CN106706959B - 一种基于各向异性磁电阻效应的单轴mems加速度计 - Google Patents

一种基于各向异性磁电阻效应的单轴mems加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计，所述单轴MEMS加速度计包括：晶圆框体，所述晶圆框体的内部空间为封闭的框室；支撑梁，所述支撑梁设置于所述框室内，且所述支撑梁的一端连接在所述框室的横框内壁上；检验质量块，所述检验质量块设置在所述支撑梁的另一端；磁源，所述磁源设置在所述框室的竖框内壁上；AMR芯片，所述AMR芯片安装于所述检验质量块上，所述AMR芯片的中心与所述磁源的中心在同一水平线上，使得所述AMR芯片的磁敏感方向与所述磁源的磁矩方向相同，且所述检验质量块的位移方向与磁矩方向在同一条直线上，以保证AMR芯片只感受到单一方向的磁场。本发明单轴MEMS加速度计可提高加速度的测量精度和测量范围。

Description

一种基于各向异性磁电阻效应的单轴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各向异性磁电阻效应的单轴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。硅微型加速度计的检验质量可以做到几个毫克，这也就提高了对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员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计，可提高加速度的测量精度和测量范围。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计，所述单轴MEMS加速度计包括：
晶圆框体，所述晶圆框体的内部空间为封闭的框室；
支撑梁，所述支撑梁设置于所述框室内，且所述支撑梁的一端连接在所述框室的横框内壁上；
检验质量块，所述检验质量块设置在所述支撑梁的另一端；
磁源，所述磁源设置在所述框室的竖框内壁上；
各向异性磁电阻传感器芯片，所述各向异性磁电阻传感器芯片安装于所述检验质量块上，所述各向异性磁电阻传感器芯片的中心与所述磁源的中心在同一水平线上，使得所述各向异性磁电阻传感器芯片的磁敏感方向与所述磁源的磁矩方向相同，且所述检验质量块的位移方向与磁矩方向在同一条直线上，以保证各向异性磁电阻传感器芯片只感受到单一方向的磁场。
可选的，所述支撑梁为微悬臂梁，所述微悬臂梁包括固定端和可移动端，所述固定端固定连接在所述横框内壁上，所述可移动端与所述检验质量块连接。
可选的，所述支撑梁为简支梁，所述检验质量块连接于简支梁的中部，所述简支梁的两端分别连接在所述横框内壁上。
可选的，简支梁的竖直中心线重合。
可选的，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的直线产生位移。
可选的，所述磁源为微型永磁体或微型通电线圈。
可选的，所述微型永磁体为通过镀膜方法制备永磁体薄膜，再磁化所述永磁体薄膜制得。
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，所述晶圆框体、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而成。
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：
本发明基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计，通过将各向异性磁电阻传感器芯片集成到支撑梁上的检验质量块上，磁源设置在框室的竖框内壁上，并保持各向异性磁电阻传感器芯片的中心与磁源的中心在同一水平线上，从而使得磁源的磁矩方向与各向异性磁电阻传感器芯片的磁敏感方向相同，且检验质量块的位移方向与磁矩方向在同一条直线上，以保证各向异性磁电阻传感器芯片只感受到单一方向的磁场，并在检验质量块发生位移时，各向异性磁电阻传感器芯片能感受到最大的磁场变化量以确定加速度，从而提高加速度的测量精度和测量范围。
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为本发明基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计实施例一的结构示意图；
图2为图1所示的本发明基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计的局部结构示意图；
图3为地面上检验质量块的受力示意图；
图4为本发明基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计实施例二的结构示意图。
符号说明：
微悬臂梁—1，简支梁—1＇，检验质量块—2，各向异性磁电阻传感器芯片—3，磁源—4，晶圆框体—5。
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基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计，通过将各向异性磁电阻传感器芯片集成到支撑梁上的检验质量块上，磁源设置在框室的竖框内壁上，并保持各向异性磁电阻传感器芯片的中心与磁源的中心在同一水平线上，从而使得磁源的磁矩方向与各向异性磁电阻传感器芯片的磁敏感方向相同，且检验质量块的位移方向与磁矩方向在同一条直线上，以保证各向异性磁电阻传感器芯片只感受到单一方向的磁场，并在检验质量块发生位移时，各向异性磁电阻传感器芯片能感受到最大的磁场变化量以确定加速度，从而提高加速度的测量精度和测量范围。
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。
如图1至图4所示，本发明基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计包括检验质量块2、支撑梁、各向异性磁电阻传感器(anisotropic magnetoresistance，AMR)芯片3、磁源4及晶圆框体5。其中，所述晶圆框体5的内部空间为封闭的框室；所述支撑梁设置于所述框室内，且所述支撑梁的一端连接在所述框室的横框内壁上；所述磁源4设置在所述框室的竖框内壁上；所述AMR芯片3安装于所述检验质量块上，所述AMR芯片3的中心与所述磁源4的中心在同一水平线上，从而使得所述AMR芯片3的磁敏感方向与所述磁源4的磁矩方向相同，且所述检验质量块2的位移方向与磁矩方向在同一条直线上，以保证AMR芯片3只感受到单一方向的磁场。
其中，所述晶圆框体5、支撑梁为非磁性的绝缘材料或高电阻率半导体材料，检验质量块2的材料为非磁性材料；进一步地，所述晶圆框体5、支撑梁和检验质量块2是在晶圆上通过光刻蚀、离子刻蚀或化学腐蚀而成。
所述磁源4在检验质量块2所在区域产生梯度磁场，当加速度计载体产生线加速度时，检验质量块2将受到惯性力的作用而在梯度磁场中产生位移，所述AMR芯片3的电阻值发生变化。通过AMR芯片3电阻值的变化即可求出检验质量块2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，而惯性力F与加速度a之间的关系为F＝ma(m为检验质量块的质量)。故通过AMR芯片3的电阻值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。
进一步地，所述支撑梁沿磁源4的磁矩方向的厚度小于垂直于磁矩方向的厚度，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2所示的x方向)；磁源4的中心与AMR芯片3的中心保持在同一水平线上(图2中磁源4的中心与AMR芯片3的y坐标相同)，且磁源4的磁矩方向与AMR芯片3的磁敏感方向相同，且检验质量块2的位移方向与磁矩方向在同一条直线上，以保证AMR芯片3只感受到x方向的磁场，并在检验质量块2发生位移时，能感受到最大的磁场变化量。
可选的，所述支撑梁为微悬臂梁1(如图1所示)，所述微悬臂梁1包括固定端和可移动端，所述微悬臂梁1的固定端固定连接在在所述横框内壁上，所述微悬臂梁1的可移动端与所述检验质量块2连接。
此外，所述支撑梁还可为简支梁1＇(如图4所示)，所述检验质量块2连接于简支梁1＇的中部，所述简支梁1＇的两端分别连接在所述横框内壁上。进一步地，所述简支梁1＇的竖直中心线重合。
在本实施例中，所述磁源4可为微型永磁体或微型通电线圈。进一步地，所述微型永磁体可为通过镀膜方法制备永磁体薄膜，再磁化所述永磁体薄膜制得；或者通过机械加工的手段，直接制作微型尺寸的永磁体，置于框室的竖框内壁上。
本发明基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计可在太空及地面两种环境中分别使用，应用范围比较广。
下面以在太空环境中加速度的测量为例，具体说明本发明基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计的测量精度和测量范围(其中，以所述支撑梁为微悬臂梁，磁源为微型永磁体为例)：
在太空环境中，本发明基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计中的检验质量块不会受到重力作用，当本发明单轴MEMS加速度计的载体在如图2所示的x方向产生的加速度a时，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方向即微型永磁体的磁矩方向产生一个位移Δx2。
根据微悬臂梁的受力公式有：
其中，Δx1为微悬臂梁端头的位移量，E为微悬臂梁的弹性模量，L1、T分别为悬臂梁的长度和厚度，W为悬臂梁的宽度，如图2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)：
代入公式(2)，有
将公式(3)代入公式(1)，则载体的加速度为：
在实际工艺中，微型永磁体的尺寸远小于AMR芯片与微型永磁体之间距离，故微型永磁体可等效为一磁偶极子。当检验质量块未产生位移时，微型永磁体在AMR芯片区域产生的磁感应强度的大小为：
其中，M为微型永磁体的磁矩大小，是一个可测值，x为未产生位移时AMR芯片中心到微型永磁体的距离，μ0为真空介电常数。
当检验质量块在x方向产生位移Δx2时，所对应的磁场变化量(即梯度磁场变化量)为：
梯度磁场变化量ΔBx可通过AMR芯片的电阻变化来进行测量，即
其中，ΔR为AMR芯片的电阻变化量，dR/dB为AMR芯片的磁场灵敏度。将公式(7)代入公式(6)，检验质量块产生的位移为：
将公式(8)代入前面的公式(4)，可得到太空中载体的加速度大小公式为：
其中，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可通过公式(5)求取，ΔR通过AMR芯片实时读取。故通过公式(9)即可实时测量出太空环境中加速度计载体的加速度。
进一步地，确定太空中加速度计的测量精度和测量范围，包括以下步骤：
(1)所能测量的检验质量块的最小位移和最大位移：
设AMR芯片的分辨率即磁场测量精度为ΔBT，根据公式(6)确定AMR芯片所能测量到的检验质量块的最小位移为：
设AMR芯片磁场工作范围的最大值为BM，根据公式(5)确定AMR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AMR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)确定太空中加速度计的测量精度
将公式(10)代入前面的公式(4)，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)确定太空中加速度计的测量范围
将公式(12)代入前面的公式(4)，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
即本发明基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS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。
下面再以在地面环境中加速度的测量为例，具体说明本发明基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计的测量精度和测量范围(其中，以所述支撑梁为微悬臂梁，磁源为微型永磁体为例)：
当本发明基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS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3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)
同样利用微悬臂梁的受力公式即公式(3)，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公式(17)中的第一项，即与太空中加速度计的测量精度公式(13)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公式(15)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。
此外，由于地磁场和杂散场将对加速度计造成影响，可在封装好的MEMS加速度计外，再用高磁导率材料，如坡莫合金，包覆一层，可有效屏蔽地磁场和杂散磁场的干扰信号，进一步提高测量的精度。
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 (9)

1.一种基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述单轴MEMS加速度计包括：
晶圆框体，所述晶圆框体的内部空间为封闭的框室；
支撑梁，所述支撑梁设置于所述框室内，且所述支撑梁的一端连接在所述框室的横框内壁上；
检验质量块，所述检验质量块设置在所述支撑梁的另一端；
磁源，所述磁源设置在所述框室的竖框内壁上；
各向异性磁电阻传感器芯片，所述各向异性磁电阻传感器芯片安装于所述检验质量块上，所述各向异性磁电阻传感器芯片的中心与所述磁源的中心在同一水平线上，使得所述各向异性磁电阻传感器芯片的磁敏感方向与所述磁源的磁矩方向相同，且所述检验质量块的位移方向与磁矩方向在同一条直线上，以保证各向异性磁电阻传感器芯片只感受到单一方向的磁场。
2.根据权利要求1所述的基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述支撑梁为微悬臂梁，所述微悬臂梁包括固定端和可移动端，所述固定端固定连接在所述横框内壁上，所述可移动端与所述检验质量块连接。
3.根据权利要求1所述的基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述支撑梁为简支梁，所述检验质量块连接于简支梁的中部，所述简支梁的两端分别连接在所述横框内壁上。
4.根据权利要求3所述的基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述简支梁的竖直中心线重合。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于各向异性磁电阻效应的单轴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的直线产生位移。
6.根据权利要求1所述的基于各向异性磁电阻效应的单轴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。
7.根据权利要求6所述的基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述微型永磁体为通过镀膜方法制备永磁体薄膜，再磁化所述永磁体薄膜制得。
8.根据权利要求1所述的基于各向异性磁电阻效应的单轴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8所述的基于各向异性磁电阻效应的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述晶圆框体、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而成。
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