一代高精度微机械加速度计的发展方向之一。
为了进一步提高基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的精度和灵敏度，顶层结构由质量块、第二绝缘层、励磁结构层、第一弹性梁、第二弹性梁、第一反馈电极、第三反馈电极、第一间隙调整电极和第三间隙调整电极构成；
通过第一弹性梁和第二弹性梁将质量块支撑在第一锚点和第二锚点之间；励磁结构层通过第二绝缘层布置在质量块背面的中间位置；第一反馈电极和第一间隙调整电极布置在质量块的背面，且位于励磁结构层的一端端部，第三反馈电极和第三间隙调整电极布置在质量块的背面，且位于励磁结构层的另一端端部，第一反馈电极和第三反馈电极分别位于第一间隙调整电极和第三间隙调整电极的外围。
底层结构由第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第二反馈电极、第四反馈电极、第二间隙调整电极、第四间隙调整电极、第一绝缘层和衬底构成；
第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第二反馈电极、第四反馈电极、第二间隙调整电极、第四间隙调整电极、第一锚点和第二锚点布置在第一绝缘层正面；第一绝缘层底面与衬底相接；
第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器位于第一绝缘层的中间位置，且布置在励磁结构层的正下方；
第二反馈电极和第二间隙调整电极布置在第一隧道磁阻传感器外侧的第一绝缘层上，且第二反馈电极位于第一反馈电极正下方，第二间隙调整电极位于第一间隙调整电极正下方；第四反馈电极和第四间隙调整电极布置在第二隧道磁阻传感器外侧的第一绝缘层上，且第四反馈电极位于第三反馈电极正下方，第四间隙调整电极位于第三间隙调整电极正下方。
上述第一隧道磁阻传感器与第二隧道磁阻传感器相邻端为内侧，相背端为外侧。
本申请将从质量块中央指向质量块两端的方向定义为从内到外的方向；正面指正常使用时的上表面，背面指正常使用时的下表面。
上述基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置使用时，在励磁结构层上施加电流，形成局部磁场，当有加速度输入时，引起质量块角度转动，导致励磁结构层与第一隧道磁阻传感器间隙变大，与第二隧道磁阻传感器间隙变小，从而引起第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器周围磁场强度发生改变，通过第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器将磁场强度变化测量出来，就可以获得输入加速度。
为了更进一步提高基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的精度和灵敏度，第一弹性梁和第二弹性梁均为T型；质量块通过“T型”第一弹性梁和“T型”第二弹性梁支撑在第一锚点和第二锚点上。
进一步，“T型”第一弹性梁一端分别通过“L型”第一过渡梁和“L型”第二过渡梁与第一锚点相连，“T型”第一弹性梁另一端与质量块相连；“T型”第二弹性梁一端分别通过“L型”第三过渡梁和“L型”第四过渡梁与第二锚点相连，“T型”第二弹性梁另一端与质量块相连；励磁结构层由块串联而成的“蛇型”结构构成，且位于质量块的中间位置。
蛇形励磁结构层的主要功能是通过在上面施加电流形成局部磁场，为隧道磁阻效应形成提供条件。
为了进一步提高基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的精度和灵敏度，第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器均为由块串联而成的“环型”结构，且位于第二间隙调整电极和第四间隙调整电极之间中心位置的两侧。
第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器均由六层结构叠加而成，从上至下分别为传感器顶层、自由层、隧道势垒层、传感器铁磁层、反铁磁层和传感器底层；传感器铁磁层的第一磁场方向由结构预先设定，自由层的第二磁场方向由励磁结构层决定；励磁结构层由三层结构叠加而成，从上至下分别为励磁结构顶层、励磁结构铁磁层和励磁结构底层，励磁结构铁磁层磁场方向由外加电流决定；励磁结构层磁场强度和方向决定了自由层的磁场方向和强度，引起自由层与励磁结构铁磁层间形成隧道磁阻效应。
为了简化结构，使用方便，同时保证基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的精度和灵敏度，第二反馈电极、第二间隙调整电极、第四反馈电极和第四间隙调整电极分别通过第一电极引线、第二电极引线、第三电极引线和第四电极引线引出，第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器分别通过第五电极引线、第六电极引线、第七电极引线和第八电极引线引出，第一锚点和第二锚点分别通过第九电极引线和第十电极引线引出。
上述第二反馈电极和第四反馈电极分别与第一反馈电极和第三反馈电极构成两组差动电容力矩器；第二间隙调整电极和第四间隙调整电极分别与第一间隙调整电极和第三间隙调整电极形成两组差动电容力矩器。
本发明采用高灵敏度的隧道磁阻效应进行加速度信号检测，具有饱和磁场低、工作磁场小、灵敏度高、温度系数小，测量带宽大等优点，本申请提出隧道磁阻效应加速度计结构方案简单、紧凑、体积较小、灵敏度高、测量精度高。
本发明未提及的技术均为现有技术。
有益效果：
(1)采用高灵敏度的隧道磁阻效应进行加速度信号检测，具有饱和磁场低、工作磁场小、灵敏度高、温度系数小，测量带宽大等优点；
(2)区别于一般隧道效应加速度计需要花费巨大成本通过加工工艺和精密机构控制隧尖和质量块间的nm间隙，本发明提出的高精度隧道磁阻效应加速度计并不直接利用电流效应，而是通过将加速度计转换为磁场强度的变化，然后利用隧道磁阻效应的磁阻传感器来检测磁场的变化，无需实现nm间隙，相关设计技术成熟，更利于加工实现；
(3)本发明提出隧道磁阻效应加速度计结构方案简单、紧凑、体积较小、灵敏度高、测量精度高。
附图说明
图1为本发明基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置水平剖面图；
图2为本发明基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置竖直剖面图；
图3为本发明基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的顶层结构仰视图；
图4为本发明基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的底层结构俯视图；
图5为本发明的隧道磁阻传感器结构示意图
图6为本发明的隧道磁阻和励磁结构示意图；
图7为本发明的底层结构引线层示意图；
图中，AB向为竖直方向，CD向为水平方向。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1和图2所示，一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置由通过上、下第一锚点3和第二锚点4支撑在底层结构上的顶层结构构成，其中顶层结构由质量块15、励磁结构层19、第一弹性梁17、第二弹性梁18、第一反馈电极7、第三反馈电极9、第一间隙调整电极11和第三间隙调整电极13构成；底层结构由第一隧道磁阻传感器5、第二隧道磁阻传感器6、第二反馈电极8、第四反馈电极10、第二间隙调整电极12、第四间隙调整电极14、第一绝缘层2和衬底1构成。
顶层结构通过第一弹性梁17和第二弹性梁18将质量块15支撑在上下第一锚点3和第二锚点4之间；励磁结构层19通过第二绝缘层16布置在质量块15背面的中间位置；第一反馈电极7和第一间隙调整电极11布置在质量块15的背面，且位于励磁结构层19的左边，其中第一反馈电极7位置靠近质量块15边界，第一间隙调整电极11位置靠近励磁结构层19；第三反馈电极9和第三间隙调整电极13布置在质量块15的背面位于励磁结构层19的右边，其中第三反馈电极9位置靠近质量块15边界，第三间隙调整电极13位置靠近励磁结构层19。
底层结构在第一绝缘层2正面布置有第一隧道磁阻传感器5、第二隧道磁阻传感器6、第二反馈电极8、第四反馈电极10、第二间隙调整电极12、第四间隙调整电极14、第一锚点3和第二锚点4；第一绝缘层2底面与衬底1相接；第一隧道磁阻传感器5和第二隧道磁阻传感器6位于第一绝缘层2中间，且布置在励磁结构层19的正下方；第二反馈电极8和第二间隙调整电极12布置在第一隧道磁阻传感器5外侧的第一绝缘层2上，且第二反馈电极8位于第一反馈电极7正下方，第二间隙调整电极12位于第一间隙调整电极11正下方；第四反馈电极10和第四间隙调整电极14布置第二隧道磁阻传感器6外侧的第一绝缘层2上，且第四反馈电极10位于第三反馈电极9正下方，第四间隙调整电极14位于第三间隙调整电极13正下方。
在励磁结构层19上施加电流，形成局部磁场，当有沿着方向20的加速度输入时，引起质量块15绕着角度21转动，导致励磁结构层19与第一隧道磁阻传感器5间隙变大，与第二隧道磁阻传感器6间隙变小，从而引起第一隧道磁阻传感器5和第二隧道磁阻传感器6周围磁场强度发生改变，通过第一隧道磁阻传感器5和第二隧道磁阻传感器6将磁场强度变化测量出来，就可以获得输入加速度。
如图3所示，从顶层仰视图，质量块15通过“T型”第一弹性梁17和第二弹性梁18支撑在上下第一锚点3和第二锚点4上，且“T型”第一弹性梁17一端通过“L型”第一过渡梁171和第二过渡梁172与下面的第一锚点3相连，另一端与质量块15相连，“T型”第二弹性梁18一端通过“L型”第三过渡梁181和第四过渡梁182与上面的第二锚点4相连，另一端与质量块15相连；励磁结构层19由块串联而成的“蛇型”结构构成，位于质量块15的中间位置；第一反馈电极7和第一间隙调整电极11从左至右位于“蛇型”励磁结构层19的左边；第三反馈电极9和第三间隙调整电极13从右至左位于“蛇型”励磁结构层19的右边。蛇形励磁结构层19的主要功能是通过在上面施加电流形成局部磁场，为隧道磁阻效应形成提供条件。
如图4所示，从底层俯视图，第一隧道磁阻传感器5和第二隧道磁阻传感器6由块串联而成的“环型”结构构成，且位于上下第一锚点3和第二锚点4上构成的中心线的左右两侧；第二反馈电极8和第二间隙调整电极12从左至右位于“环型”第一隧道磁阻传感器5的左边；第四反馈电极10和第四间隙调整电极14从右至左位于“环型”第二隧道磁阻传感器6的右边。第二反馈电极8和第四反馈电极10分别与第一反馈电极7和第三反馈电极9构成两组差动电容力矩器，通过施加不同的反馈电压形成反馈力，将由于加速度输入引起的质量块15偏移矫正回复平衡位置。第二间隙调整电极12和第四间隙调整电极14分别与第一间隙调整电极11和第三间隙调整电极13形成两组差动电容力矩器，通过在电容器两段施加不同的静电偏置电压，可以产生不同的静电力，主要用于调整蛇形励磁结构层19与第一隧道磁阻传感器5和第二隧道磁阻传感器6间的间隙，形成不同程度的隧道磁阻效应和灵敏度。
如图5、图6所示，第一隧道磁阻传感器5和第二隧道磁阻传感器6结构类似，第一隧道磁阻传感器5和第二隧道磁阻传感器6均由六层结构叠加而成，从上至下分别为传感器顶层22、自由层23、隧道势垒层24、传感器铁磁层25、反铁磁层26和传感器底层27；传感器铁磁层25的第一磁场方向28由结构预先设定，自由层23的第二磁场方向29由励磁结构层19决定。励磁结构层19磁场强度和方向决定了自由层23的磁场方向和强度，引起自由层23与传感器铁磁层25间形成隧道磁阻效应。外界加速度的输入引起蛇形励磁结构层19与第一隧道磁阻传感器5和第二隧道磁阻传感器6间的间隙分别变大和变小，将会导致自由层23感应的磁场强度和方向的变化，直接引起隧道磁阻效应的强弱变化，最终导致第一隧道磁阻传感器5和第二隧道磁阻传感器6的电阻分别变大和变小，测量两个差动电阻变化就可以获得输入加速度的大小；励磁结构层19由三层结构叠加而成，从上至下分别为励磁结构顶层30、励磁结构铁磁层31和励磁结构底层32，励磁结构铁磁层磁场方向33由外加电流决定。
如图7所示，第二反馈电极8、第二间隙调整电极12、第四反馈电极10和第四间隙调整电极14分别通过第一电极引线38、第二电极引线39、第三电极引线40和第四电极引线41引出。在电极引线38和电极引线40施加带偏置差动反馈电压，形成矫正力矩，将质量块15矫正会平衡位置；在电极引线39和电极引线41施加带偏置电压，形成力矩，用来调整蛇形励磁结构层19与第一隧道磁阻传感器5和第二隧道磁阻传感器6间的间隙，形成不同强度的隧道磁阻效应。第一隧道磁阻传感器5和第二隧道磁阻传感器6分别通过第五电极引线42、第六电极引线43、第七电极引线44和第八电极引线45引出。电极引线42和电极引线43间构成第一个隧道电阻；电极引线44和电极引线45构成第二个隧道电阻，外界电路通过测量第一个隧道电阻和第二隧道电阻就可获得输入加速度的大小。第一锚点3和第二锚点4分别通过第九电极引线46和第十电极引线47引出，用作质量块的公共电极。
Claims (10)
1.一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：包括顶层结构、底层结构、第一锚点(3)和第二锚点(4)，顶层结构通过分别设置在底层结构两端的第一锚点(3)和第二锚点(4)支撑在底层结构上。
2.如权利要求1所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：顶层结构由质量块(15)、第二绝缘层(16)、励磁结构层(19)、第一弹性梁(17)、第二弹性梁(18)、第一反馈电极(7)、第三反馈电极(9)、第一间隙调整电极(11)和第三间隙调整电极(13)构成；
通过第一弹性梁(17)和第二弹性梁(18)将质量块(15)支撑在第一锚点(3)和第二锚点(4)之间；励磁结构层(19)通过第二绝缘层(16)布置在质量块(15)背面的中间位置；第一反馈电极(7)和第一间隙调整电极(11)布置在质量块(15)的背面，且位于励磁结构层(19)的一端端部，第三反馈电极(9)和第三间隙调整电极(13)布置在质量块(15)的背面，且位于励磁结构层(19)的另一端端部，第一反馈电极(7)和第三反馈电极(9)分别位于第一间隙调整电极(11)和第三间隙调整电极(13)的外围。
3.如权利要求2所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：底层结构由第一隧道磁阻传感器(5)、第二隧道磁阻传感器(6)、第二反馈电极(8)、第四反馈电极(10)、第二间隙调整电极(12)、第四间隙调整电极(14)、第一绝缘层(2)和衬底(1)构成；
第一隧道磁阻传感器(5)、第二隧道磁阻传感器(6)、第二反馈电极(8)、第四反馈电极(10)、第二间隙调整电极(12)、第四间隙调整电极(14)、第一锚点(3)和第二锚点(4)布置在第一绝缘层(2)正面；第一绝缘层(2)底面与衬底(1)相接；
第一隧道磁阻传感器(5)和第二隧道磁阻传感器(6)位于第一绝缘层(2)的中间位置，且布置在励磁结构层(19)的正下方；
第二反馈电极(8)和第二间隙调整电极(12)布置在第一隧道磁阻传感器(5)外侧的第一绝缘层(2)上，且第二反馈电极(8)位于第一反馈电极(7)正下方，第二间隙调整电极(12)位于第一间隙调整电极(11)正下方；第四反馈电极(10)和第四间隙调整电极(14)布置在第二隧道磁阻传感器(6)外侧第一绝缘层上(2)，且第四反馈电极(10)位于第三反馈电极(9)正下方，第四间隙调整电极(14)位于第三间隙调整电极(13)正下方。
4.如权利要求2或3所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：在励磁结构层(19)上施加电流，形成局部磁场，当有加速度输入时，引起质量块(15)角度转动，导致励磁结构层(19)与第一隧道磁阻传感器(5)间隙变大，与第二隧道磁阻传感器(6)间隙变小，从而引起第一隧道磁阻传感器(5)和第二隧道磁阻传感器(6)周围磁场强度发生改变，通过第一隧道磁阻传感器(5)和第二隧道磁阻传感器(6)将磁场强度变化测量出来，就可以获得输入加速度。
5.如权利要求2或3所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：质量块(15)通过“T型”第一弹性梁(17)和“T型”第二弹性梁(18)支撑在第一锚点(3)和矩形第二锚点(4)上。
6.如权利要求5所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：“T型”第一弹性梁(17)一端分别通过“L型”第一过渡梁(171)和“L型”第二过渡梁(172)与第一锚点(3)相连，“T型”第一弹性梁(17)另一端与质量块(15)相连；“T型”第二弹性梁(18)一端分别通过“L型”第三过渡梁(181)和“L型”第四过渡梁(182)与第二锚点(4)相连，“T型”第二弹性梁(18)另一端与质量块(15)相连；励磁结构层(19)由块串联而成的“蛇型”结构构成，且位于质量块(15)的中间位置。
7.如权利要求5所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：第一隧道磁阻传感器(5)和第二隧道磁阻传感器(6)均为由块串联而成的“环型”结构，且位于第二间隙调整电极(12)和第四间隙调整电极(14)之间中心位置的两侧。
8.如权利要求7所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：第一隧道磁阻传感器(5)和第二隧道磁阻传感器(6)均由六层结构叠加而成，从上至下分别为传感器顶层(22)、自由层(23)、隧道势垒层(24)、传感器铁磁层(25)、反铁磁层(26)和传感器底层(27)；传感器铁磁层(25)的第一磁场方向(28)由结构预先设定，自由层(23)的第二磁场方向(29)由励磁结构层(19)决定；励磁结构层(19)由三层结构叠加而成，从上至下分别为励磁结构顶层(30)、励磁结构铁磁层(31)和励磁结构底层(32)，励磁结构铁磁层磁场方向(33)由外加电流决定；励磁结构层(19)磁场强度和方向决定了自由层(23)的磁场方向和强度，引起自由层(23)与铁磁层(25)间形成隧道磁阻效应。
9.如权利要求5所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：第二反馈电极(8)、第二间隙调整电极(12)、第四反馈电极(10)和第四间隙调整电极(14)分别通过第一电极引线(38)、第二电极引线(39)、第三电极引线(40)和第四电极引线(41)引出，第一隧道磁阻传感器(5)和第二隧道磁阻传感器(6)分别通过第五电极引线(42)、第六电极引线(43)、第七电极引线(44)和第八电极引线(45)引出，第一锚点(3)和第二锚点(4)分别通过第九电极引线(46)和第十电极引线(47)引出。
10.如权利要求5所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：第二反馈电极(8)和第四反馈电极(10)分别与第一反馈电极(7)和第三反馈电极(9)构成两组差动电容力矩器；第二间隙调整电极(12)和第四间隙调整电极(14)分别与第一间隙调整电极(11)和第三间隙调整电极(13)形成两组差动电容力矩器。
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