CN111337708A - 一种基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置,该加速度计装置由顶层隧道磁阻传感器结构，中间层双层线圈敏感结构以及底层支撑结构构成，顶层隧道磁阻传感器结构包括两个对称布置的隧道磁阻传感器，位于中间层双层线圈敏感结构的正上方。中间层敏感结构的质量块上布置有上下两层线圈，上下两层线圈向内通过中间连接电极相连，向外分别连接到位于锚点中心位置的表层输入电极、表层输出电极。中间层双层线圈敏感结构与顶层隧道磁阻传感器结构分别通过锚点组件和支撑框架固定到底层支撑结构，从而构成统一整体。该方案具有易于加工，线性度好，灵敏度高，宽量程等诸多优点。

Description

一种基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置

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，具体涉及到一种基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置。

背景技术

隧道磁阻效应是一种突破经典力学的微观量子力学效应。根据经典力学的经验，金属层中的电子无法突破绝缘层进入相邻的金属层。而在量子力学的范畴，电子突破绝缘层进入相邻金属层的几率与绝缘层上下两层铁磁金属层的磁化方向和磁化强度相关。如果上下两层铁磁金属层的磁化方向同向平行，且磁化强度较大，电子突破绝缘层进入相邻金属层的几率就会变大；如果上下两层铁磁金属层的磁化方向反向平行，又或者磁化强度较小，电子突破绝缘层进入相邻金属层的几率就会变小。因此两层铁磁金属与中间绝缘层构成的磁性隧道结会由于外界的磁场分布变化而在高低阻抗状态中切换。因为磁性隧道结的阻抗对磁场方向与磁场强度的变化及其敏感，所以采用隧道磁阻效应作为检测方法具有超高灵敏度。

微型线圈的沉积工艺与微机电系统(MEMS)加工工艺相兼容，是基于磁场特性的MEMS传感器结构加工的关键性技术要求。微型线圈的加工是基于光刻和电镀技术将单层或多层铜线圈沉积到MEMS结构上的过程。首先运用SU-8负光刻胶在聚酰亚胺层制备近垂直侧壁的高宽比结构的线圈模具成像，接着采用电镀工艺在线圈模具内沉积铜线圈，最后将聚酰亚胺自旋涂覆在铜线圈顶部形成绝缘层。微型线圈有利于微型磁场的生成，且便于磁场方向、场强大小的调控，在基于磁场特性微型化传感器中逐渐替代永磁薄膜作为重点研究方向。

将微型线圈的沉积技术与微机电系统(MEMS)技术结合，并采用了具有超高灵敏度的隧道磁阻效应作为检测方法设计的微加速度计具有线性度好，灵敏度高，宽量程等诸多优点，目前是微惯性仪表的重点研究方向。

发明内容

本发明将微型双层线圈结构的设计与微机电系统(MEMS)技术相结合，并采用了具有超高灵敏度的隧道磁阻效应作为检测方法，提出了一种基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置，该方案具有线性度好，灵敏度高，宽量程等诸多优点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置，所述微加速度计装置包括顶层隧道磁阻传感器结构、中间层双层线圈敏感结构以及底层支撑结构构成，中间层双层线圈敏感结构与顶层隧道磁阻传感器结构分别通过锚点组件和支撑框架固定到底层支撑结构，从而构成统一整体。其中中间层双层线圈敏感结构的质量块上布置有上下两层线圈，上下两层线圈的结构关于中间层双层线圈敏感结构的水平中心线CD镜像对称，并且两层线圈之间通过绝缘体绝缘。上下两层线圈向内通过中间连接电极相连，向外分别连接到位于锚点中心位置的表层输入电极、表层输出电极。通过向表层输入电极、表层输出电极之间施加电压形成电流回路，电流在上层线圈中的流向为“顺时针”。由于上下两层线圈向内通过中间连接电极相连，电流在下层线圈中的流向同样为“顺时针”，上下两层线圈在周围形成叠加增强的局部磁场。由于上层线圈与下层线圈结构关于水平中心线CD镜像对称，形成的叠加增强局部磁场同样关于水平中心线CD对称。顶层隧道磁阻传感器结构包括两个关于顶层结构水平中心线ST对称布置的隧道磁阻传感器。第一隧道磁阻传感器位于中间层双层线圈敏感结构水平中心线CD上部线圈的正上方，中心与上层线圈最外层走线的中心对齐，且关于顶层结构竖直中心线PQ对称。第二隧道磁阻传感器位于中间层双层线圈敏感结构水平中心线CD下部线圈的正上方，中心与下层线圈最外层走线的中心对齐，且关于竖直中心线PQ对称。布置有双层线圈的质量块通过挠性支撑梁连接到锚点组件。由于挠性支撑梁的作用，外界输入的加速度大小转化为质量块的Z轴方向上的位移变化量，进而转化为隧道磁阻传感器周围的磁场场强的变化量，最终通过顶层隧道磁阻传感器转化为电压信号变化量输出，进而实现对外界输入加速度的测量。

从中间层双层线圈敏感结构俯视图分析，中间层双层线圈敏感结构由布置有双层线圈的质量块、挠性支撑梁、锚点组件构成，其中布置有双层线圈的质量块位于中间层双层线圈敏感结构的中心位置，并关于中间层双层线圈敏感结构的水平中心线CD，竖直中心线AB对称。质量块分别通过挠性支撑梁连接到第一锚点，通过挠性支撑梁连接到第二锚点，通过挠性支撑梁连接到第三锚点，通过挠性支撑梁连接到第四锚点，挠性支撑梁的短梁与质量块边界对齐相连，长梁连接到锚点边界的中间位置，长梁与短梁通过中间的连接短梁连接。挠性支撑梁具有相同的结构，分别关于水平中心线CD，竖直中心线AB对称布置。锚点组件具有相同的结构，同样关于水平中心线CD，竖直中心线AB对称布置。上层线圈与下层线圈结构关于水平中心线CD镜像对称，且都位于质量块的中心位置。下层线圈向外通过下层引线及第一挠性支撑梁引线连接到表层输出电极。下层引线与下层线圈走线宽度相等，向内与下层线圈走线出口连接，向外与第一挠性支撑梁引线连接，第一挠性支撑梁引线位于挠性支撑梁的中心位置，表层输出电极位于第一锚点的中心位置。上层线圈向内连接到位于质量块的中心位置的上层连接电极，向外通过上层引线及第二挠性支撑梁引线连接到表层输入电极。上层引线与上层线圈走线宽度相等，向内与上层线圈走线入口连接，向外与第二挠性支撑梁引线连接，第二挠性支撑梁引线位于挠性支撑梁的中心位置，表层输入电极位于第二锚点的中心位置。

从中间层双层线圈敏感结构的横向剖视图分析,微机械结构的质量块位于底层，关于双层线圈敏感结构的横向剖视图的竖直中心线EF对称。下层绝缘层与质量块相连，位于质量块的正上方，与质量块宽度相同，关于竖直中心线EF对称。上层绝缘层与下层绝缘层相连，位于下层绝缘层的正上方，与下层绝缘层高度、宽度相同，关于竖直中心线EF对称。下层线圈内嵌于下层绝缘层，线圈底端与质量块上表面相连，向内连接到下层连接电极。上层线圈内嵌于上层绝缘层，线圈底端与下层绝缘层上表面相连，向内连接到上层连接电极。上下层线圈环绕走线的高度、宽度相等，走线之间的间距相等。上层线圈的横向剖视图与下层线圈的横向剖视图相同，且位于下层线圈的横向剖视图的正上方。上下层连接电极与上下层线圈有相同的高度，通过中间连接电极连接。中间连接电极位于上下层连接电极之间，关于竖直中心线EF左右对称。

顶层隧道磁阻传感器结构包括顶层基板、顶层绝缘层、第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器。顶层绝缘层上表面与顶层基板的下表面相连，位于顶层基板正下方，关于总体结构左视图的竖直中心线GH左右对称。第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器上表面与顶层绝缘层的下表面重合，关于竖直中心线GH左右对称布置。隧道磁阻传感器共有六层结构体，如第二隧道磁阻传感器，由上至下依次为顶层、自由层、隧道势垒层、铁磁层、反铁磁层和底层。其中铁磁层磁场方向由反铁磁层预先设定，自由层磁场方向由双层线圈结构产生的磁场决定。中间层双层线圈敏感结构位于顶层隧道磁阻传感器结构正下方，关于竖直中心线GH左右对称。微机械结构的质量块位于中间层双层线圈敏感结构的中心位置，关于竖直中心线GH左右对称，并分别通过挠性支撑梁连接到锚点。下层绝缘层与微机械结构的上表面连接，位于微机械结构的正上方，上层绝缘层与下层绝缘层的上表面连接，位于下层绝缘层的正上方，与下层绝缘层高度、宽度相同。下层线圈内嵌于下层绝缘层，线圈底端与质量块上表面相连，向内连接到下层连接电极，向外通过下层引线、连接电极、第一挠性支撑梁引线连接到锚点输出电极。其中下层引线与下层线圈走线高度相同，下表面与质量块上表面相连，向内与下层线圈走线出口连接，向外与连接电极连接。连接电极位于下层引线与第一挠性支撑梁引线之间，向下与下层引线连接，向上与第一挠性支撑梁引线连接。第一挠性支撑梁引线与下层线圈走线高度相同，下表面与下层绝缘层上表面相连。锚点输出电极与下层线圈走线高度相同，下表面与下层绝缘层上表面相连，位于第一锚点的水平中心位置，向上连接到表层输出电极。表层输出电极位于锚点输出电极的正上方，与锚点输出电极宽度相等，上表面与上层绝缘层上表面重合，位于第一锚点的水平中心位置。

上层线圈内嵌于上层绝缘层，线圈底端与下层绝缘层上表面相连，向内连接到上层连接电极，向外通过上层引线及第二挠性支撑梁引线连接到锚点输入电极。上层连接电极与下层连接电极具有相等的高度与宽度，关于竖直中心线GH左右对称，并通过中间连接电极与下层连接电极连接。中间连接电极与上层连接电极具有相同的宽度，关于竖直中心线GH左右对称。上层引线与上层线圈走线高度相同，下表面与下层绝缘层上表面相连，向内与上层线圈走线入口连接，向外与第二挠性支撑梁引线连接。第二挠性支撑梁引线与上层线圈走线高度相同，下表面与下层绝缘层上表面相连，向外连接到锚点输入电极。锚点输入电极与线圈走线高度相同，下表面与下层绝缘层上表面相连，位于第二锚点的水平中心位置，向上连接到表层输入电极。表层输入电极位于锚点输入电极的正上方，与锚点输入电极宽度相等，上表面与上层绝缘层上表面重合，位于第二锚点的水平中心位置。第一隧道磁阻传感器的竖直中心线JK与上层线圈的最外层走线的中心对齐，第二隧道磁阻传感器的竖直中心线MN与下层线圈的最外层走线的中心对齐。

相对于传统MEMS加速度计，本发明具有如下优点，1)本发明采用镜像对称的双层微型线圈串联作为微型磁场的产生源，具有磁场同向叠加增强的特性，便于磁场方向、场强大小的调控，容易实现线性度好、宽量程特性的隧道磁阻式微加速度计；2)本发明采用超高灵敏度的隧道磁阻效应作为检测方法，将对MEMS结构敏感输入加速度导致质量块竖直位移变化的检测转化为通过隧道磁阻传感器对周围空间的磁场变化的检测，容易实现高灵敏度特性的隧道磁阻式微加速度计；3)本发明采用双层微型线圈正上方反向对称布置两个隧道磁阻传感器的布局方式，实现了对微型线圈产生磁场的差分检测，消除了共模误差，提高了隧道磁阻式微加速度计的检测精确性；4)本发明采用八组挠性支撑梁作为质量块的支撑结构，有助于实现高机械灵敏度的MEMS结构设计，从而可以实现高灵敏度隧道磁阻式微加速度计。

附图说明

图1为本发明的双层线圈敏感结构俯视图；

图2为本发明的上层线圈俯视图；

图3为本发明的下层线圈俯视图；

图4为本发明双层线圈敏感结构的横向剖视图；

图5为本发明的总体结构左视图；

图6为本发明的总体结构正视图；

图7为本发明的顶层结构仰视图。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1，一种基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置，包括顶层隧道磁阻传感器结构、中间层双层线圈敏感结构以及底层支撑结构，其中中间层双层线圈敏感结构的质量块上布置有上下两层线圈30、31，上下两层线圈的结构关于中间层双层线圈敏感结构的水平中心线CD镜像对称，并且两层线圈之间通过绝缘体绝缘。上下两层线圈30、31向内通过中间连接电极33相连，向外分别连接到位于锚点中心位置的表层输入电极42、表层输出电极35。通过向表层输入电极42、表层输出电极35之间施加电压形成电流回路，电流在上层线圈30中的流向为“顺时针”。由于上下两层线圈30、31向内通过中间连接电极33相连，电流在下层线圈31中的流向同样为“顺时针”，上下两层线圈30、31在周围形成叠加增强的局部磁场。由于上层线圈30与下层线圈31结构关于水平中心线CD镜像对称，形成的叠加增强局部磁场同样关于水平中心线CD对称。顶层隧道磁阻传感器结构包括两个关于顶层结构水平中心线ST对称布置的隧道磁阻传感器。第一隧道磁阻传感器7位于中间层双层线圈敏感结构水平中心线CD上部线圈的正上方，中心与上层线圈30最外层走线的中心对齐，且关于顶层结构竖直中心线PQ对称。第二隧道磁阻传感器8位于水平中心线CD下部线圈的正上方，中心与下层线圈31最外层走线的中心对齐，且关于竖直中心线PQ对称。布置有双层线圈的质量块29通过挠性支撑梁21、22、23、24、25、26、27、28连接到锚点组件17、18、19、20。中间层双层线圈敏感结构与顶层隧道磁阻传感器结构分别通过锚点组件17、18、19、20和支撑框架1、2、3、4固定到底层支撑结构，从而构成统一整体。由于挠性支撑梁21、22、23、24、25、26、27、28的作用，外界输入的加速度大小转化为质量块29的Z轴方向上的位移变化量，进而转化为隧道磁阻传感器7、8周围的磁场场强的变化量，最终通过顶层隧道磁阻传感器转化为电压信号变化量输出，进而实现对外界输入加速度的测量。

如图1双层线圈敏感结构俯视图所示，中间层双层线圈敏感结构由布置有双层线圈的质量块29、挠性支撑梁21、22、23、24、25、26、27、28、锚点组件17、18、19、20构成。其中布置有双层线圈的质量块29位于中间层结构的中心位置，并关于中间层双层线圈敏感结构的水平中心线CD，竖直中心线AB对称。质量块29分别通过挠性支撑梁21、22连接到第一锚点17，通过挠性支撑梁23、24连接到第二锚点18，通过挠性支撑梁25、26连接到第三锚点19，通过挠性支撑梁27、28连接到第四锚点20。挠性支撑梁的短梁与质量块29边界对齐相连，长梁连接到锚点边界的中间位置，长梁与短梁通过中间的连接短梁连接。挠性支撑梁21、22、23、24、25、26、27、28具有相同的结构，分别关于水平中心线CD，竖直中心线AB对称布置。锚点组件17、18、19、20具有相同的结构，同样关于水平中心线CD，竖直中心线AB对称布置。上层线圈30与下层线圈31结构关于水平中心线CD镜像对称，且都位于质量块29的中心位置。下层线圈31向外通过下层引线39及第一挠性支撑梁引线37连接到表层输出电极35。下层引线39与下层线圈31走线高度相等，向内与下层线圈31走线出口连接，向外与第一挠性支撑梁引线37连接。第一挠性支撑梁引线37位于挠性支撑梁21的中心位置，表层输出电极35位于第一锚点17的中心位置。上层线圈30向内连接到位于质量块29的中心位置的上层连接电极32，向外通过上层引线40及第二挠性支撑梁引线41连接到表层输入电极42。上层引线40与上层线圈30走线宽度相等，向内与上层线圈30走线入口连接，向外与第二挠性支撑梁引线41连接。第二挠性支撑梁引线41位于挠性支撑梁24的中心位置，表层输入电极42位于第二锚点18的中心位置。

如图2上层线圈俯视图与图3下层线圈俯视图所示，上下层线圈30、31环绕走线的宽度相等，走线之间的间距相等。上层线圈30向内连接到上层连接电极32，由外向内的环绕方向为“顺时针”。下层线圈31与上层线圈30结构关于水平中心线CD镜像对称，向内连接到下层连接电极34，由下层连接电极34向外的环绕方向为“顺时针”。上层连接电极32与下层连接电极34都关于水平中心线CD，竖直中心线AB对称。

如图4双层线圈敏感结构的横向剖视图所示，微机械结构的质量块29位于底层，关于双层线圈敏感结构的横向剖视图的竖直中心线EF对称。下层绝缘层44与质量块29相连，位于质量块29的正上方，与质量块29宽度相同，关于竖直中心线EF对称。上层绝缘层45与下层绝缘层44相连，位于下层绝缘层44的正上方，与下层绝缘层44高度、宽度相同，关于竖直中心线EF对称。下层线圈31内嵌于下层绝缘层44，线圈底端与质量块29上表面相连，向内连接到下层连接电极34。上层线圈30内嵌于上层绝缘层45，线圈底端与下层绝缘层44上表面相连，向内连接到上层连接电极32。上下层线圈30、31环绕走线的宽度相等，走线之间的间距相等。上层线圈30的横向剖视图与下层线圈31的横向剖视图相同，且位于下层线圈31的横向剖视图的正上方。上下层连接电极32、34与上下层线圈30、31有相同的高度，通过中间连接电极33连接。中间连接电极33位于上下层连接电极32、34之间，关于竖直中心线EF左右对称。

如图5总体结构左视图所示，总体结构左视图由顶层隧道磁阻传感器结构，中间层双层线圈敏感结构，底层支撑结构构成。顶层隧道磁阻传感器结构包括顶层基板5、顶层绝缘层6、第一隧道磁阻传感器7、第二隧道磁阻传感器8。顶层绝缘层6上表面与顶层基板5的下表面相连，位于顶层基板5正下方，关于总体结构左视图的竖直中心线GH左右对称。第一隧道磁阻传感器7、第二隧道磁阻传感器8上表面与顶层绝缘层6的下表面重合，关于竖直中心线GH左右对称布置。隧道磁阻传感器共有六层结构体，如第二隧道磁阻传感器8由上至下依次为顶层9、自由层10、隧道势垒层11、铁磁层12、反铁磁层13和底层14。其中铁磁层磁场方向16由反铁磁层13预先设定，自由层磁场方向15由双层线圈结构产生的磁场决定。中间层双层线圈敏感结构位于顶层隧道磁阻传感器结构正下方，关于竖直中心线GH左右对称。质量块29位于中间层双层线圈敏感结构的中心位置，关于竖直中心线GH左右对称，并分别通过挠性支撑梁21、24连接到锚点17、18。下层绝缘层44与中间层双层线圈敏感结构的微机械结构上表面连接，位于微机械结构的正上方，上层绝缘层45与下层绝缘层44的上表面相连，位于下层绝缘层44的正上方，与下层绝缘层44高度、宽度相同。下层线圈31内嵌于下层绝缘层44，线圈底端与质量块29上表面相连，向内连接到下层连接电极34，向外通过下层引线39、连接电极38、第一挠性支撑梁引线37连接到锚点输出电极36。其中下层引线39与线圈走线高度相同，下表面与质量块29上表面相连，向内与下层线圈31走线出口连接，向外与连接电极38连接。连接电极38位于下层引线39与第一挠性支撑梁引线37之间，向下与下层引线39连接，向上与第一挠性支撑梁引线37连接。第一挠性支撑梁引线37与线圈走线高度相同，下表面与下层绝缘层44上表面相连。锚点输出电极36与线圈走线高度相同，下表面与下层绝缘层44上表面相连，位于第一锚点17的水平中心位置，向上连接到表层输出电极35。表层输出电极35位于锚点输出电极36的正上方，与锚点输出电极36宽度相等，上表面与上层绝缘层45上表面重合，位于第一锚点17的水平中心位置。上层线圈30内嵌于上层绝缘层45，线圈底端与下层绝缘层44上表面相连，向内连接到上层连接电极32，向外通过上层引线40及第二挠性支撑梁引线41连接到锚点输入电极43。上层连接电极32与下层连接电极34具有相等的高度与宽度，关于竖直中心线GH左右对称，并通过中间连接电极33与下层连接电极34连接。中间连接电极33与上层连接电极32具有相同的宽度，关于竖直中心线GH左右对称。上层引线40与上层线圈30走线高度相同，下表面与下层绝缘层44上表面相连，向内与上层线圈30走线入口连接，向外与第二挠性支撑梁引线41连接。第二挠性支撑梁引线41与上层线圈30走线高度相同，下表面与下层绝缘层44上表面相连，向外连接到锚点输入电极43。锚点输入电极43与线圈走线高度相同，下表面与下层绝缘层44上表面相连，位于第二锚点18的水平中心位置，向上连接到表层输入电极42。表层输入电极42位于锚点输入电极43的正上方，与锚点输入电极43宽度相等，上表面与上层绝缘层45上表面重合，位于第二锚点18的水平中心位置。第一隧道磁阻传感器7的竖直中心线JK与上层线圈30的最外层走线的中心对齐，第二隧道磁阻传感器8的竖直中心线MN与下层线圈31的最外层走线的中心对齐。顶层隧道磁阻传感器结构与中间层双层线圈敏感结构分别通过支撑框架1、2与锚点17、18固定到底层支撑结构，从而构成统一整体。

如图6总体结构正视图所示，总体结构正视图由顶层隧道磁阻传感器结构，中间层双层线圈敏感结构，底层支撑结构构成。顶层绝缘层6上表面与顶层基板下表面相连，位于顶层基板5正下方，关于总体结构正视图的竖直中心线EF左右对称。第二隧道磁阻传感器8上表面与顶层绝缘层6的下表面重合，关于竖直中心线EF左右对称。中间层双层线圈敏感结构位于顶层隧道磁阻传感器结构正下方，关于竖直中心线EF左右对称。质量块29位于中间层双层线圈敏感结构的中心位置，关于竖直中心线EF左右对称，并分别通过挠性支撑梁24、25连接到锚点18、20。下层绝缘层44下表面与中间层双层线圈敏感结构的微机械结构的上表面相连，位于微机械结构的正上方，上层绝缘层45下表面与下层绝缘层44的上表面相连，位于下层绝缘层44的正上方，与下层绝缘层44高度、宽度相同。下层线圈31内嵌于下层绝缘层44，线圈底端与质量块29上表面相连，向内连接到下层连接电极34，向外连接到下层引线39。下层引线39与下层线圈31走线高度相同，下表面与质量块29上表面相连，向内与下层线圈31走线出口连接，向外与连接电极38连接。连接电极38与下层线圈31走线宽度相等，下表面与下层引线39相连，上表面与上层绝缘层45的下表面相连，左侧边线与下层引线39的左侧边线对齐。上层线圈30内嵌于上层绝缘层45，线圈底端与下层绝缘层44上表面相连，向内连接到上层连接电极32，向外通过上层引线40及第二挠性支撑梁引线41连接到锚点输入电极43。上层连接电极32与下层连接电极34具有相等的高度与宽度，关于竖直中心线EF左右对称，并通过中间连接电极33与下层连接电极34连接。中间连接电极33与上层连接电极32具有相同的宽度，关于竖直中心线EF左右对称。上层引线40与上层线圈30走线高度相同，下表面与下层绝缘层44上表面相连，向内与上层线圈30走线入口连接，向外与第二挠性支撑梁引线41连接。第二挠性支撑梁引线41与上层线圈30走线高度相同，下表面与下层绝缘层44上表面相连，向下与连接电极38相连，向外连接到锚点输入电极43。锚点输入电极43与线圈走线高度相同，下表面与下层绝缘层44上表面相连，位于第二锚点18的水平中心位置，向上连接到表层输入电极42。表层输入电极42位于锚点输入电极43的正上方，与锚点输入电极43宽度相等，上表面与上层绝缘层45上表面重合，位于第二锚点18的水平中心位置。顶层隧道磁阻传感器结构与中间层双层线圈敏感结构分别通过支撑框架3、4与锚点18、20固定到底层支撑结构，从而构成统一整体。

如图7顶层结构仰视图所示，支撑框架1、2分别位于顶层基板5的上下两边，其结构关于顶层结构仰视图的竖直中心线PQ对称，其分布关于顶层结构仰视图的水平中心线ST对称。支撑框架3、4分别位于顶层基板5的左右两边，其结构关于水平中心线ST对称，其分布关于中心线PQ对称。支撑框架1、2、3、4与顶层基板5外边对齐。顶层绝缘层6固定于顶层基板5下表面的中心位置，关于中心线PQ，ST对称。第一隧道磁阻传感器7、第二隧道磁阻传感器8固定在顶层绝缘层6的下表面，关于水平中心线ST上下反向对称分布。第一隧道磁阻传感器7与第二隧道磁阻传感器8结构关于竖直中心线PQ左右对称，其内部结构由对称的“蛇形”结构串联而成。第一隧道磁阻传感器的输出电极47、48为矩形，关于竖直中心线PQ左右对称分布。第二隧道磁阻传感器的输出电极49、50同样为矩形，且关于竖直中心线PQ左右对称分布。第一隧道磁阻传感器的输出电极47、48位于水平中心线ST的上侧，第二隧道磁阻传感器的输出电极49、50位于水平中心线ST的下侧，关于水平中心线ST上下两侧对称分布。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置，其特征在于，所述微加速度计装置包括顶层隧道磁阻传感器结构、中间层双层线圈敏感结构以及底层支撑结构构成，中间层双层线圈敏感结构与顶层隧道磁阻传感器结构分别通过锚点组件和支撑框架(1、2、3、4)固定到底层支撑结构，从而构成统一整体。

2.根据权利要求1所述的基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置，其特征在于，所述中间层双层线圈敏感结构包括布置有双层线圈的质量块(29)、挠性支撑梁(21、22、23、24、25、26、27、28)以及锚点组件，所述锚点组件包括第一锚点(17)、第二锚点(18)、第三锚点(19)以及第四锚点(20),其中布置有双层线圈的质量块(29)位于中间层双层线圈敏感结构的中心位置，并关于中间层双层线圈敏感结构的水平中心线CD，竖直中心线AB对称，质量块(29)分别通过挠性支撑梁(21、22)连接到第一锚点(17)，通过挠性支撑梁(23、24)连接到第二锚点(18)，通过挠性支撑梁(25、26)连接到第三锚点(19)，通过挠性支撑梁(27、28)连接到第四锚点(20)，其中挠性支撑梁的短梁与质量块(29)边界对齐相连，长梁连接到锚点边界的中间位置，长梁与短梁通过中间的连接短梁连接。

3.根据权利要求2所述的基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置，其特征在于，所述质量块(29)上布置有上下两层线圈(30、31)，上下两层线圈的结构关于中间层双层线圈敏感结构的水平中心线CD镜像对称，并且两层线圈之间通过绝缘体绝缘，上下两层线圈(30、31)向内通过中间连接电极(33)连接，向外分别连接到位于锚点(17、18)中心位置的表层输入电极(42)、表层输出电极(35)，通过向表层输入电极(42)、表层输出电极(35)之间施加电压形成电流回路，电流在上下两层线圈(30、31)中的流向均为“顺时针”。

4.根据权利要求3所述的基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置，其特征在于，所述顶层隧道磁阻传感器结构包括顶层基板(5)、顶层绝缘层(6)、第一隧道磁阻传感器(7)以及第二隧道磁阻传感器(8)，所述顶层绝缘层(6)上表面与顶层基板(5)的下表面相连，位于顶层基板(5)正下方，第一隧道磁阻传感器(7)、第二隧道磁阻传感器(8)上表面与顶层绝缘层(6)的下表面重合，关于竖直中心线GH左右对称布置。

5.根据权利要求4所述的基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置，其特征在于，所述第一隧道磁阻传感器(7)以及第二隧道磁阻传感器(8)结构相同，共有六层结构体，由上至下依次为顶层(9)、自由层(10)、隧道势垒层(11)、铁磁层(12)、反铁磁层(13)和底层(14)。

6.根据权利要求1所述的基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置，其特征在于，中间层双层线圈敏感结构的上层绝缘层(45)位于最上层，下层绝缘层(44)位于中间层双层线圈敏感结构的微机械结构与上层绝缘层(45)之间，上下层绝缘层(44、45)高度相同,下层线圈(31)内嵌于下层绝缘层(44)，线圈底端与质量块(29)相连，向内连接到下层连接电极(34)，向外通过下层引线(39)、连接电极(38)、第一挠性支撑梁引线(37)连接到锚点输出电极(36)，接着向上连接到表层输出电极(35)，其中下层引线(39)与线圈走线高度、宽度相同，下表面与质量块(29)上表面相连，向内与下层线圈(31)走线出口连接，向外与连接电极(38)连接，连接电极(38)位于下层引线(39)与第一挠性支撑梁引线(37)之间，向下与下层引线(39)连接，向上与第一挠性支撑梁引线(37)连接，第一挠性支撑梁引线(37)与下层线圈(31)走线高度、宽度相同，下表面与下层绝缘层(44)上表面相连，向外连接到锚点输出电极(36)，表层输出电极(35)位于锚点输出电极(36)的正上方，与锚点输出电极(36)宽度相等，上表面与上层绝缘层(45)上表面重合。

7.根据权利要求6所述的基于双层线圈敏感结构的隧道磁阻式微加速度计装置，其特征在于，上层线圈(30)内嵌于上层绝缘层(45)，线圈底端与下层绝缘层(44)上表面相连，向内连接到上层连接电极(32)，向外通过上层引线(40)及第二挠性支撑梁引线(41)连接到锚点输入电极(43)，接着向上连接到表层输入电极(42，其中上层引线(40)与上层线圈(30)走线高度、宽度相同，下表面与下层绝缘层(44)上表面相连，向内与上层线圈(30)走线入口连接，向外与第二挠性支撑梁引线(41)连接，第二挠性支撑梁引线(41)与上层线圈(30)走线高度、宽度相同，下表面与下层绝缘层(44)上表面相连，向外连接到锚点输入电极(43)，表层输入电极(42)位于锚点输入电极(43)的正上方，与锚点输入电极(43)宽度相等，上表面与上层绝缘层(45)上表面重合。

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