[發明專利]一種基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置

有效

• 申請號: 201811049089.5
• 申請日: 2018-09-10
• 公開（公告）號: CN109142785B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 楊波;李成;馮雨;王斌龍
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01P15/08
• 分類號: G01P15/08;G01P15/105;G01P15/13
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 葉涓涓

1.一種基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置，其特征在于，包括：頂部隧道磁阻傳感元件結構、中部敏感部件結構、底部隧道磁阻傳感元件結構，中部敏感部件結構為3D打印而成；中部敏感部件結構通過兩根3D立體支撐梁支撐在基座之上，頂部隧道磁阻傳感元件結構和底部隧道磁阻傳感元件結構分別位于中部敏感部件結構的上下兩側，且關于中部敏感部件結構上下對稱布置，基座連接在頂部隧道磁阻傳感元件結構和底部隧道磁阻傳感元件結構之間；

頂部隧道磁阻傳感元件結構包括第一襯底、設置在第一襯底背面的頂部間隙調節層、設置在頂部間隙調節層上的第一隧道磁阻傳感元件、第一、二敏感輸出電極；頂部間隙調節層與基座連接，第一隧道磁阻傳感元件布置于第一襯底下表面的中心位置，用于敏感中部敏感部件結構中上磁片的位移帶來的磁場強度變化，以將加速度信號轉化為電壓信號，第一隧道磁阻傳感元件在上磁片的上方中心位置，用于獲得Y軸方向較大的場強變化率；第一、二敏感輸出電極分別布置于第一隧道磁阻傳感元件的兩側，且關于第一襯底的Y軸方向中線對稱分布，用于輸出其檢測信號；

中部敏感部件結構包括質量塊、3D立體支撐梁、上磁片以及下磁片，上、下磁片分別布置于質量塊的上、下表面，分別用于生成第一、二隧道磁阻傳感元件所需的局部磁場；質量塊位于中部敏感部件結構的中心位置，通過一根3D立體支撐梁與基座的左側面相連，通過另一根3D立體支撐梁與基座的右側面相連；

底部隧道磁阻傳感元件結構與頂部隧道磁阻傳感元件結構一致，包括第二襯底、設置在第二襯底上的底部間隙調節層、設置在底部間隙調節層上的第二隧道磁阻傳感元件、第三、四敏感輸出電極，底部間隙調節層布置于第二襯底的正面，與基座連接；第二隧道磁阻傳感元件布置于第二襯底上表面的中心位置，用于敏感下磁片的位移帶來的磁場強度變化，第二隧道磁阻傳感元件位于下磁片的中心位置的正下方，用于獲得Y軸方向的最大測量靈敏度；第三、四敏感輸出電極分別布置于第二隧道磁阻傳感元件的兩側，且關于第二襯底的Y軸方向中線對稱分布，用于輸出其檢測信號。

2.根據權利要求1所述的基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置，其特征在于，頂部間隙調節層為環形，邊長與第一 襯底的邊長相同，且右側面、后側面、左側面和前側面分別與第一 襯底對應的側面重合。

3.根據權利要求1所述的基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置，其特征在于，頂部和底部間隙調節層由3D打印材料制成。

4.根據權利要求1所述的基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置，其特征在于，第一隧道磁阻傳感元件關于第一襯底Y軸方向中線對稱，第一隧道磁阻傳感元件關于第一襯底X軸方向中線對稱。

5.根據權利要求1所述的基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置，其特征在于，所述第一隧道磁阻傳感元件包括頂層、自由層、隧道勢壘層、鐵磁層、反鐵磁層和底層。

6.根據權利要求1所述的基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置，其特征在于，所述3D立體支撐梁由上、下兩層“U型”彈性梁組成，上、下兩層“U型”彈性梁方向相反布置，而同層的質量塊兩側的“U型”彈性梁方向也采用反向布置。

7.根據權利要求1所述的基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置，其特征在于，所述3D立體支撐梁和質量塊由3D打印材料制成。

8.根據權利要求6所述的基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置，其特征在于，基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置的實現方法包括如下過程：

當有加速度信號沿水平方向輸入時，質量塊在“U型”彈性梁的支撐下帶動上、下磁片沿Y軸方向發生位移；

第一、二隧道磁阻傳感元件分別位于上、下磁片的正上方、正下方，且二者方向相反布置，當上、下磁片沿水平方向位移時，第一、二隧道磁阻傳感元件周圍磁場發生相同大小改變，且在Y軸方向磁場變化率最大、在Z軸方向磁場變化率最小，從而利用隧道磁阻效應實現了水平方向的加速度敏感；

同時由于第一、二隧道磁阻傳感元件反向布置，其輸出值會沿相反方向發生線性變化，從而實現了對加速度信號的差分檢測。