CN106771360B - 一种单轴mems加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单轴MEMS加速度计。该加速度计包括磁场源，用于产生梯度磁场，磁场源的位置固定；隧道磁电阻芯片，为具有隧道磁电阻传感器的芯片，隧道磁电阻芯片用于感知磁场大小和方向的变化；隧道磁电阻芯片的数量为两个，分别位于所述磁场源的两侧，隧道磁电阻芯片与磁场源位于同一直线上，隧道磁电阻芯片的磁敏感方向与磁场源的磁矩方向位于同一直线上，且隧道磁电阻芯片关于所述磁场源对称，隧道磁电阻芯片在加速度的作用下能够沿所述直线在同一方向上移动。本发明提供的加速度计与现有技术中的加速度测量仪器相比，提高了加速度的测量精度，扩大了加速度的测量范围。

Description

一种单轴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。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。可见，加速度计的应用场合需要加速度计具有极高的精度，然而，在现有技术中，加速度计的精度还有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种精度高、测量范围大、体积小的单轴MEMS加速度计。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种单轴MEMS加速度计，所述加速度计包括：
磁场源，磁场源由微型永磁体构成，其尺寸应远小于永磁体到隧道磁电阻芯片之间的距离。所述磁场源用于产生梯度磁场，所述磁场源的位置固定；
隧道磁电阻芯片，所述隧道磁电阻芯片为具有隧道磁电阻传感器的芯片，所述隧道磁电阻芯片用于感知磁场大小和方向的变化；
所述隧道磁电阻芯片的数量为两个，分别位于所述磁场源的两侧，所述芯片与所述磁场源位于同一直线上，所述芯片的磁敏感方向与所述磁场源的磁矩方向位于同一直线上，且所述隧道磁电阻芯片关于所述磁场源对称，所述隧道磁电阻芯片在加速度的作用下能够沿所述直线在同一方向上移动。
可选的，所述加速度计还包括：
检验质量块，所述隧道磁电阻芯片安装于所述检验质量块上；
悬臂轴，所述悬臂轴用于支撑所述检验质量块；
晶圆外框，所述晶圆外框包括横梁与竖梁，所述横梁与所述竖梁垂直连接，所述晶圆外框关于所述竖梁对称。
所述悬臂轴与所述横梁垂直连接，所述悬臂轴的数量为偶数个，所述检验质量块和所述隧道磁电阻芯片的数量均为两个，且所述悬臂轴、所述检验质量块和所述隧道磁电阻芯片均关于所述竖梁对称分布，所述磁场源位于所述竖梁上，所述悬臂轴沿所述磁场源的磁矩方向的厚度小于所述悬臂轴垂直于所述磁矩方向的厚度，使得所述悬臂轴所支撑的所述检验质量块能够沿磁矩方向所在直线上摆动。
可选的，所述悬臂轴的数量为两个，包括第一悬臂轴和第二悬臂轴，所述悬臂轴的一端与所述检验质量块相连接，所述悬臂轴的另一端与所述横梁连接。
可选的，所述横梁包括两个相互平行的第一横梁与第二横梁，所述悬臂轴的数量为四个，分别为第三悬臂轴、第四悬臂轴、第五悬臂轴和第六悬臂轴，所述第三悬臂轴一端与所述第一横梁垂直连接，另一端与所述检验质量块的第一端相连接，所述第四悬臂轴一端与所述第二横梁垂直连接，另一端与所述检验质量块的第二端相连接，所述第三悬臂轴轴线和第四悬臂轴的轴线重合，所述第五悬臂轴与所述第三悬臂轴关于所述竖梁对称，所述第六悬臂轴与所述第四悬臂轴关于所述竖梁对称。
可选的，所述磁场源为微型永磁体或者微型通电线圈。
可选的，所述检验质量块关于所述悬臂轴的轴线对称，所述隧道磁电阻芯片位于所述验质量块上，且位于所述悬臂轴的轴线上。
可选的，所述加速度计外层包覆有高磁超导材料。
可选的，所述晶圆外框为高阻绝缘材料或半导体材料。
可选的，所述晶圆外框、所述悬臂梁和所述检验质量块是在晶圆上通过光刻、离子刻蚀或化学腐蚀获得的。
可选的，所述加速度计采用微电子加工工艺进行封装。
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：本发明采用对磁场变化敏感的隧道磁电阻芯片元件与磁场相配合的方式，隧道磁电阻芯片元件在加速度的作用下，能够在磁场中移动，通过感知磁场的变化获得加速度的大小，与现有技术中的加速度测量仪器相比，提高了加速度的测量精度，扩大了加速度的测量范围。
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为本发明实施例悬臂梁式加速度计的结构示意图；
图2为本发明实施例简支梁式加速度计的结构示意图；
图3为本发明实施例悬臂梁式加速度计的微悬臂梁结构尺寸示意图；
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、测量范围广、线性度好的单轴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。
本发明提供的单轴MEMS加速度计包括：磁场源，所述磁场源用于产生梯度磁场，所述磁场源的位置固定，磁场源由微型永磁体构成，其尺寸应远小于永磁体到隧道磁电阻芯片之间的距离；隧道磁电阻芯片，所述隧道磁电阻芯片为具有隧道磁电阻传感器的芯片，所述隧道磁电阻芯片用于感知磁场大小和方向的变化；图1为本发明实施例单轴MEMS加速度计的结构示意图，如图1所示，所述隧道磁电阻芯片的数量为两个，分别位于所述磁场源的两侧，所述芯片与所述磁场源位于同一直线上，所述芯片的磁敏感方向与所述磁场源的磁矩方向位于同一直线上，且所述隧道磁电阻芯片关于所述磁场源对称，所述隧道磁电阻芯片在加速度的作用下能够沿所述直线在同一方向上移动。
作为一种优选的方案，所述加速度计还包括：
检验质量块102、102’，所述隧道磁电阻芯片103、103’分别安装于所述检验质量块102、102’上；
悬臂轴101、101’，所述悬臂轴101、101’分别用于支撑所述检验质量块102、102’；
晶圆外框，所述晶圆外框包括横梁105与竖梁106，所述横梁105与所述竖梁106垂直连接，所述晶圆外框关于所述竖梁106对称。
所述悬臂轴101、101’与所述横梁105垂直连接，所述悬臂轴的数量可以为偶数个，所述检验质量块和所述隧道磁电阻芯片的数量均为两个，且所述悬臂轴关于所述竖梁106对称，所述检验质量块102与所述检验质量块102’关于所述竖梁106对称，所述隧道磁电阻芯片103与所述隧道磁电阻芯片103’关于所述竖梁106对称分布，所述磁场源104位于所述竖梁106上，所述悬臂轴沿所述磁场源的磁矩方向的厚度T远小于所述悬臂轴垂直于所述磁矩方向的厚度，使得悬臂轴在加速度的作用下，沿磁矩方向摆动，进而，带动悬臂轴所支撑的所述检验质量块102、102’能够沿磁矩方向所在直线上摆动。
作为一种优选的方案，所述悬臂轴的数量为两个，包括第一悬臂轴101和第二悬臂轴101’，所述悬臂轴的一端与所述检验质量块相连接，所述悬臂轴的另一端与所述横梁连接。
作为另一种优选的方案，图2为本发明实施例简支梁式加速度计结构示意图，如图2所示，所述横梁包括两个相互平行的第一横梁205与第二横梁208，所述悬臂轴的数量为四个，分别为第三悬臂轴201、第四悬臂轴204、第五悬臂轴201’和第六悬臂轴204’，所述第三悬臂轴201一端与所述第一横梁205垂直连接，另一端与所述检验质量块203的第一端相连接，所述第四悬臂轴204一端与所述第二横梁208垂直连接，另一端与所述检验质量块203的第二端相连接，所述第三悬臂轴201轴线和第四悬臂轴204的轴线重合，所述第五悬臂轴201’与所述第三悬臂轴201关于所述竖梁207对称，所述第六悬臂轴204’与所述第四悬臂轴204关于所述竖梁207对称。
所述磁场源206位于所述竖梁207上。所述检验质量块202、202’本身分别关于其所连接的悬臂轴的轴线对称。所述隧道磁电阻芯片203、203’分别位于所述验质量块202和202’上，且位于所述悬臂轴的轴线上。
磁场源可以为微型永磁体或者微型通电线圈。
所述检验质量块本身关于所述悬臂轴的轴线对称，所述隧道磁电阻芯片位于所述验质量块上，且位于所述悬臂轴的轴线上。
在封装好的MEMS加速度计外包覆有高磁超导材料，避免了地磁场和杂散场对加速度计造成的影响，高磁导率材料可以为坡莫合金，包覆一层，起到屏蔽地磁场和杂散磁场的作用。
所述晶圆外框可以为高阻绝缘材料或半导体材料。所述晶圆外框、所述悬臂梁和所述检验质量块是在晶圆上通过光刻、离子刻蚀或化学腐蚀获得的。所述加速度计采用微电子加工工艺进行封装。
隧道磁电阻芯片是通过半导体工艺集成在检验质量块上面；悬臂梁及检验质量块是在高阻绝缘材料或半导体材料的晶圆上通过光刻、离子刻蚀或化学腐蚀等半导体微加工工艺手段获得；微型永磁体可通过镀膜制备永磁体薄膜，而后再磁化的方法制作而得，或通过机械加工的手段，直接制作微型尺寸的永磁体，置于晶圆外框的中间边框里。
加速度计中微悬臂梁的厚度T(悬臂轴沿磁矩方向的厚度)要远小于它的宽度W(悬臂轴沿垂直于磁矩方向的厚度)，以确保微悬臂梁只能在垂直于微悬臂梁轴向的方向获得受力并发生形变(图1、2中的x方向)，微型永磁体中心与隧道磁电阻芯片中心保持在同一水平线上(图1、2中磁场源中心与两个隧道磁电阻芯片中心的y坐标相同)，且微型永磁体磁矩方向、隧道磁电阻芯片磁敏感方向以及检验质量块位移方向应在同一条直线上(图1图2中x方向)，以保证在隧道磁电阻芯片只感受到x方向的磁场，并在检验质量块发生位移时，能感受到最大的磁场变化量。
需要说明的是，产生梯度磁场的微型永磁体也可用微小通电线圈来替代。
本发明提供的加速度计可用于太空环境和地面环境中加速度的测量，下面对本发明提供的加速度计的使用原理进行介绍。
1、太空中微悬臂梁的受力
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(图3为本发明实施例悬臂梁式加速度计的微悬臂梁结构尺寸示意图)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
式中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3所示。Δx1与检验质量的位移量Δx2有如下关系式(在位移量小时)
式中L2为检验质量块的长度，将上式代入(2)式，有
将(3)式代入(1)式，则载体的加速度为
用差分原理对检验质量块位移的测量，在实际工艺中，微型永磁体尺寸远小于TMR芯片(隧道磁电阻芯片)与小磁体之间距离，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TMR芯片区域产生的磁感应强度的大小为
式中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TMR芯片中心到微型永磁体中心的距离，μ0为真空介电常数。
当图1中左侧检验质量块102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，故右侧检验质量块102’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2′所对应的磁场变化即梯度磁场变化量为
左侧检验质量块102的梯度磁场变化量ΔBx可通过其上的TMR芯片103的电阻变化来进行测量，即
式中ΔR为TMR芯片103的电阻变化量，dR/dB为TMR芯片103的磁场灵敏度。
同样，右侧检验质量块102’的梯度磁场变化量ΔBx′可通过其上的TMR芯片103’的电阻变化来进行测量。由于两个TMR芯片103、103’完全相同，故磁场灵敏度相同，即
式中ΔR′为TMR芯片103’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。
2、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TMR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。
3、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TMR芯片的分辨率即磁场测量精度为ΔBT，由(6)式，TMR芯片所能测量到的检验质量块的最小位移为
设TMR芯片磁场工作范围的最大值为BM，由(5)式，则TMR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TMR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＝0.1nT。
则有
即在太空中加速度计可实现10－8g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＝0.1nT，则有
即加速度计的最大测量范围与测量精度可相差5～6个数量级。
4、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，图4为地面上检验质量块受力示意图，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(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10－4g量级，测量范围0～100g。
本发明研究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10－8g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10-4g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5～6个数量级，整个MEMS器件尺寸只有几个毫米大小。采用该方法，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，下面对本发明提供的加速度计的性能进行具体验证。对于图1所示的结构，假设微型永磁体磁矩M＝10-7Am2，磁矩中心到两个TMR芯片中心的距离x＝1mm＝10- 3m；选用的TMR芯片为江苏多维科技有限公司研制的TMR9002线性传感器芯片，分辨率ΔBT＝0.15nT，磁场工作范围为0～10-4T，即BM＝10-4T；微悬臂梁的长度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＝1.64×105×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＝1.64×105×amin＝8.54×102m/s2
可见，本发明研制的加速度计具有测量范围宽，测量精度高的特点。
本发明采用对磁场变化敏感的隧道磁电阻芯片元件与磁场相配合的方式，隧道磁电阻芯片元件在加速度的作用下，能够在磁场中移动，通过感知磁场的变化获得加速度的大小，与现有技术中的加速度测量仪器相比，提高了加速度的测量精度，扩大了加速度的测量范围。
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)

1.一种单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述加速度计包括：
磁场源，所述磁场源用于产生梯度磁场，所述磁场源的位置固定；
隧道磁电阻芯片，所述隧道磁电阻芯片为具有隧道磁电阻传感器的芯片，所述隧道磁电阻芯片用于感知磁场大小和方向的变化；
所述隧道磁电阻芯片的数量为两个，分别位于所述磁场源的两侧，所述芯片与所述磁场源位于同一直线上，且所述隧道磁电阻芯片关于所述磁场源对称，所述隧道磁电阻芯片在加速度的作用下能够沿所述直线在同一方向上移动，所述芯片的磁敏感方向与所述磁场源的磁矩方向位于同一直线上，所述磁场源的尺寸小于所述磁场源与所述隧道式电阻芯片之间的距离。
2.根据权利要求1所述的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述加速度计还包括：
检验质量块，所述隧道磁电阻芯片安装于所述检验质量块上；
悬臂轴，所述悬臂轴用于支撑所述检验质量块；
晶圆外框，所述晶圆外框包括横梁与竖梁，所述横梁与所述竖梁垂直连接，所述晶圆外框关于所述竖梁对称；
所述悬臂轴与所述横梁垂直连接，所述悬臂轴的数量为偶数个，所述检验质量块和所述隧道磁电阻芯片的数量均为两个，且所述悬臂轴、所述检验质量块和所述隧道磁电阻芯片均关于所述竖梁对称分布，所述磁场源位于所述竖梁上，所述悬臂轴沿所述磁场源的磁矩方向的厚度小于所述悬臂轴垂直于所述磁矩方向的厚度，使得所述悬臂轴所支撑的所述检验质量块能够沿磁矩方向所在直线上摆动。
3.根据权利要求2所述的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述悬臂轴的数量为两个，包括第一悬臂轴和第二悬臂轴，所述悬臂轴的一端与所述检验质量块相连接，所述悬臂轴的另一端与所述横梁连接。
4.根据权利要求2所述的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述横梁包括两个相互平行的第一横梁与第二横梁，所述悬臂轴的数量为四个，分别为第三悬臂轴、第四悬臂轴、第五悬臂轴和第六悬臂轴，所述第三悬臂轴一端与所述第一横梁垂直连接，另一端与所述检验质量块的第一端相连接，所述第四悬臂轴一端与所述第二横梁垂直连接，另一端与所述检验质量块的第二端相连接，所述第三悬臂轴轴线和第四悬臂轴的轴线重合，所述第五悬臂轴与所述第三悬臂轴关于所述竖梁对称，所述第六悬臂轴与所述第四悬臂轴关于所述竖梁对称。
5.根据权利要求1所述的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述磁场源为微型永磁体或者微型通电线圈。
6.根据权利要求2所述的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述检验质量块关于所述悬臂轴的轴线对称，所述隧道磁电阻芯片位于所述验质量块上，且位于所述悬臂轴的轴线上。
7.根据权利要求1所述的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述加速度计外层包覆有高磁超导材料。
8.根据权利要求2所述的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述晶圆外框为高阻绝缘材料或半导体材料。
9.根据权利要求2所述的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述晶圆外框、所述悬臂梁和所述检验质量块是在晶圆上通过光刻、离子刻蚀或化学腐蚀获得的。
10.根据权利要求1所述的单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述加速度计采用微电子加工工艺进行封装。
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