CN111521842A - 基于隧道磁阻检测的静电刚度调节z轴谐振式微加速度计 - Google Patents

Abstract

基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，包括：支撑框架，键合基板，扭转支撑梁，扭转质量块，谐振质量块，磁阻元件，固定刚度调节电极，可动刚度调节电极，检测磁体和驱动磁体；支撑框架设置在键合基板上，扭转质量块设置在支撑框架上开设的第一质量块安装槽内，扭转质量块通过扭转支撑梁与支撑框架连接；谐振质量块设置在扭转质量块上开设的第二质量块安装槽内，谐振质量块的四个边角通过驱动组合梁与扭转质量块连接，磁阻元件设置在谐振质量块上，谐振质量块的X轴两端设置可动刚度调节电极；键合基板上设置有固定刚度调节电极，检测磁体和驱动磁体，分别对应调节电极露出孔、磁阻元件、驱动组合梁的位置设置。

Description

基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计

技术领域

本发明涉及一种基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计装置，属微惯性导航的测量仪表零部件技术领域。

背景技术

惯性技术是以完全自主方式工作的，不与外界发生联系，具有自主、实时、不受干扰的优势。陀螺是惯性导航技术的核心器件，在现代航空航天，国防军事等领域发挥着至关重要的作用。

加速度计是惯性导航系统中最为关键的部件之一，用来测量运载体的加速度值，以此为基础，经过解算可以得到运载体的速度位置信息。惯性导航和制导都是以加速度计敏感测量载体运动加速度为基础，因此加速度计的性能直接影响到整个系统的测量精度稳定性以及最终的导航精度。

谐振式微加速度计是通过谐振腔的频率变化来测量外部加速度的，它具有较大的动态范围、较高的灵敏度、较高的灵敏度等优点具有抗干扰能力。由于平面内线性谐振器具有高线性、高精度和与传统硅微米兼容的工艺特点，目前研究的大多数谐振微加速度计都是用来测量平面内加速度的。少有能够测量垂直平面内加速度的平面外谐振加速度计。本结构采用磁阻检测方式实现对谐振结构固有频率的解算。就驱动方式而言，静电驱动稳定性好，但其驱动幅值小；电磁驱动具有驱动幅值大，结构简单等优点。就检测方式而言，电容检测采用梳齿结构，位移分辨率较高，但梳齿制造工艺精度要求极高，成品率较低。隧道磁阻效应基于电子的自旋效应，在磁性钉扎层和磁性自由层中间间隔有绝缘体或半导体的非磁层的磁性多层膜结构，当磁性自由层在外场的作用下，其磁化强度方向改变，而钉扎层的磁化方向不变，此时两个磁性层的磁化强度相对取向发生改变，则可在横跨绝缘层的的磁性隧道结上观测到大的电阻变化，这一物理效应正是基于电子在绝缘层的隧穿效应，因此称为隧道磁阻效应，隧道磁阻效应具有“灵敏度高、微型化、容易检测”的优势。

单个谐振器的固有频率对温度变化非常敏感，这将导致虚假信号输出，为解决信号检测难题，发明人想到将隧道磁阻效应应用于加速度计结构，采用双谐振质量块消除温度等因素影响，采用电磁驱动，通过扭转质量块运动将静电刚度变化转化为频率变化，采用相关闭环检测电路实现谐振结构固有频率的检测，从而实现加速度检测，该技术领域还未出现相关产品。

通过对现有技术进行检索，查到现有技术1中“一种基于静电刚度的谐振式微加速度计”(申请号为CN201220188370.9)，现有技术2“一种静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构及其使用方法”(申请号为CN201811617230.7)，现有技术3“硅微谐振式加速度计”(申请号为CN201410129567.9)。

上述现有技术1、2、3均采用的是电容驱动、电容检测方式，电容结构适用于MEMS工艺加工，但存在检测灵敏度不足，输出信号小的劣势；采用梳齿电容检测方式，位移分辨率较高，但随着进一步微型化，梳齿电压容易击穿，横向冲击时也会吸合失效，尤其是梳齿制造工艺精度要求极高，成品率较低，制约该方向的发展。

基于以上问题，本发明提出采用电磁驱动、隧道磁阻检测方式的谐振式微加速度计装置，本设计优势在于电磁驱动方式结构简单，方便驱动。检测时由具有高灵敏特性的磁阻元件检测，灵敏度高，工艺要求不高，易于制造。

发明内容

本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计一种基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，提高加速度计检测精度，采用电磁驱动、磁阻检测方式，通过输入加速度改变谐振结构的静电刚度，从而导致谐振结构的固有频率变化，通过检测谐振结构固有频率实现对加速度的检测。

本发明的技术方案如下：

基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，包括：支撑框架，键合基板，扭转支撑梁，扭转质量块，谐振质量块，磁阻元件，固定刚度调节电极，可动刚度调节电极，检测磁体和驱动磁体；

所述支撑框架设置在所述键合基板上，所述支撑框架上开设有以支撑框架的Y轴中心线为中心轴非对称设置的第一质量块安装槽，所述扭转质量块适配所述第一质量块安装槽的形状设置在所述第一质量块安装槽内，所述扭转质量块通过扭转支撑梁与所述支撑框架连接；

所述扭转质量块上沿支撑框架的Y轴中心线为中心轴对称设置有两个第二质量块安装槽，两个所述第二质量块安装槽之间以及两侧分别开设有调节电极露出孔；所述谐振质量块设置在所述第二质量块安装槽内，所述谐振质量块的四个边角通过驱动组合梁与扭转质量块连接，所述磁阻元件设置在所述谐振质量块上，所述谐振质量块的X轴两端设置所述可动刚度调节电极；

所述键合基板上表面设置有一个方形的凹槽，所述凹槽内设置有所述固定刚度调节电极，检测磁体和驱动磁体，所述固定刚度调节电极对应所述调节电极露出孔的位置设置并与所述可动刚度调节电极交叉配合，所述检测磁体对应磁阻元件的位置设置，所述驱动磁体对应所述驱动组合梁的位置设置。

可选地，其特征在于，所述扭转支撑梁位于所述支撑框架的Y轴中心线上。

可选地，其特征在于，所述检测磁体上方沉积有聚磁单元，所述聚磁单元形状包括三角形或正方形。

可选地，其特征在于，所述固定刚度调节电极和可动刚度调节电极均为梳齿电极，所述固定刚度调节电极和可动刚度调节电极的梳齿部交叉配合。

可选地，其特征在于，所述驱动组合梁包括：第一驱动梁、第二驱动梁和驱动梁连接块,所述第一驱动梁、第二驱动梁分别平行设置在所述驱动梁连接块两侧并且一端分别与所述驱动梁连接块连接，所述第一驱动梁、第二驱动梁另一端分别与所述谐振质量块连接，所述驱动梁连接块另一端与所述扭转质量块连接。

可选地，其特征在于，所述基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计还包括：驱动电极,驱动导线,检测电极和检测导线；

所述驱动电极和检测电极设置在扭转质量块上表面靠近扭转支撑梁边缘位置；

所述驱动导线两端分别与所述驱动电极正负极连接，所述驱动导线中部设置在所述驱动组合梁上，所述检测导线一端与所述检测电极连接，所述检测导线另一端与所述隧道磁阻元件连接。

本发明提供了一种基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，采用电磁驱动、隧道磁阻检测方式，简化了驱动方式，降低了工艺难度，同时提高了检测灵敏度，所设计的Z轴谐振式微加速度计能实现将输入加速度转变为静电刚度变化从而导致谐振结构固有频率改变。通过检测固有频率的变化来达到检测输入加速度的目的。

而且，本发明采用采用双谐振质量块，单谐振结构的固有频率对温度变化极为敏感这将导致虚假的信号输出，采用双谐振质量块则可以消除温度等因素对其固有频率的影响。本发明采用具有高灵敏特性的隧道磁阻效应进行检测,提高微加速度计检测精度，隧道磁阻元件对微弱磁场变化具有高灵敏特性，可实现对谐振结构固有频率更精确的测量，结构设计合理，使用方便，通过检测谐振结构固有频率的变化可实现Z轴加速度的检测。

本发明在检测磁体上沉积高磁导率软磁材料,具有聚磁效果,实现增强局部磁场强度从而提高磁场变化率,形成一种稳定高变化率的磁场,当隧道磁阻元件敏感到的磁场发生变化,在微弱的磁场变化下隧道磁阻元件的阻值会发生剧烈变化，该变化可将所设计的微陀螺的检测精度提高一至两个数量级。本发明整体结构设计合理、接口电路简单、检测精度高。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明整体结构俯视图；

图3为本发明键合基板结构示意图；

图4为本发明键合基板结构俯视图；

图5为本发明扭转质量块结构示意图；

图6为本发明扭转质量块结构俯视图；

图7为本发明谐振质量块结构示意图；

图8为本发明谐振质量块结构俯视图；

图9为本发明驱动电极,驱动导线,检测电极和检测导线结构示意图；

图10为本发明驱动电极,驱动导线,检测电极和检测导线结构俯视图。

图中所示，附图标记清单如下：

1-支撑框架；2-扭转支撑梁；3-扭转质量块；4、5-谐振质量块；6、8、9-固定刚度调节电极；7a、7b、7c、7d-可动刚度调节电极；10、13-磁阻元件；11、14-检测导线；12、15-检测电极；16、18、20、22-驱动电极；17、19、21、23-驱动导线；24a、24b、24c、24d-第一驱动梁；25a、25b、25c、25d-驱动梁连接块；26a、26b、26c、26d-第二驱动梁；27-键合基板；28、29-检测磁体；30、31、32、33-驱动磁体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2所示，基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，包括：支撑框架1，键合基板27，扭转支撑梁2，扭转质量块3，谐振质量块4、5，磁阻元件10、13，固定刚度调节电极6、8、9，可动刚度调节电极7a、7b、7c、7d，检测磁体28、29和驱动磁体30、31、32、33。

如图5、6所示，所述支撑框架1设置在所述键合基板27上，所述支撑框架1上开设有以支撑框架1的Y轴中心线为中心轴非对称设置的第一质量块安装槽，所述第一质量块安装槽包括但不限于为T形。

如图1、2、5、6所示，所述扭转质量块3适配所述第一质量块安装槽的形状设置在所述第一质量块安装槽内，所述扭转质量块3与支撑框架1之间具有间隙，所述扭转质量块3形状包括但不限于为T形。所述扭转质量块3通过扭转支撑梁2与所述支撑框架1连接，所述扭转支撑梁2位于所述支撑框架1的Y轴中心线上。

如图5、6所示，所述扭转质量块3上沿支撑框架1的Y轴中心线为中心轴对称设置有两个第二质量块安装槽，两个所述第二质量块安装槽之间以及两侧分别开设有调节电极露出孔。

如图1、2、7、8所示，所述谐振质量块4、5设置在所述第二质量块安装槽内，所述谐振质量块4、5的四个边角通过驱动组合梁与扭转质量块3连接，所述磁阻元件10、13设置在所述谐振质量块4、5上。所述谐振质量块4、5的X轴两端设置所述可动刚度调节电极7a、7b、7c、7d。

如图1-4、7、8所示，所述键合基板27与所述支撑框架1形状相同，整体为方形，为支撑框架1提供支撑。所述键合基板27上表面设置有一个方形的凹槽，所述凹槽内设置有所述固定刚度调节电极6、8、9，检测磁体28、29和驱动磁体30、31、32、33，所述凹槽的深度大于所述检测磁体28、29的厚度，所述固定刚度调节电极6、8、9对应所述调节电极露出孔的位置设置并与所述可动刚度调节电极7a、7b、7c、7d交叉配合，所述固定刚度调节电极6、8、9通过所述调节电极露出孔露出至与可动刚度调节电极7a、7b、7c、7d配合的同一平面上，所述检测磁体28、29对应磁阻元件10、13的位置设置，所述驱动磁体30、31、32、33对应所述驱动组合梁的位置设置，具体为所述检测磁体28、29位于所述磁阻元件10、13下方，所述驱动磁体30、31、32、33位于所述驱动组合梁下方。所述检测磁体28、29可以为永磁体、通电线圈、光控磁体等一切可产生磁场的装置,本实施例中采用永磁体进行说明，所述检测磁体28、29形状为方形可由工艺加工刻蚀得到，所述检测磁体28、29上方沉积有聚磁单元，所述聚磁单元形状可为三角形、正方形等。所述驱动磁体30、31、32、33为长方体永磁体。

如图1-4、7、8所示，所述固定刚度调节电极6、8、9和可动刚度调节电极7a、7b、7c、7d均为梳齿电极。所述固定刚度调节电极6、8、9和可动刚度调节电极7a、7b、7c、7d的梳齿部交叉配合。

如图1-2、7、8所示，所述驱动组合梁分别设置在所述谐振质量块4、5的四个边角处,所述八个驱动组合梁结构尺寸完全相同,所述驱动组合梁包括：第一驱动梁24a、24b、24c、24d、第二驱动梁26a、26b、26c、26d和驱动梁连接块25a、25b、25c、25d,所述第一驱动梁24a、24b、24c、24d、第二驱动梁26a、26b、26c、26d分别平行设置在所述驱动梁连接块25a、25b、25c、25d两侧并且一端分别与所述驱动梁连接块25a、25b、25c、25d连接，所述第一驱动梁24a、24b、24c、24d、第二驱动梁26a、26b、26c、26d另一端分别与所述谐振质量块4、5连接，所述驱动梁连接块25a、25b、25c、25d另一端与所述扭转质量块3连接。所述第一驱动梁24a、24b、24c、24d和第二驱动梁26a、26b、26c、26d为细长梁结构,即梁的长度远大于它的宽度,所述第一驱动梁24a、24b、24c、24d、第二驱动梁26a、26b、26c、26d厚度与驱动梁连接块25a、25b、25c、25d厚度相同。

如图1-2、9、10所示，所述基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计还包括：驱动电极16、18、20、22,驱动导线17、19、21、23,检测电极12、15和检测导线11、14。

所述驱动电极16、18、20、22和检测电极12、15设置在扭转质量块3上表面靠近扭转支撑梁2边缘位置。

如图9、10所示，所述驱动导线17、19、21、23两端分别与所述驱动电极16、18、20、22正负极连接，所述驱动导线17、19、21、23中部设置在所述驱动组合梁上，当驱动导线通电时，在磁场中受到安培力进而产生驱动力。所述检测导线11、14一端与所述检测电极12、15连接，所述检测导线11、14另一端与所述隧道磁阻元件10、13连接。

发明原理：

本发明的基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计由通电驱动导线在磁场中收到的安培力实现驱动，在驱动模态下结构两侧的谐振质量块沿Y轴往复运动，通过给驱动电极施加激励以实现谐振质量块以其固有频率振动的面内驱动。

微加速度计装置驱动后，两侧谐振质量块分别以固有频率沿Y轴方向做往复运动，设置在谐振质量块上的磁阻元件会检测到由共振位移引起的磁场变化，通过闭环自振荡系统将谐振位移反馈给驱动电极，跟踪谐振器的固有频率。在固定刚度调节电极与谐振质量块上的可动刚度调节电极之间的施加偏置电压，从而产生静电力和静电刚度。

当输入z轴加速度时，由于扭转质量块两侧抗扭质量的不平衡，扭转质量块将绕扭转支撑梁扭转。使固定刚度调节电极与谐振质量块上的可动刚度调节电极的重叠区域将发生变化，使谐振器静电力和静电刚度发生变化，而使谐振器的固有频率会因静电刚度的变化而改变。所以通过测量闭环自振荡系统的频率变化，可以检测到加速度。

本发明提供了一种基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，采用电磁驱动、隧道磁阻检测方式，简化了驱动方式，降低了工艺难度，同时提高了检测灵敏度，所设计的Z轴谐振式微加速度计能实现将输入加速度转变为静电刚度变化从而导致谐振结构固有频率改变。通过检测固有频率的变化来达到检测输入加速度的目的。

而且，本发明采用采用双谐振质量块，单谐振结构的固有频率对温度变化极为敏感这将导致虚假的信号输出，采用双谐振质量块则可以消除温度等因素对其固有频率的影响。本发明采用具有高灵敏特性的隧道磁阻效应进行检测,提高微加速度计检测精度，隧道磁阻元件对微弱磁场变化具有高灵敏特性，可实现对谐振结构固有频率更精确的测量，结构设计合理，使用方便，通过检测谐振结构固有频率的变化可实现Z轴加速度的检测。

本发明在检测磁体上沉积高磁导率软磁材料,具有聚磁效果,实现增强局部磁场强度从而提高磁场变化率,形成一种稳定高变化率的磁场,当隧道磁阻元件敏感到的磁场发生变化,在微弱的磁场变化下隧道磁阻元件的阻值会发生剧烈变化，该变化可将所设计的微陀螺的检测精度提高一至两个数量级。本发明整体结构设计合理、接口电路简单、检测精度高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，其特征在于，包括：支撑框架(1)，键合基板(27)，扭转支撑梁(2)，扭转质量块(3)，谐振质量块(4、5)，磁阻元件(10、13)，固定刚度调节电极(6、8、9)，可动刚度调节电极(7a、7b、7c、7d)，检测磁体(28、29)和驱动磁体(30、31、32、33)；

所述支撑框架(1)设置在所述键合基板(27)上，所述支撑框架(1)上开设有以支撑框架(1)的Y轴中心线为中心轴非对称设置的第一质量块安装槽，所述扭转质量块(3)适配所述第一质量块安装槽的形状设置在所述第一质量块安装槽内，所述扭转质量块(3)通过扭转支撑梁(2)与所述支撑框架(1)连接；

所述扭转质量块(3)上沿支撑框架(1)的Y轴中心线为中心轴对称设置有两个第二质量块安装槽，两个所述第二质量块安装槽之间以及两侧分别开设有调节电极露出孔；所述谐振质量块(4、5)设置在所述第二质量块安装槽内，所述谐振质量块(4、5)的四个边角通过驱动组合梁与扭转质量块(3)连接，所述磁阻元件(10、13)设置在所述谐振质量块(4、5)上，所述谐振质量块(4、5)的X轴两端设置所述可动刚度调节电极(7a、7b、7c、7d)；

所述键合基板(27)上表面设置有一个方形的凹槽，所述凹槽内设置有所述固定刚度调节电极(6、8、9)，检测磁体(28、29)和驱动磁体(30、31、32、33)，所述固定刚度调节电极(6、8、9)对应所述调节电极露出孔的位置设置并与所述可动刚度调节电极(7a、7b、7c、7d)交叉配合，所述检测磁体(28、29)对应磁阻元件(10、13)的位置设置，所述驱动磁体(30、31、32、33)对应所述驱动组合梁的位置设置。

2.根据权利要求1所述的基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，其特征在于，所述扭转支撑梁(2)位于所述支撑框架(1)的Y轴中心线上。

3.根据权利要求1所述的基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，其特征在于，所述检测磁体(28、29)上方沉积有聚磁单元，所述聚磁单元形状包括三角形或正方形。

4.根据权利要求1所述的基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，其特征在于，所述固定刚度调节电极(6、8、9)和可动刚度调节电极(7a、7b、7c、7d)均为梳齿电极，所述固定刚度调节电极(6、8、9)和可动刚度调节电极(7a、7b、7c、7d)的梳齿部交叉配合。

5.根据权利要求1所述的基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，其特征在于，所述驱动组合梁包括：第一驱动梁(24a、24b、24c、24d)、第二驱动梁(26a、26b、26c、26d)和驱动梁连接块(25a、25b、25c、25d),所述第一驱动梁(24a、24b、24c、24d)、第二驱动梁(26a、26b、26c、26d)分别平行设置在所述驱动梁连接块(25a、25b、25c、25d)两侧并且一端分别与所述驱动梁连接块(25a、25b、25c、25d)连接，所述第一驱动梁(24a、24b、24c、24d)、第二驱动梁(26a、26b、26c、26d)另一端分别与所述谐振质量块(4、5)连接，所述驱动梁连接块(25a、25b、25c、25d)另一端与所述扭转质量块(3)连接。

6.根据权利要求1所述的基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，其特征在于，所述基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计还包括：驱动电极(16、18、20、22),驱动导线(17、19、21、23),检测电极(12、15)和检测导线(11、14)；

所述驱动电极(16、18、20、22)和检测电极(12、15)设置在扭转质量块(3)上表面靠近扭转支撑梁(2)边缘位置；

所述驱动导线(17、19、21、23)两端分别与所述驱动电极(16、18、20、22)正负极连接，所述驱动导线(17、19、21、23)中部设置在所述驱动组合梁上，所述检测导线(11、14)一端与所述检测电极(12、15)连接，所述检测导线(11、14)另一端与所述隧道磁阻元件(10、13)连接。

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