CN109142785B - 一种基于3d打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供如了一种基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置，包括：顶部隧道磁阻传感元件结构、中部敏感部件结构、底部隧道磁阻传感元件结构，中部敏感部件结构为3D打印而成；中部结构通过3D立体支撑梁支撑在基座之上，分别位于中部结构的上下两侧，且关于中部结构上下对称布置。本发明采用3D打印代替硅微加工工艺，尺寸精确、加工便捷；敏感部件采用3D立体支撑梁，在测量上具有可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，支撑梁和质量块都使用尼龙材料进行3D打印而来，其在水平方向有较好的位移能力，同时在垂直方向有更好的抑制能力；立体支撑梁采用双层“U型”梁相反布置，能有效增强敏感部件的稳定性，提高装置的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于微惯性导航的测量仪表技术领域，涉及一种基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置。
背景技术
3D打印是一种快速成型技术，它是运用尼龙、塑料或粉末状金属等材料，通过层叠的方式逐层构造出实体的技术。不同于传统的纸墨打印机，3D打印机通常以数字模型文件为基础，通过计算机的控制，打印机将“打印材料”一层层叠加起来，最终把模型文件制作成实物。3D打印具有快捷性，制作出的实物结构尺寸精确、质量轻巧，用3D打印代替传统的MEMS硅加工工艺是微惯性器件发展的新方向之一。
隧道磁阻效应是一种突破经典力学量子效应，具体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现象。在平面型隧道结中，按经典力学，电子无法越过能量高于它自身的绝缘层，但量子力学表明，电子有几率隧穿过该势垒，且电子遂穿的几率与上下铁磁层的相对磁化方向和磁场强度相关，其在宏观上就表现为隧道结电阻阻值的变化。由于隧道结电阻对磁场变化具有很高的敏感性，故利用隧道磁阻效应制作的传感器具有高灵敏度。
近年来，国内外都对隧道磁阻式微惯性器件进行了大量研究，但能够制作成型且具有一定性能的案例还很少。利用3D打印代替硅加工技术加工出来的传感器结构，是目前高精度微惯性器件新的研究的方向之一，但目前尚无应用成功的先例。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置，具有结构稳定、加工便捷、灵敏度高、可靠性好等优点。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置，包括：顶部隧道磁阻传感元件结构、中部敏感部件结构、底部隧道磁阻传感元件结构，中部敏感部件结构为3D打印而成；中部结构通过3D立体支撑梁支撑在基座之上，分别位于中部结构的上下两侧，且关于中部结构上下对称布置；
顶部结构包括衬底、设置在衬底背面的顶部间隙调节层、设置在顶部间隙调节层上的第一隧道磁阻传感元件、第一、二敏感输出电极；顶部间隙调节层与基座连接，第一隧道磁阻传感元件布置于衬底下表面的中心位置，用于敏感中部结构中上磁片的位移带来的磁场强度变化，以将加速度信号转化为电压信号，第一隧道磁阻传感元件在上磁片的上方中心位置，用于获得“Y”轴方向较大的场强变化率；第一、二敏感输出电极分别布置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，用于输出其检测信号；
中部结构包括质量块、3D立体支撑梁、上磁片以及下磁片，上、下磁片分别布置于质量块的上、下表面，分别用于生成第一、二隧道磁阻传感元件所需的局部磁场；质量块位于中部结构的中心位置，通过3D立体支撑梁支撑在基座的左、右侧面之上；
底部结构与顶部结构一致，包括衬底、设置在衬底上的底部间隙调节层、设置在底部间隙调节层上的第二隧道磁阻传感元件、第三、四敏感输出电极，底部间隙调节层布置于衬底的正面，与基座连接；第二隧道磁阻传感元件布置于衬底上表面的中心位置，用于敏感下磁片的位移带来的磁场强度变化，第二隧道磁阻传感元件位于下磁片的中心位置的正下方，用于获得“Y”轴方向的最大测量灵敏度；第三、四敏感输出电极分别布置于第二隧道磁阻传感元件的上下两侧，用于输出其检测信号。
进一步的，顶部间隙调节层为环形，边长与衬底的边长相同，且右侧面、后侧面、左侧面和前侧面分别与衬底对应的侧面重合。
进一步的，顶部和底部间隙调节层由3D打印材料制成。
进一步的，垂直方向上第一隧道磁阻传感元件关于衬底水平方向中线上下对称，水平方向上，第一隧道磁阻传感元件关于衬底垂直方向中线左右对称。
进一步的，所述第一隧道磁阻传感元件包括顶层、自由层、隧道势垒层、铁磁层、反铁磁层和底层。
进一步的，所述3D立体支撑梁由上、下两层“U型”弹性梁组成，上、下两层梁方向相反布置，而同层的质量块两侧的“U型”梁方向也采用反向布置。
进一步的，3D立体支撑梁和质量块由3D打印材料制成。
进一步的，基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置的实现方法包括如下过程：
当有加速度信号沿水平方向输入时，质量块在弹性梁的支撑下带动上、下磁片沿“Y”轴方向发生位移；
第二、二隧道磁阻敏感元件分别位于上、下磁片的正上方、正下方，且二者方向相反布置，当磁片沿水平方向位移时，第一、二隧道磁阻敏感元件周围磁场发生相同大小改变，且在“Y”轴方向磁场变化率最大、在“Z”轴方向磁场变化率最小，从而利用隧道磁阻效应实现了水平方向的加速度敏感；
同时由于两个传感元件反向布置，其输出值会沿相反方向发生线性变化，从而实现了对加速度信号的差分检测。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明采用3D打印代替硅微加工工艺，尺寸精确、加工便捷；敏感部件采用3D立体支撑梁，在测量上具有可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。
(2)本发明中的敏感部件，包括3D立体支撑梁和质量块都使用尼龙材料进行3D打印而来，相比于2D支撑梁，其在水平方向有较好的位移能力，同时在垂直方向有更好的抑制能力；质量块的质量较小，既能敏感微弱加速度信号，也能够在“U型”梁的弹性限度内敏感较大的加速度。
(3)本发明中连接质量块与基座的3D立体支撑梁采用双层“U型”梁结构，上、下两层方向相反布置，同时同层的质量块两侧的“U型”梁方向也采用反向布置，能有效增强敏感部件的稳定性，提高装置的可靠性。
(4)本发明中两个隧道磁阻元件布置于磁片的中心位置，由于磁片的磁场强度在“Y”轴中心位置附近具有较大的变化率，而在“Z”轴中心位置附近变化率很小，因此在极大程度上降低了“Z”轴方向的干扰；同时两个隧道磁阻传感元件反向布置，形成了差分检测效应，有效抑制了共模干扰，增强了测量的准确性。
附图说明
图1为本发明提供的基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置纵向剖视图。
图2为本发明装置另一个方向的纵向剖视图。
图3为本发明装置的顶部结构仰视图。
图4为本发明装置的中部结构俯视图。
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和图2所示，本发明结构由顶部、中部、底部三部分组成：顶部和底部为隧道磁阻传感元件结构、中部为3D打印的敏感部件结构。其中，中部结构通过3D立体支撑梁(32、33)支撑在基座4之上，顶部结构和底部结构一致，分别位于中部结构的上下两侧，且关于中部结构上下对称布置。
具体来说，顶部结构由第一隧道磁阻传感元件16、第一、二敏感输出电极(23、24)、顶部间隙调节层15以及衬底14构成；中部结构由质量块20、3D立体支撑梁(32、33)、上磁片13以及下磁片8构成；底部结构由第二隧道磁阻传感元件3、第三、四敏感输出电极(21、22)、底部间隙调节层2以及衬底1构成。
如图3所示，顶部结构中，隧道磁阻传感元件结构通过顶部间隙调节层15支撑在基座4之上，其中，顶部间隙调节层15为3D打印材料制作的“环型”薄片，布置于衬底14的背面(以图1中上方为正面，下方为背面)，用于调节第一隧道磁阻传感元件16与上磁片13之间的距离，以确定最优距离，其边长与衬底的边长相同，且右侧面、后侧面、左侧面和前侧面分别与衬底14对应的侧面重合。第一隧道磁阻传感元件16布置于衬底14下表面的中心位置，用于敏感上磁片13的位移带来的磁场强度变化，以将加速度信号转化为电压信号；同时，第一隧道磁阻传感元件16呈矩形布置于衬底14的中心位置，且在上磁片13的上方中心位置，以获得“Y”轴方向较大的场强变化率，因此加速度计将在“Y”轴方向具有最大的测量灵敏度，同时也能抑制“Z轴”方向的场强变化率。从垂直方向，第一隧道磁阻传感元件16关于衬底14水平方向中线上下对称，从水平方向，第一隧道磁阻传感元件16关于衬底14垂直方向中线左右对称；第一、二敏感输出电极(23、24)呈长矩形分别布置于第一隧道磁阻传感器16的上下两侧，且关于衬底14的水平方向中线上下对称分布，用于输出其检测信号；第一、二敏感输出电极(23、24)分别与第一隧道磁阻传感元件16的上下输出端引线相连，用于输出电压信号。第一隧道磁阻传感元件16其内部由对称的“弓型”结构串联而成，具体为一个纳米六层膜结构，其中包括顶层30、自由层29、隧道势垒层28、铁磁层27、反铁磁层26和底层25。
如图4所示，中部结构中，中部3D打印的敏感部件结构通过3D立体支撑梁(33、32)支撑在基座4的左、右侧面之上；质量块20位于中部结构的中心位置，3D立体支撑梁32通过质量块20右侧面连接至基座的右侧面，3D立体支撑梁33通过质量块20左侧面连接至基座的左侧面。3D立体支撑梁(33、32)由上、下两层“U型”弹性梁(9、10、11、12)组成，上、下两层梁方向相反布置，同时同层的质量块两侧的“U型”梁方向也采用反向布置，以增强敏感部件的可靠性与稳定性，具体的说，“U型”梁(9、10)与“U型”梁(11、12)方向相反布置，同时，梁(10、11)与梁(10、12)的方向也是相反，以增加质量块20位移的平衡性。上梁(10、11)的上表面与质量块20的上表面重合，下梁(9、12)下表面与质量块20的下表面重合；“U型”梁(9、11)的输入端的上侧面与质量块20的后侧面重合，“U型”梁(10、12)的输入端的下侧面与质量块20的前侧面重合。上、下磁片(13、8)分别布置于质量块20的上、下表面，分别用于生成第一、二隧道磁阻传感元件(16、3)所需的局部磁场(17、7)；上磁片13四个边与质量块20上表面的四个边平行，且布置于其中心位置。由于用尼龙材料打印的3D立体支撑梁(33、32)具有很好的弹性，相比于2D梁，其在水平方向有较强的位移能力，在垂直方向有较强的抑制效果，且尼龙材料的质量块20质量很小，当有水平方向加速度信号31输入时，由于惯性力作用，质量块20在“U型”梁(9、10、11、12)的弹性限度内沿水平方向发生位移，从而带动上、下磁片(13、8)产生位移，实现从加速度31到磁场(17、7)变化的转换。
底部结构与顶部结构相同，底部隧道磁阻传感元件结构通过底部间隙调节层2支撑在基座4之上，其中，底部间隙调节层2与顶部间隙调节层15为相同的3D打印材料制作的薄片，布置于衬底1的正面，用于调节第二隧道磁阻传感元件3与下磁片8之间的距离，以确定最优距离；第二隧道磁阻传感元件3布置于衬底1上表面的中心位置，用于敏感下磁片8的位移带来的磁场强度变化；同时，第二隧道磁阻传感元件3位于下磁片8的中心位置的正下方，以获得“Y”轴方向的最大测量灵敏度，原理与上述相同；第一、二隧道磁阻元件(16、3)方向相反布置，当磁片(13、8)沿水平方向发生位移时，由于磁片磁场的关于其垂直方向中线左右对称分布，两个传感器周围的磁场强度会发生同向变化，故输出值会反向线性偏离初始值，从而形成差分检测效应；第三、四敏感输出电极(21、22)分别布置于第二隧道磁阻传感元件3的上下两侧，用于输出其检测信号。
本发明中，质量块20通过3D立体支撑梁(33、32)与基座4左右两侧相连，质量块20两侧的3D立体支撑梁(32、33)都采用双层“U型”弹性梁(9、10、11、12)结构，上下两层“U型”梁方向相反布置，且同层两侧的两个梁也采用反向布置，当有加速度信号沿水平方向(31)输入时，质量块20在弹性梁(9、10、11、12)的支撑下带动上、下磁片(13、8)沿“Y”轴方向发生位移；第一、二隧道磁阻敏感元件(16、3)分别位于上、下磁片(13、8)的正上方、正下方，且二者方向相反布置，当磁片(13、8)沿水平方向位移时，第一、二隧道磁阻敏感元件(16、3)周围磁场(17、7)发生相同大小改变，且在“Y”轴方向磁场变化率最大、在“Z”轴方向磁场变化率最小，从而利用隧道磁阻效应实现了水平方向的加速度敏感；同时由于两个传感元件反向布置，其输出值会沿相反方向发生线性变化，从而实现了对加速度信号的差分检测。
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3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置，其特征在于，包括：顶部隧道磁阻传感元件结构、中部敏感部件结构、底部隧道磁阻传感元件结构，中部敏感部件结构为3D打印而成；中部敏感部件结构通过两根3D立体支撑梁支撑在基座之上，顶部隧道磁阻传感元件结构和底部隧道磁阻传感元件结构分别位于中部敏感部件结构的上下两侧，且关于中部敏感部件结构上下对称布置，基座连接在顶部隧道磁阻传感元件结构和底部隧道磁阻传感元件结构之间；
顶部隧道磁阻传感元件结构包括第一衬底、设置在第一衬底背面的顶部间隙调节层、设置在顶部间隙调节层上的第一隧道磁阻传感元件、第一、二敏感输出电极；顶部间隙调节层与基座连接，第一隧道磁阻传感元件布置于第一衬底下表面的中心位置，用于敏感中部敏感部件结构中上磁片的位移带来的磁场强度变化，以将加速度信号转化为电压信号，第一隧道磁阻传感元件在上磁片的上方中心位置，用于获得Y轴方向较大的场强变化率；第一、二敏感输出电极分别布置于第一隧道磁阻传感元件的两侧，且关于第一衬底的Y轴方向中线对称分布，用于输出其检测信号；
中部敏感部件结构包括质量块、3D立体支撑梁、上磁片以及下磁片，上、下磁片分别布置于质量块的上、下表面，分别用于生成第一、二隧道磁阻传感元件所需的局部磁场；质量块位于中部敏感部件结构的中心位置，通过一根3D立体支撑梁与基座的左侧面相连，通过另一根3D立体支撑梁与基座的右侧面相连；
底部隧道磁阻传感元件结构与顶部隧道磁阻传感元件结构一致，包括第二衬底、设置在第二衬底上的底部间隙调节层、设置在底部间隙调节层上的第二隧道磁阻传感元件、第三、四敏感输出电极，底部间隙调节层布置于第二衬底的正面，与基座连接；第二隧道磁阻传感元件布置于第二衬底上表面的中心位置，用于敏感下磁片的位移带来的磁场强度变化，第二隧道磁阻传感元件位于下磁片的中心位置的正下方，用于获得Y轴方向的最大测量灵敏度；第三、四敏感输出电极分别布置于第二隧道磁阻传感元件的两侧，且关于第二衬底的Y轴方向中线对称分布，用于输出其检测信号。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置，其特征在于，顶部间隙调节层为环形，边长与第一 衬底的边长相同，且右侧面、后侧面、左侧面和前侧面分别与第一 衬底对应的侧面重合。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置，其特征在于，顶部和底部间隙调节层由3D打印材料制成。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置，其特征在于，第一隧道磁阻传感元件关于第一衬底Y轴方向中线对称，第一隧道磁阻传感元件关于第一衬底X轴方向中线对称。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置，其特征在于，所述第一隧道磁阻传感元件包括顶层、自由层、隧道势垒层、铁磁层、反铁磁层和底层。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置，其特征在于，所述3D立体支撑梁由上、下两层“U型”弹性梁组成，上、下两层“U型”弹性梁方向相反布置，而同层的质量块两侧的“U型”弹性梁方向也采用反向布置。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置，其特征在于，所述3D立体支撑梁和质量块由3D打印材料制成。
8.根据权利要求6所述的基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置，其特征在于，基于3D打印的水平轴敏感的隧道磁阻加速度计装置的实现方法包括如下过程：
当有加速度信号沿水平方向输入时，质量块在“U型”弹性梁的支撑下带动上、下磁片沿Y轴方向发生位移；
第一、二隧道磁阻传感元件分别位于上、下磁片的正上方、正下方，且二者方向相反布置，当上、下磁片沿水平方向位移时，第一、二隧道磁阻传感元件周围磁场发生相同大小改变，且在Y轴方向磁场变化率最大、在Z轴方向磁场变化率最小，从而利用隧道磁阻效应实现了水平方向的加速度敏感；
同时由于第一、二隧道磁阻传感元件反向布置，其输出值会沿相反方向发生线性变化，从而实现了对加速度信号的差分检测。
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