CN109557337B - 一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统，包括：外框、悬臂梁、磁场源和隧道磁电阻桥；悬臂梁位于外框内部，且其一端与外框固定连接，另一端为自由端，其自由端的运动方向与加速度的输入方向相同；磁场源固定于悬臂梁的自由端，其用于产生均匀的梯度磁场；隧道磁电阻桥为由多个隧道磁电阻连接成的惠斯通电桥结构；隧道磁电阻桥固定于外框表面，并与磁场源位置对应，且其磁敏感方向与加速度的输入方向垂直。本发明能够实现加速度到位移量、位移量到磁场变化、磁场变化到电场的高精度转换，具有易实现、高精度和低噪声的特性。

Description

一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及加速度测量技术领域，具体涉及一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统及其测量方法。
背景技术
加速度测量系统是一种用于测量运动载体在惯性空间的线加速度，进而获得运动载体速度和位置的传感系统，是惯性导航和重力场测试中不可或缺的重要组件。在现代惯性导航和重力测量应用中，加速度测量系统的精度高低和性能优劣基本上决定了系统的精度和性能，因此高精度、低噪声的加速度测量系统是目前研究的重点。而目前的电容式、静电悬浮式和光电式加速度测量系统，都存在工艺复杂、批量生产困难等问题，且进一步提高其精度已经迈入瓶颈。
随着近年来对基于量子隧穿效应的隧道磁阻敏感技术研究有了很大的突破，特别是第四代磁敏感材料隧道结的诞生使得磁场检测灵敏度得到显著提升，国内外掀起了基于磁阻的加速度测量技术研究。
而现有的基于磁阻的加速度测量技术，其基本原理都是通过改变磁场源与磁阻芯片的距离或者角度，进而测量磁阻元件的阻值变化来获得输入加速度大小，而单纯地通过机械结构来改变磁场源与磁阻芯片的间距和角度，易受到机械结构不稳定、磁场分布不均匀的影响，因此无法保证高精度的测量。除此之外，还存在工艺复杂、批量生产困难等问题。
因此，如何提供一种具有低噪声和高精度的一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统及其测量方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统及其测量方法，基于“力-磁-电”的多物理耦合结构，依次实现加速度到位移量、位移量到磁场变化、磁场变化到电压的高精度转换，具有易实现、低噪声和高精度的优势。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统，包括外框；
悬臂梁，所述悬臂梁位于所述外框内部，且所述悬臂梁的一端与外框固定连接，另一端为自由端，所述自由端的运动方向与加速度的输入方向相同；
磁场源，所述磁场源固定于所述悬臂梁的自由端，其用于产生均匀的梯度磁场；以及
隧道磁电阻桥，所述隧道磁电阻桥为由多个隧道磁电阻连接成的惠斯通电桥结构；所述隧道磁电阻桥固定于所述外框表面，并与所述磁场源位置对应，且所述隧道磁电阻桥的磁敏感方向与加速度的输入方向垂直。
作为优选的，所述隧道磁电阻桥的两端分别设置有第一电极引线和第二电极引线；其中，所述第一电极引线为所述隧道磁电阻桥的驱动信号输入端，所述第二电极引线为所述隧道磁电阻桥的差分信号输出端。
作为优选的，所述外框包括第一横梁、第一竖梁、第二横梁和第二竖梁，所述第一横梁、第一竖梁、第二横梁和第二竖梁依次连接围成方形框架；所述悬臂梁与所述第一横梁平行设置，且所述悬臂梁的一端与第一竖梁固定连接；所述隧道磁电阻桥固定于所述第二竖梁表面，且与所述悬臂梁的自由端位置对应。
作为优选的，所述悬臂梁和所述外框均由SOI材料通过DRIE或RIE工艺制成。
SOI材料的主要特点是在有源层和衬底层之间插入埋氧层来隔断有源层和衬底之间的电气连接，使各部分的电气连接被完全消除，能够显著提高外框的运行速度，同时具有更低的功耗，减小了寄生电容，并降低了漏电情况发生。
作为优选的，所述外框的厚度为所述悬臂梁厚度的10倍。
作为优选的，磁场源为长方体状或圆柱状的永磁体，所述永磁体的材质为钐钴或钕铁硼。
作为优选的，所述隧道磁电阻桥与所述磁场源之间的水平间距小于所述磁场源长度的十分之一。
本发明还公开了一种加速度测量方法，基于上述的轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统，包括以下步骤：
S10、构建基于均布载荷的加速度位移动态响应模型，将加速度的输入信号转换为所述悬臂梁的竖直方向的位移量；
S20、构建所述磁场源的空间磁场分布模型，调整所述隧道磁电阻桥的固定位置，直至所述磁场源的空间磁场在所述隧道磁电阻桥的磁敏感点处具有最高的均匀梯度特性；
S30、将所述悬臂梁的位移量转换为所述磁场源的空间磁场变化；
S40、所述隧道磁电阻桥采集所述磁场源的空间磁场水平方向的变化，并将空间磁场变化转换为电信号；
S50、构建电信号与加速度之间的关系模型，获得加速度大小。
作为优选的，所述步骤S10包括：
S101、构建载有所述磁场源的所述悬臂梁的挠曲线方程；
S102、根据载有所述磁场源的所述悬臂梁的挠曲线方程获取所述悬臂梁自由端的位移；
S103、构建所述悬臂梁自由端的位移与加速度之间的关系模型，获得所述悬臂梁的动态特性；
S104、计算所述悬臂梁的本底噪声；
S105、根据所述悬臂梁的动态特性和本底噪声，获得所述悬臂梁的力场耦合结构。
作为优选的，所述步骤S20包括：
S201、应用等效电流模型对所述磁场源的空间磁场进行建模，将所述磁场源中所有的分子电流等效为环绕磁场源的多个电流环；
S202、计算由单个所述电流环在磁敏感点处所产生的磁感应强度；
S203、根据电磁场叠加原理，获得多个电流环在磁敏感点处产生的磁感应强度；
S204、调整所述隧道磁电阻桥的固定位置以改变隧道磁电阻桥与所述磁场源的距离，直至所述磁场源的空间磁场在所述隧道磁电阻桥的磁敏感点处具有最高的均匀梯度特性。
与现有技术相比，本发明中一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统，其有益效果在于，本发明为“力-磁-电”的多物理耦合结构，悬臂梁以其极低的机械热噪声和大动态范围特性实现加速度到位移的高精度转换。磁场源与隧道磁电阻桥之间的水平间距固定，从而在隧道磁电阻桥位置处产生高均匀梯度的静磁场，实现位移量到磁场变化的高精度转换。隧道磁电阻桥具有高灵敏、低噪声和抑制共模干扰的特性，实现磁场变化到电压的高精度转换。
与现有技术相比，本发明中一种加速度测量方法，其有益效果在于，本发明通过构建基于均布载荷的加速度位移动态响应模型，设计出低噪声大动态范围的悬臂梁，可实现加速度到机械位移的高精度转换；通过构建磁场源的空间磁场分布模型，调整所述隧道磁电阻桥的固定位置，可使隧道磁电阻桥的磁敏感点处具有最高的均匀梯度特性，可实现机械位移到磁场变化的高精度转换；通过隧道磁电阻桥采集空间磁场变化，其高灵敏、低噪声和抑制共模干扰的特性可实现磁场到电压的高精度转换。本发明通过力场、磁场、电场的高精度耦合最终实现高精度的加速度测量。
附图说明
图1为本发明提供的一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统的俯视图；
图2为本发明提供的一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统的主视图；
图3为本发明提供的力场耦合结构均布载荷分布示意图；
图4为本发明提供的长方体磁体基于毕奥-萨伐尔定律的等效电流模型示意图；
图5为本发明提供的隧道磁电阻的磁隧道结的结构示意图；
图6为本发明提供的一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统的测量方法的流程图；
图7为本发明提供的一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统的测量方法中悬臂梁的力场耦合结构设计的流程图；
图8为本发明提供的一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统的测量方法中，实现隧道磁电阻桥的磁敏感点处的空间磁场具有最高的均匀梯度特性的流程图。
图中标号说明：1、悬梁臂；2、外框；3、磁场源；4、第一电极引线；5、第二电极引线；6、隧道磁电阻桥；61、自由层；62、隧道势垒层；63、被钉扎层；64、反铁磁层；65、顶层；66、底层；67、自由层的磁矩方向；68、被钉扎层的磁矩方向；7、隧道磁电阻桥的磁敏感方向；8、加速度的输入方向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的公开了一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统，如图1所示，包括：
外框2；
悬臂梁1，悬臂梁1位于外框2内部，所述悬臂梁1的一端与外框2固定连接，所述悬臂梁1的另一端为自由端，所述自由端的运动方向与加速度的输入方向相同；
磁场源3，磁场源3固定于悬臂梁1的自由端，其用于产生均匀的梯度磁场，梯度磁场的磁力线沿加速度的输入方向分布；以及
隧道磁电阻桥6，隧道磁电阻桥6为由多个隧道磁电阻连接成的惠斯通电桥结构；隧道磁电阻桥6固定于外框2表面与磁场源3的水平间距固定，并与磁场源3位置对应，且所述隧道磁电阻桥(6)的磁敏感方向与加速度的输入方向垂直。
在隧道磁电阻桥6的两端分别设置有第一电极引线4和第二电极引线5；其中，第一电极引线4和第二电极引线5均通过溅射工艺固定于外框上；第一电极引线4为隧道磁电阻桥6的驱动信号输入端，第二电极引线5为隧道磁电阻桥6的差分信号输出端。
如图2所示，8为加速度的输入方向和悬臂梁1自由端的运动方向，7为隧道磁电阻桥6的磁敏感方向，与加速度的输入方向8相垂直。磁场源3的位移使得与磁场源3水平间距固定的隧道磁电阻桥6所在位置的空间磁场发生变化，所述隧道磁电阻桥6通过敏感空间磁场的X方向分量的线性变化实现加速度的测量。
具体的，外框2包括第一横梁21、第一竖梁23、第二横梁22和第二竖梁24，第一横梁21、第一竖梁23、第二横梁22和第二竖梁24依次连接围成方形框架；悬臂梁1与第一横梁21平行设置，且悬臂梁1的一端与第一竖梁23固定连接。隧道磁电阻桥6固定于第二竖梁24表面，且与悬臂梁1的自由端位置对应。并且，第一电极引线4和第二电极引线5均通过溅射工艺固定于第二竖梁24上。
更有利的，悬臂梁1和外框2均由SOI材料通过DRIE或RIE工艺加工得到。通过DRIE或RIE工艺，悬臂梁1的厚度和形状尺寸应得到精确控制，外框2的厚度至少为悬臂梁1厚度的10倍，悬臂梁1的表面与外框2的表面齐平，这使得悬臂梁1具有极低的机械热噪声和大动态范围特性。
根据本发明一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统，在一个实施例中，磁场源3为长方体状或圆柱状的永磁体，且其材质为钐钴或钕铁硼。永磁体通过线切割获得光滑表面和规定形状，实现磁场源3的磁场空间分布的均匀性和完整性。
更有利的，隧道磁电阻桥6与磁场源3之间的水平间距小于磁场源3长度的十分之一，实际测量中，悬臂梁1的摆动范围非常小，悬臂梁1的摆动弧度导致隧道磁电阻桥6与磁场源3之间的水平间距变化可以忽略不计，视为隧道磁电阻桥6与磁场源3之间的水平间距固定不变。
如图5所示，隧道磁电阻由多个磁隧道结连接而成，磁隧道结通过磁控溅射沉积工艺、刻蚀工艺和剥离工艺制备而成。
磁隧道结由多个薄膜层组成；薄膜层的典型厚度为0.1nm-100nm；薄膜层包括依次连接的顶层65、自由层61、隧道势垒层62、被钉扎层63、反铁磁层64和底层66。被钉扎层63的磁矩方向68在一定大小的磁场作用下是相对固定的，自由层61的磁矩方向67相对于被钉扎层63的磁矩方向68是相对自由且可旋转的，随外磁场的变化而发生翻转，进而表现成磁阻阻值随外磁场的变化而改变。
通过对铁磁材料和势垒的能带结构分析，设计具有特定量子效应的磁隧道结结构，结合磁控溅射方法，离子注入和退火工艺等方法实现以多晶或非晶为铁磁电极、MgO为势垒的磁性隧道结的加工与制备，获得高隧穿磁电阻效应。再基于多个磁隧道结串联实现高精度隧道磁阻，进而由隧道磁电阻构建成惠斯通电桥结构。可实现量程为±100Oe，分辨率为0.1mOe的隧道磁电阻桥，动态范围可达120dB，具有高灵敏、低噪声、抑制共模干扰的特性，能实现磁场到电压的高精度转换。
如图6-图8所示，本发明实施例还公开一种轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统的测量方法，包括以下步骤：
S10、构建基于均布载荷的加速度-位移动态响应模型，将加速度的输入信号转换为悬臂梁1竖直方向的位移量；
S20、构建磁场源3的空间磁场分布模型，调整隧道磁电阻桥6的固定位置，直至磁场源3的空间磁场在隧道磁电阻桥6的磁敏感点处具有最高的均匀梯度特性；
S30、将悬臂梁1的位移量转换为磁场源3的空间磁场水平方向的变化；
S40、隧道磁电阻桥6采集磁场源的空间磁场变化，并将空间磁场变化转换为电压；
S50、构建电压与加速度之间的关系模型，获得加速度大小。
具体的，如图3所示，以磁场源3为长方体永磁体为例，将悬臂梁1和磁场源3分别等效为集度为q1和q2的均布载荷，步骤S10包括：
S101、根据公式(1)和公式(2)获得载有磁场源的悬臂梁的挠曲线方程W；
Figure BDA0001883391130000081
对公式(1)进行双重积分，得到公式(2)，公式(2)即为载有磁场源3的悬臂梁1的挠曲线方程。
Figure BDA0001883391130000082
其中，E为悬臂梁1材料的杨氏模量，I为惯性矩，EI为悬臂梁1的抗弯刚度，w为磁场源3的长度，l为悬臂梁1的长度，x为悬臂梁1长度l上各点的坐标，q1为悬臂梁1的均布载荷，q2为磁场源3的均布载荷。
S102、将悬臂梁1自由端坐标x代入公式(2)，获得悬臂梁1自由端的位移ΔZ；ΔZ的表达式如公式(3)所示；
Figure BDA0001883391130000091
S103、对公式(3)代入q1＝mbeam*A/l，q2＝mmagnet*A/w，获取悬臂梁1的自由端的位移ΔZ与输入的加速度之间的关系，如公式(4)所示；
Figure BDA0001883391130000092
其中，mbeam为悬臂梁1质量，mmagnet为磁场源3质量，A为输入的加速度，b1为悬臂梁1的宽，h1为悬臂梁1的高。
S104、根据公式(5)计算悬臂梁1的本底噪声；
Figure BDA0001883391130000093
其中，KB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，C为阻尼力系数，g为重力加速度，Hz为频率单位赫兹。
S105、根据公式(4)和公式(5)，在悬梁臂1实现极低的本底噪声和大动态范围特性的前提下，设计悬臂梁1的力场耦合结构，实现加速度到位移量的高精度转换。
如图4所示，应用等效电流模型对方形磁体空间磁场进行建模，磁体沿高度方向均匀磁化，磁体中所有的分子电流最终等效为沿侧面边界的环电流，其大小取决于磁化强度M，磁体在空间任意点产生的磁场由所有侧表面电流环路决定。
具体的，步骤S20包括：
S201、应用等效电流模型对所述磁场源3的空间磁场进行建模，将所述磁场源3中所有的分子电流等效为环绕磁场源3的多个电流环；
S202、计算由单个所述电流环在磁敏感点处所产生的磁感应强度：以磁场源3的体心为直角坐标系原点，a，b，h分别为长方体永磁体的长、宽、高，磁化强度M沿z轴方向，在磁体侧面点(x0,y0,z0)处取厚度为
Figure BDA0001883391130000101
的薄层电流元，根据毕奥-萨伐尔定律，计算由该电流元所在的电流环在空间任意一点(x,y,z)处产生的磁感应强度X方向分量为：
Figure BDA0001883391130000102
公式(6)中，dy0是y方向的电流元长度，μ0为真空磁导率。
S203、根据电磁场叠加原理，获得多个电流环在磁敏感点处产生的磁感应强度，磁敏感点为空间内任一点。根据电磁场的叠加原理，整个磁场源3在空间任一点(x,y,z)处产生的磁感应强度的X方向分量为：
Figure BDA0001883391130000103
其中，dz是Z方向的磁场源3高度的微元。
Figure BDA0001883391130000104
S204、调整所述隧道磁电阻桥6的固定位置以改变隧道磁电阻桥6与所述磁场源3的距离，直至所述磁场源3的空间磁场在所述隧道磁电阻桥6的磁敏感点处具有最高的均匀梯度特性。
即根据公式(7)和公式(8)，调整隧道磁电阻桥6的固定位置以改变隧道磁电阻桥6与所述磁场源3的距离，使隧道磁电阻桥6的磁敏感点处的空间磁场X方向分量具有最高的均匀梯度特性。
具体的，如图5所示，步骤S40中，隧道磁电阻由多个磁隧道结连接而成，磁隧道结由多个薄膜层组成；薄膜层的典型厚度为0.1nm-100nm；薄膜层包括依次连接的自由层61、隧道势垒层62、被钉扎层63和反铁磁层64。被钉扎层63的磁矩方向68在一定大小的磁场作用下是相对固定的，自由层61的磁矩方向67相对于被钉扎层63的磁矩方向68是相对自由且可旋转的，随外磁场的变化而发生翻转，进而表现成磁阻阻值随外磁场的变化而改变。
通过对铁磁材料和势垒的能带结构分析，设计具有特定量子效应的磁隧道结构，结合磁控溅射方法，离子注入和退火工艺等方法实现以多晶或非晶为铁磁电极、MgO为势垒的磁性隧道结的加工与制备，获得高隧穿磁电阻效应。再基于多个磁隧道结串联实现高精度隧道磁阻，进而由隧道磁电阻构建成惠斯通电桥结构。可实现量程为±100Oe，分辨率为0.1mOe的隧道磁电阻桥，动态范围可达120dB，具有高灵敏、低噪声、抑制共模干扰的特性，进而能实现空间磁场变化到电压的高精度转换。最后，根据电压的大小确定输入的加速度的大小，实现对加速度的高精度测量。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (2)

1.一种加速度测量方法，其特征在于，其基于轴向变化的隧道磁阻加速度测量系统，所述测量系统包括：外框(2)；
悬臂梁(1)，所述悬臂梁(1)位于所述外框(2)内部，且所述悬臂梁(21)的一端与外框(2)固定连接，另一端为自由端，所述自由端的运动方向与加速度的输入方向相同；
磁场源(3)，所述磁场源(3)固定于所述悬臂梁(1)的自由端，其用于产生均匀的梯度磁场；以及
隧道磁电阻桥(6)，所述隧道磁电阻桥(6)为由多个隧道磁电阻连接成的惠斯通电桥结构；所述隧道磁电阻桥(6)固定于所述外框(2)表面，并与所述磁场源(3)位置对应，且所述隧道磁电阻桥(6)的磁敏感方向与加速度的输入方向垂直；所述隧道磁电阻桥(6)的两端分别设置有第一电极引线(4)和第二电极引线(5)；其中，所述第一电极引线(4)为所述隧道磁电阻桥(6)的驱动信号输入端，所述第二电极引线(5)为所述隧道磁电阻桥(6)的差分信号输出端；
所述测量方法包括以下步骤：
S10、构建基于均布载荷的加速度位移动态响应模型，将加速度的输入信号转换为所述悬臂梁(1)的竖直方向的位移量；S10包括：
S101、构建载有所述磁场源(3)的所述悬臂梁(1)的挠曲线方程；
Figure FDA0002981581660000011
式中，E为悬臂梁材料的杨氏模量，I为惯性矩，EI为悬臂梁的抗弯刚度，w为磁场源的长度，l为悬臂梁的长度，x为悬臂梁长度l上各点的坐标，q1为悬臂梁的均布载荷，q2为磁场源的均布载荷；
S102、根据载有所述磁场源(3)的所述悬臂梁(1)的挠曲线方程获取所述悬臂梁(1)自由端的位移；所述悬臂梁(1)自由端位移的表达式如下：
Figure FDA0002981581660000012
S103、构建所述悬臂梁(1)自由端的位移与加速度之间的关系模型，获得所述悬臂梁(1)的动态特性；所述悬臂梁(1)与输入的加速度之间的关系为：
Figure FDA0002981581660000013
上式中，mbeam为悬臂梁质量，mmagnet为磁场源质量，A为输入的加速度，b1为悬臂梁的宽，h1为悬臂梁的高；
S104、计算所述悬臂梁(1)的本底噪声；本底噪声的计算公式如下：
Figure FDA0002981581660000021
其中，KB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，C为阻尼力系数，g为重力加速度，Hz为频率单位赫兹；
S105、根据所述悬臂梁(1)的动态特性和本底噪声，获得所述悬臂梁(1)的力场耦合结构；
S20、构建所述磁场源(3)的空间磁场分布模型，调整所述隧道磁电阻桥(6)的固定位置，直至所述磁场源(3)的空间磁场在所述隧道磁电阻桥(6)的磁敏感点处具有最高的均匀梯度特性；
S30、将所述悬臂梁(1)的位移量转换为所述磁场源(3)的空间磁场变化；
S40、所述隧道磁电阻桥(6)采集所述磁场源(3)的空间磁场水平方向的变化，并将空间磁场变化转换为电信号；
S50、构建电信号与加速度之间的关系模型，获得加速度大小。
2.根据权利要求1所述的一种加速度测量方法，其特征在于，所述步骤S20包括：
S201、应用等效电流模型对所述磁场源(3)的空间磁场进行建模，将所述磁场源(3)中所有的分子电流等效为环绕磁场源(3)的多个电流环；
S202、计算由单个所述电流环在磁敏感点处所产生的磁感应强度；
S203、根据电磁场叠加原理，获得多个电流环在磁敏感点处产生的磁感应强度；
S204、调整所述隧道磁电阻桥(6)的固定位置以改变隧道磁电阻桥(6)与所述磁场源(3)的距离，直至所述磁场源(3)的空间磁场在所述隧道磁电阻桥(6)的磁敏感点处具有最高的均匀梯度特性。
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