CN109142784A - 一种基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻加速度计装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，包括上层隧道磁阻传感元件结构、中层硅微传感器结构、下层布有电极引线的玻璃衬底结构；上层结构和中层结构分别通过两组锚点键合在下层结构上。本发明结合了MEMS技术与量子力学中的隧道磁阻效应，结构合理简单、易于加工、体积小、测量精度高、灵敏度高；利用磁场强度改变实现隧道磁阻效应，通过磁片位移使隧道磁阻元件周围磁场强度变化，线性度好、性能优；采用杠杆机构连接质量块与外部框架，当有加速度信号输入时，质量块与外部框架形成差动；两个隧道磁阻敏感元件反向对称布置，输出值反向偏离初始值，实现差分检测，有效抑制干扰引起的共模误差、增强装置可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)和微惯性导航的测量仪表技术领域，涉及一种基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置。
背景技术
隧道磁阻效应是一种与电子自旋极化输运过程相关的量子现象。量子力学的隧道效应就是指电子等微观粒子能够穿入或穿越高度大于其总能量的位势垒的行为。隧道磁阻效应广泛存在于由铁磁性薄膜和中间绝缘层构成的平面磁隧道结中，其中间绝缘层的作用就是提供一个势垒并隔开铁磁层。电子隧穿过该绝缘层的几率与上下铁磁层的相对磁化方向和磁场强度相关，即磁化方向和磁场强度影响隧穿电流的大小，在其他条件不变的情况下，其表现为隧道结电阻阻值的变化，故称为隧道磁阻效应。隧穿电流对磁场变化的高灵敏性，决定了隧道磁阻对磁场变化具有极高的电阻灵敏度。
隧道磁阻式加速度计主要是利用加速度信号致使产生磁场的磁片发生位移，进而使得平面磁隧道结中两层铁磁性薄膜磁场强度发生变化，于是测得隧道磁阻的变化便可得出输入加速度的大小。由于隧道磁阻效应对磁场变化具有很高的灵敏度，加速度值的测量也会变得更加精确。随着加速度计应用领域的日益广泛，对精度的要求也越来越高，但目前的加速度计精度尚显不足，无法满足当前需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻加速度计装置，能够实现差分检测，并具有精度高、线性度好、抗共模误差能力强等优点。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，包括上层隧道磁阻传感元件结构、中层硅微传感器结构、下层布有电极引线的玻璃衬底结构；上层结构和中层结构分别通过第一组锚点和第二组锚点键合在下层结构上；
其中，上层结构包括衬底、设置在衬底背面的绝缘层、布置在绝缘层上的第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第一、二、三、四敏感输出电极，第一、二隧道磁阻传感器位于衬底水平方向中线上，关于衬底垂直方向中线左右对称布置，第一、二敏感输出电极分别位于第一隧道磁阻传感器的上下两侧，且关于衬底的水平方向中线上下对称分布，它们与第一隧道磁阻传感器连接，用于输出第一隧道磁阻传感器的检测信号，第三、四敏感输出电极分别位于第二隧道磁阻传感器的上下两侧，且关于衬底的水平方向中线上下对称分布，它们与第二隧道磁阻传感器连接，用于输出第二隧道磁阻传感器的检测信号；
中层结构包括位于中心位置的质量块、位于质量块中心位置的磁片、质量块外部框架以及连接在质量块与质量块外部框架之间的四根“Z形”杠杆机构，四根杠杆机构的输入端分别连接至质量块和外部框架，支点连接至第二组锚点；
下层结构包括衬底以及设置在衬底上的第一力反馈电极、第二力反馈电极、信号引线以及若干金属电极，第一力反馈电极位于衬底表面中心位置，且位于质量块的正下方；第一力反馈电极通过电极引线引出，第二力反馈电极呈分布于第一敏感反馈电极和第二组锚点之间，且位于外部框架的正下方，并通过电极引线引出，分别位于外部框架左上侧位置和右下侧位置；第二组锚点中有两个锚点通过电极引线引出。
进一步的，所述第一隧道磁阻传感器的中心线与磁片的右侧面重合，所述第二隧道磁阻传感器的中心线与磁片的左侧面重合。
进一步的，所述第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器结构相同，由上至下依次包括顶层、自由层、隧道势垒层、铁磁层、反铁磁层和底层。
进一步的，所述杠杆机构包括杠杆主梁、输入端横梁和支点直梁，其中杠杆主梁分别通过输入端横梁与质量块相连，通过输入端横梁与外部框架相连，通过支点直梁与第二组锚点相连。
进一步的，所述磁片为永磁体材料。
进一步的，质量块与外部框架的质量不相等。
进一步的，第一组锚点为四个，锚点上端分别位于上层衬底的右下、右上、左上、左下四个顶点处。
进一步的，基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置的实现方法包括如下过程：
当加速度信号输入时，质量块与外部框架所受惯性力大小不同，质量块和外部框架在杠杆机构的支撑下做差分运动；
磁片在其垂直方向中线左右产生对称的恒定磁场，当加速度信号沿着方向输入时，质量块带动磁片受向上的惯性力，产生向上的位移，导致磁片与第一、二隧道磁阻传感器的间距变小，从而引起第一、二隧道磁阻传感器周围磁场强度发生相同的改变，第一、二隧道磁阻传感器输出值反向变化，实现差分检测；
检测完成之后，第一、二力反馈电极根据检测输出来反馈静电力，使得质量块和外框回到平衡位置，以初始状态检测下一个加速度信号。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明结合了MEMS技术与量子力学中的隧道磁阻效应，结构合理、简单、易于加工，同时具有体积小、测量精度高、灵敏度高的优点。
(2)本发明利用磁场强度改变实现隧道磁阻效应，通过磁片的位移使隧道磁阻元件周围磁场强度变化，相对于基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计，其线性度更好、性能更优。
(3)本发明采用杠杆机构连接质量块与外部框架，当有加速度信号输入时，质量块与外部框架形成差动；同时，两个隧道磁阻敏感元件反向对称布置，输出值反向偏离初始值，实现了差分检测的方式，有效抑制了干扰引起的共模误差、增强了装置的可靠性。
(4)本发明采用力反馈的闭环结构，利用静电力将质量块和外框恢复到平衡位置，有效抑制了积分效应带来的误差，提高了装置的测量准确性。
附图说明
图1为本发明的总体结构图，其中(a)和(b)分别为两相互垂直方向的侧视图。
图2为本发明的上层结构仰视图。
图3为本发明的中层结构俯视图。
图4为本发明的下层结构俯视图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供的基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，采用三层结构：上层为隧道磁阻传感元件结构、中层为硅微传感器结构、下层为布有电极引线的玻璃衬底结构。其中上层结构和中层结构分别通过第一组锚点(2、3、4、5)和第二组锚点(11、12、13、14)键合在下层结构之上。
上层结构由第一隧道磁阻传感器24、第二隧道磁阻传感器25、第一、二敏感输出电极(35、37)、第三、四敏感输出电极(36、38)、绝缘层8以及衬底26构成。中层结构由质量块15、杠杆机构(16、17、18、19)、质量块外部框架20以及磁片21构成，下层结构由第一力反馈电极6、第二力反馈电极7、信号引线、金属电极(9、10、39、40、41、42、43、44、63)以及衬底1构成。
具体的说，如图2所示，上层结构中，第一组锚点(2、3、4、5)的上端分别位于上层衬底26的右下、右上、左上、左下四个顶点处；绝缘层8位于衬底26中心位置，布置于衬底26的背面(图1为例，以上方为正面，下方为背面，下同)，且位于第一组锚点(2、3、4、5)的内侧；绝缘层8背面布置有第一、二隧道磁阻传感器(24、25)、第一、二敏感输出电极(35、37)以及第三、四敏感输出电极(36、38)。第一、二隧道磁阻传感器24、25位于衬底26水平方向中线CD上，关于衬底26垂直方向中线AB左右对称布置，且方向相反布置。其内部结构由对称的“旋梯形”结构串联而成；第一、二敏感输出电极(35、37)呈矩形，分别位于第一隧道磁阻传感器24的上下两侧，且关于衬底26的水平方向中线CD上下对称分布；第三、四敏感输出电极(36、38)呈相同矩形，分别位于第二隧道磁阻传感器25的上下两侧，且关于衬底26的水平方向中线上下对称分布；同时，第一、三敏感输出电极(35、36)和第三、四敏感输出电极(37、38)分别关于衬底(26)垂直方向中线左右对称分布。第一、二敏感输出电极(35、37)与第一隧道磁阻传感器24连接，用于输出第一隧道磁阻传感器24的检测信号，第三、四敏感输出电极(36、38)与第二隧道磁阻传感器25连接，用于输出第二隧道磁阻传感器25的检测信号。如图1所示，第一、二隧道磁阻传感器(24、25)为一个六层结构体：由上至下依次布置有顶层32、自由层31、隧道势垒层30、铁磁层29、反铁磁层28和底层27，其中铁磁层29磁场方向34由反铁磁层31决定，自由层31磁场方向33由磁片22的磁场决定。
如图3所示，中间层结构中，质量块15通过四根“Z形”杠杆机构(16、17、18、19)分别从右侧面、后侧面、左侧面、前侧面与外框20相连。具体的说，杠杆机构(16、17、18、19)的输入端分别连接至质量块15和外部框架20，支点连接至第二组锚点(11、12、13、14)。杠杆机构(16、17、18、19)由杠杆主梁(51、52、53、54)、输入端横梁(55、56、57、58、59、60、61、62)和支点直梁(45、46、47、48)构成，其中杠杆主梁(51、52、53、54)分别通过输入端横梁(56、58、60、62)与质量块15相连，通过输入端横梁(55、57、59、61)与外部框架20相连，通过支点直梁(45、46、47、48)与第二组锚点(11、12、13、14)相连；输入端横梁(56、58、60、44)分别与质量块15右侧面、后侧面、左侧面、前侧面相连，且其侧面与质量块15的后侧面、左侧面、前侧面以及右侧面重合；输入端横梁(55、57、59、61)分别与外部框架(20)内侧的右侧面、后侧面、左侧面、前侧面相连；质量块15位于整层结构的中心位置，磁片21位于质量块(15)上表面中心位置，为永磁体材料，用于生成局部磁场，磁片21在杠杆机构(16、17、18、19)的支撑下进行差分运动，导致了第一、二隧道磁阻传感器(24、25)周围磁场强度的反向变化，为检测加速度提供了条件。
如图4所示，底层结构中，衬底1正面布置有第一力反馈电极6、第二力反馈电极7；其中第一力反馈电极6位于衬底1表面的中心位置，且位于质量块15的正下方；第一力反馈电极6通过电极引线39引出，位于外部框架20上侧偏右位置。第二力反馈电极7呈“环形”布置于第一力反馈电极(6)外侧，分布于第一敏感反馈电极6和第二组锚点(11、12、13、14)之间，且位于外部框架20的正下方，其通过电极引线(9、10)引出，分别位于外部框架(20)左上侧位置和右下侧位置；锚点(11、13)通过电极引线(40、41)引出，分别位于锚点(11、13)右上侧位置和左下侧位置；地电极(42、43)通过电极引线(44、63)引出，分别位于外框(20)的右下角和左上角的位置。
上层隧道磁阻传感元件结构通过第一组锚点(2、3、4、5)键合在下层结构衬底1之上，第一隧道磁阻传感器(24)的中心线与磁片21的右侧面重合，第二隧道磁阻传感器25的中心线与磁片21的左侧面重合；当磁场强度发生同向变化时，由于两者布置方向相反，两者的输出值会反向偏离初始值，所以形成了差分检测的效应，有效抑制了共模误差。
中层硅微传感器结构通过第二组锚点(11、12、13、14)键合在下层结构衬底1之上，其中，由于质量块15和外部框架20质量不相等，当有加速度信号输入时，根据牛顿第二定律，两者所受惯性力不等，当质量块15向上位移时，外部框架20被强制向下位移，反之亦然，所以形成了差分运动。
下层玻璃衬底结构分别通过第一组锚点(2、3、4、5)与上层结构衬底26相连接、第二组锚点(11、12、13、14)与中层杠杆的支点直梁(45、46、47、48)相连接；当检测到加速度时，质量块15与外部框架20通过杠杆的支撑反向偏离平衡位置，此时，通过外部电路向第一、二力反馈电极(6、7)施加反向偏置电压，二者将分别通过静电力将质量块15和外部框架20“拉”或者“推”至平衡位置，以初始状态敏感下个加速度信号。
质量块15通过杠杆机构(16、17、18、19)连接至外部框架20，由于质量块15与外部框架20的质量不相等，当有加速度信号23输入时，两者所受惯性力大小不同，所以质量块15和外部框架20会在杠杆机构(16、17、18、19)的支撑下做差分运动。进一步的，第一、二隧道磁阻传感器(24、25)布置在绝缘层8背面，其关于衬底26中线左右反向对称分布，同时，由于第一隧道磁阻传感器24中心线与磁片21右侧面重合，第二隧道磁阻传感器25中心线与磁片21左侧面重合；磁片21在其垂直方向中线左右产生对称的恒定磁场，当加速度信号沿着方向23输入时，质量块15带动磁片21受向上的惯性力22，产生向上的位移，导致磁片21与第一、二隧道磁阻传感器(24、25)的间距变小，从而引起第一、二隧道磁阻传感器(24、25)周围磁场强度发生相同的改变，由于两者反向布置，故输出值也会反向变化，从而实现了差分检测。进一步的，检测完成之后，第一、二力反馈电极(6、7)根据检测输出来反馈静电力，使得质量块15和外框20回到平衡位置，以初始状态检测下一个加速度信号。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，其特征在于：包括上层隧道磁阻传感元件结构、中层硅微传感器结构、下层布有电极引线的玻璃衬底结构；上层结构和中层结构分别通过第一组锚点和第二组锚点键合在下层结构上；
其中，上层结构包括衬底、设置在衬底背面的绝缘层、布置在绝缘层上的第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第一、二、三、四敏感输出电极，第一、二隧道磁阻传感器位于衬底水平方向中线上，关于衬底垂直方向中线左右对称布置，第一、二敏感输出电极分别位于第一隧道磁阻传感器的上下两侧，且关于衬底的水平方向中线上下对称分布，它们与第一隧道磁阻传感器连接，用于输出第一隧道磁阻传感器的检测信号，第三、四敏感输出电极分别位于第二隧道磁阻传感器的上下两侧，且关于衬底的水平方向中线上下对称分布，它们与第二隧道磁阻传感器连接，用于输出第二隧道磁阻传感器的检测信号；上层结构通过第一组锚点键合在下层结构衬底之上；
中层结构包括位于中心位置的质量块、位于质量块中心位置的磁片、质量块外部框架以及连接在质量块与质量块外部框架之间的四根“Z形”杠杆机构，四根杠杆机构的输入端分别连接至质量块和外部框架，支点连接至第二组锚点；
下层结构包括衬底以及设置在衬底上的第一力反馈电极、第二力反馈电极、信号引线以及若干金属电极，第一力反馈电极位于衬底表面中心位置，且位于质量块的正下方；第一力反馈电极通过电极引线引出，第二力反馈电极呈分布于第一敏感反馈电极和第二组锚点之间，且位于外部框架的正下方，并通过电极引线引出，分别位于外部框架左上侧位置和右下侧位置；第二组锚点有两个锚点通过电极引线引出。
2.根据权利要求1所述的基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，其特征在于：所述第一隧道磁阻传感器的中心线与磁片的右侧面重合，所述第二隧道磁阻传感器的中心线与磁片的左侧面重合。
3.根据权利要求1所述的基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，其特征在于：所述第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器结构相同，由上至下依次包括顶层、自由层、隧道势垒层、铁磁层、反铁磁层和底层。
4.根据权利要求1所述的基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，其特征在于：所述杠杆机构包括杠杆主梁、输入端横梁和支点直梁，其中杠杆主梁分别通过输入端横梁与质量块相连，通过输入端横梁与外部框架相连，通过支点直梁与第二组锚点相连。
5.根据权利要求1所述的基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，其特征在于：所述磁片为永磁体材料。
6.根据权利要求1所述的基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，其特征在于：质量块与外部框架的质量不相等。
7.根据权利要求1所述的基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，其特征在于：第一组锚点为四个，锚点上端分别位于上层衬底的右下、右上、左上、左下四个顶点处。
8.根据权利要求1所述的基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，其特征在于：基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置的实现方法包括如下过程：
当加速度信号输入时，质量块与外部框架所受惯性力大小不同，质量块和外部框架在杠杆机构的支撑下做差分运动；
磁片在其垂直方向中线左右产生对称的恒定磁场，当加速度信号沿着方向输入时，质量块带动磁片受向上的惯性力，产生向上的位移，导致磁片与第一、二隧道磁阻传感器的间距变小，从而引起第一、二隧道磁阻传感器周围磁场强度发生相同的改变，第一、二隧道磁阻传感器输出值反向变化，实现差分检测；
检测完成之后，第一、二力反馈电极根据检测输出来反馈静电力，使得质量块和外框回到平衡位置，以初始状态检测下一个加速度信号。
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