[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

本發明提供如了一種基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置，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；中部結構通過3D立體支撐梁支撐在基座之上，分別位于中部結構的上下兩側，且關于中部結構上下對稱布置。本發明采用3D打印代替硅微加工工藝，尺寸精確、加工便捷；敏感部件采用3D立體支撐梁，在測量上具有可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強等優點，支撐梁和質量塊都使用尼龍材料進行3D打印而來，其在水平方向有較好的位移能力，同時在垂直方向有更好的抑制能力；立體支撐梁采用雙層“U型”梁相反布置，能有效增強敏感部件的穩定性，提高裝置的可靠性。

技術領域

本發明屬于微慣性導航的測量儀表技術領域，涉及一種基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置。

背景技術

3D打印是一種快速成型技術，它是運用尼龍、塑料或粉末狀金屬等材料，通過層疊的方式逐層構造出實體的技術。不同于傳統的紙墨打印機，3D打印機通常以數字模型文件為基礎，通過計算機的控制，打印機將“打印材料”一層層疊加起來，最終把模型文件制作成實物。3D打印具有快捷性，制作出的實物結構尺寸精確、質量輕巧，用3D打印代替傳統的MEMS硅加工工藝是微慣性器件發展的新方向之一。

隧道磁阻效應是一種突破經典力學量子效應，具體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現象。在平面型隧道結中，按經典力學，電子無法越過能量高于它自身的絕緣層，但量子力學表明，電子有幾率隧穿過該勢壘，且電子遂穿的幾率與上下鐵磁層的相對磁化方向和磁場強度相關，其在宏觀上就表現為隧道結電阻阻值的變化。由于隧道結電阻對磁場變化具有很高的敏感性，故利用隧道磁阻效應制作的傳感器具有高靈敏度。

近年來，國內外都對隧道磁阻式微慣性器件進行了大量研究，但能夠制作成型且具有一定性能的案例還很少。利用3D打印代替硅加工技術加工出來的傳感器結構，是目前高精度微慣性器件新的研究的方向之一，但目前尚無應用成功的先例。

發明內容

為解決上述問題，本發明公開了一種基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置，具有結構穩定、加工便捷、靈敏度高、可靠性好等優點。

為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于3D打印的水平軸敏感的隧道磁阻加速度計裝置，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；中部結構通過3D立體支撐梁支撐在基座之上，分別位于中部結構的上下兩側，且關于中部結構上下對稱布置；

頂部結構包括襯底、設置在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襯底下表面的中心位置，用于敏感中部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器的上下兩側，且關于襯底的水平方向中線上下對稱分布，用于輸出其檢測信號；

中部結構包括質量塊、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；質量塊位于中部結構的中心位置，通過3D立體支撐梁支撐在基座的左、右側面之上；

底部結構與頂部結構一致，包括襯底、設置在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襯底的正面，與基座連接；第二隧道磁阻傳感元件布置于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上下兩側，用于輸出其檢測信號。