[發(fā)明專利]一種基于杠桿機(jī)構(gòu)的差動(dòng)質(zhì)量塊式隧道磁阻加速度計(jì)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811049038.2
• 申請(qǐng)日: 2018-09-10
• 公開（公告）號(hào): CN109142784B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊波;李成;高小勇;王斌龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P15/08
• 分類號(hào): G01P15/08;G01P15/105;G01P15/13
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 葉涓涓

本發(fā)明提供了一種基于杠桿機(jī)構(gòu)的差動(dòng)質(zhì)量塊式隧道磁阻微加速度計(jì)裝置，包括上層隧道磁阻傳感元件結(jié)構(gòu)、中層硅微傳感器結(jié)構(gòu)、下層布有電極引線的玻璃襯底結(jié)構(gòu)；上層結(jié)構(gòu)和中層結(jié)構(gòu)分別通過兩組錨點(diǎn)鍵合在下層結(jié)構(gòu)上。本發(fā)明結(jié)合了MEMS技術(shù)與量子力學(xué)中的隧道磁阻效應(yīng)，結(jié)構(gòu)合理簡單、易于加工、體積小、測量精度高、靈敏度高；利用磁場強(qiáng)度改變實(shí)現(xiàn)隧道磁阻效應(yīng)，通過磁片位移使隧道磁阻元件周圍磁場強(qiáng)度變化，線性度好、性能優(yōu)；采用杠桿機(jī)構(gòu)連接質(zhì)量塊與外部框架，當(dāng)有加速度信號(hào)輸入時(shí)，質(zhì)量塊與外部框架形成差動(dòng)；兩個(gè)隧道磁阻敏感元件反向?qū)ΨQ布置，輸出值反向偏離初始值，實(shí)現(xiàn)差分檢測，有效抑制干擾引起的共模誤差、增強(qiáng)裝置可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和微慣性導(dǎo)航的測量儀表技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于杠桿機(jī)構(gòu)的差動(dòng)質(zhì)量塊式隧道磁阻微加速度計(jì)裝置。

背景技術(shù)

隧道磁阻效應(yīng)是一種與電子自旋極化輸運(yùn)過程相關(guān)的量子現(xiàn)象。量子力學(xué)的隧道效應(yīng)就是指電子等微觀粒子能夠穿入或穿越高度大于其總能量的位勢壘的行為。隧道磁阻效應(yīng)廣泛存在于由鐵磁性薄膜和中間絕緣層構(gòu)成的平面磁隧道結(jié)中，其中間絕緣層的作用就是提供一個(gè)勢壘并隔開鐵磁層。電子隧穿過該絕緣層的幾率與上下鐵磁層的相對(duì)磁化方向和磁場強(qiáng)度相關(guān)，即磁化方向和磁場強(qiáng)度影響隧穿電流的大小，在其他條件不變的情況下，其表現(xiàn)為隧道結(jié)電阻阻值的變化，故稱為隧道磁阻效應(yīng)。隧穿電流對(duì)磁場變化的高靈敏性，決定了隧道磁阻對(duì)磁場變化具有極高的電阻靈敏度。

隧道磁阻式加速度計(jì)主要是利用加速度信號(hào)致使產(chǎn)生磁場的磁片發(fā)生位移，進(jìn)而使得平面磁隧道結(jié)中兩層鐵磁性薄膜磁場強(qiáng)度發(fā)生變化，于是測得隧道磁阻的變化便可得出輸入加速度的大小。由于隧道磁阻效應(yīng)對(duì)磁場變化具有很高的靈敏度，加速度值的測量也會(huì)變得更加精確。隨著加速度計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域的日益廣泛，對(duì)精度的要求也越來越高，但目前的加速度計(jì)精度尚顯不足，無法滿足當(dāng)前需求。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種基于杠桿機(jī)構(gòu)的差動(dòng)質(zhì)量塊式隧道磁阻加速度計(jì)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)差分檢測，并具有精度高、線性度好、抗共模誤差能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于杠桿機(jī)構(gòu)的差動(dòng)質(zhì)量塊式隧道磁阻微加速度計(jì)裝置，包括上層隧道磁阻傳感元件結(jié)構(gòu)、中層硅微傳感器結(jié)構(gòu)、下層布有電極引線的玻璃襯底結(jié)構(gòu)；上層結(jié)構(gòu)和中層結(jié)構(gòu)分別通過第一組錨點(diǎn)和第二組錨點(diǎn)鍵合在下層結(jié)構(gòu)上；

其中，上層結(jié)構(gòu)包括襯底、設(shè)置在襯底背面的絕緣層、布置在絕緣層上的第一隧道磁阻傳感器、第二隧道磁阻傳感器、第一、二、三、四敏感輸出電極，第一、二隧道磁阻傳感器位于襯底水平方向中線上，關(guān)于襯底垂直方向中線左右對(duì)稱布置，第一、二敏感輸出電極分別位于第一隧道磁阻傳感器的上下兩側(cè)，且關(guān)于襯底的水平方向中線上下對(duì)稱分布，它們與第一隧道磁阻傳感器連接，用于輸出第一隧道磁阻傳感器的檢測信號(hào)，第三、四敏感輸出電極分別位于第二隧道磁阻傳感器的上下兩側(cè)，且關(guān)于襯底的水平方向中線上下對(duì)稱分布，它們與第二隧道磁阻傳感器連接，用于輸出第二隧道磁阻傳感器的檢測信號(hào)；

中層結(jié)構(gòu)包括位于中心位置的質(zhì)量塊、位于質(zhì)量塊中心位置的磁片、質(zhì)量塊外部框架以及連接在質(zhì)量塊與質(zhì)量塊外部框架之間的四根“Z形”杠桿機(jī)構(gòu)，四根杠桿機(jī)構(gòu)的輸入端分別連接至質(zhì)量塊和外部框架，支點(diǎn)連接至第二組錨點(diǎn)；

下層結(jié)構(gòu)包括襯底以及設(shè)置在襯底上的第一力反饋電極、第二力反饋電極、信號(hào)引線以及若干金屬電極，第一力反饋電極位于襯底表面中心位置，且位于質(zhì)量塊的正下方；第一力反饋電極通過電極引線引出，第二力反饋電極呈分布于第一敏感反饋電極和第二組錨點(diǎn)之間，且位于外部框架的正下方，并通過電極引線引出，分別位于外部框架左上側(cè)位置和右下側(cè)位置；第二組錨點(diǎn)中有兩個(gè)錨點(diǎn)通過電極引線引出。

進(jìn)一步的，所述第一隧道磁阻傳感器的中心線與磁片的右側(cè)面重合，所述第二隧道磁阻傳感器的中心線與磁片的左側(cè)面重合。