CN107807255B - 一种基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计装置，包括顶层加速度转换结构、中间层液压放大结构和底层信号敏感结构，顶层加速度转换结构包括质量块、质量块基板；中间层液压放大结构包括屏蔽膜、液压放大器、液压放大结构体；底层信号敏感结构包括隧道磁阻励磁结构、第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、间距调整电极、绝缘层、基座。本发明的基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计装置，基于微型液压放大和间隙改变磁场强度的隧道磁阻式加速度计首次在加速度计上集成微型液压放大器，既保证上部质量块可以获得较大的运动角度(大量程)，又通过液压放大器放大位移，具有结构简单、灵敏度高、测量精度高等优点。

Description

一种基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计装置

技术领域

本发明属于微机电***(MEMS)和微惯性器件技术领域，具体涉及一种隧道磁阻式加速度计装置。

背景技术

现有隧道效应微加速度计，一般采用隧道效应中的电流效应，需要花费巨大精力通过加工工艺和精密机构控制加速计的隧尖和质量块纳米间隙，工艺实现复杂且控制难度高。

发明内容

发明目的：本发明的一种基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计装置，外界输入加速度产生的转动位移通过液压模块进行放大，导致隧道磁阻传感器周围的磁场发生变化，进而通过对隧道磁阻大小的测量获得输入加速度的大小，解决了现有隧道效应加速度存在的结构复杂、控制要求高、精度和量程相互制约等问题。

技术方案：本发明的一种基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计装置，包括顶层加速度转换结构、中间层液压放大结构和底层信号敏感结构，中间层液压放大结构位于顶层加速度转换结构和底层信号敏感结构之间，中间层液压放大结构通过屏蔽膜与顶层加速度计转换结构相连接且通过屏蔽膜与底层信号敏感结构相连接。

优选的，顶层加速度转换结构包括质量块、质量块基板；中间层液压放大结构包括屏蔽膜、液压放大器、液压放大结构体；底层信号敏感结构包括隧道磁阻励磁结构、第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第一间距调整电极、第二间距调整电极、第三间距调整电极、第四间距调整电极、绝缘层、基座，在隧道磁阻励磁结构两端电极施加电压从而在隧道磁阻励磁传感器中形成电流产生局部磁场，当加速度信号沿着第一方向输入时，质量块沿着第二方向产生相应的转动位移，位移信号经液压放大器实现放大并使得隧道磁阻励磁结构与第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器的间距发生改变，从而引起第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器周围的磁场发生改变，通过对第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器电阻的测量从而实现对外界输入加速度的测量。

优选的，质量块与质量块基板相连接并位于质量块基板中心位置的正上方，质量块基板与液压放大结构体相连接并位于液压放大结构体中心位置的上方。

优选的，中间层液压放大结构在液压放大结构体内部表面的正上方布置有屏蔽膜和且正下方布置有对称分布的屏蔽膜，屏蔽膜关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)两侧对称分布，且液压放大结构体的底座采用中间镂空的形式与加速度计整体结构的基座相连接，液压放大器的顶部与屏蔽膜相连接，且液压放大器的底部分别与屏蔽膜相连接，液压放大器位于加速度计整体结构左、右中心线(CD)两侧对称分布。

优选的，底层信号敏感结构的下半部分在基座的正上表面布置有绝缘层，绝缘层的四周与中间层液压放大结构的液压放大结构体四边相连接；绝缘层的正上方布置有第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第一间距调整电极、第二间距调整电极、第三间距调整电极、第四间距调整电极；第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器从顶到下分别布置有顶层电极、自由层、隧道势垒层、铁磁层、反铁磁层、底层电极，同时第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器的中心位于加速度计整体结构前、后中心线上且关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布，第一间距调整电极、第二间距调整电极、第三间距调整电极、第四间距调整电极位于绝缘层的左、右、前、后四边，第一间距调整电极、第二间距调整电极关于加速度计整体结构左、右中心线对称分布且第一间距调整电极、第二间距调整电极的中点位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，第三间距调整电极、第四间距调整电极关于加速度计整体结构前、后中心线(AB)对称分布且第一间距调整电极、第二间距调整电极的中点位于加速度计整体结构左、右中心线(CD)上；底层信号敏感结构的上半部分在液压放大结构体正下表面外部布置有绝缘层，绝缘层的背面布置有隧道磁阻励磁结构，隧道磁阻励磁结构由隧道磁阻励磁结构两端电极和隧道磁阻励磁传感器构成。

优选的，质量块和质量块基板采用圆柱型结构，且质量块与质量块基板的圆心位置相重合，质量块位于质量块基板的正上方；质量块基板布置于液压放大结构体的上表面，且与液压放大结构体内部上表面的屏蔽膜相连接。

优选的，绝缘层布置在基座的正上方，在绝缘层上布置有第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第一间距调整电极、第二间距调整电极、第三间距调整电极、第四间距调整电极；第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器由矩形块以蛇形结构串联而成，且第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器的中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上且关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布；第一间距调整电极、第二间距调整电极、第三间距调整电极、第四间距调整电极位于绝缘层的左、右、前、后四侧，第一间距调整电极、第二间距调整电极关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布且第一间距调整电极、第二间距调整电极的中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上；第三间隙调整电极、四间隙调整电极关于加速度计整体结构前、后中心线(AB)对称分布且第一间距调整电极、第二间距调整电极的中心位于加速度计整体结构左、右中心线(CD)上。

优选的，液压放大结构体的背面布置有绝缘层，且绝缘层与液压放大结构体的下表面的中心点相重合；绝缘层的背面布置有隧道磁阻励磁结构，隧道磁阻励磁结构内部隧道磁阻励磁传感器采用“蛇形”拓扑结构相连接，“蛇形”拓扑结构关于中心点呈中心对称，可形成关于中心点对称分布的磁场。

优选的，屏蔽膜位于液压放大结构体的下部内表面，屏蔽膜位于液压放大结构体的上部内表面，液压放大器由支撑部分和杠杆放大部分构成，且液压放大器位于屏蔽膜和屏蔽膜之间，液压放大器的支撑部分分别与屏蔽膜相连接，液压放大器的杠杆放大部分分别与屏蔽膜的左、右两侧相连接；支撑部分、屏蔽膜的***边界被液压放大结构体包围，且屏蔽膜的***边界在支撑部分的外边界；支撑部分的中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且支撑部分关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布；屏蔽膜的***边界中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且屏蔽膜的***边界关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布；杠杆放大部分的中心线位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且杠杆放大部分关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布；支撑部分的顶部可见，支撑部分的中心线位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且支撑部分关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布。

有益效果：

(1)本发明提出的基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计具有结构简单、灵敏度高、测量精度高等优点；

(2)利用MEMS技术，在加速度计上首次真正集成了微型励磁组件和高灵敏度的隧道磁阻传感器，极大提高了加速度计的极限检测能力；

(3)首次在加速度计上集成微型液压放大器，既保证上部质量块可以获得较大的运动角度(大量程)，又通过液压放大器放大位移，保证即使在极小的加速度输入时也可以获得较大的间隙改变，进一步提高了高精度量子隧道磁阻加速度计的检测极限(检测极限灵敏度)，完全克服传统隧道式加速度计量程和检测极限灵敏度不能同时兼容的缺点；

(4)彻底消除传统隧道式加速度计中的弹性梁，利用微型液压器传递运动，有利于进一步缩小励磁组件和隧道磁阻传感器的加速度间隙，可以提高灵敏度，同时克服了传统隧道式加速度无法抵抗振动冲击等恶劣环境，以及无法工程化和不具实用性的缺陷。

附图说明

图1为本发明的总体结构横向剖面正视图；

图2为本发明的总体结构纵向剖面右视图；

图3为本发明的顶层俯视图；

图4为本发明的底层信号敏感结构俯视图；

图5为本发明的底层信号敏感结构仰视图；

图6为本发明的液压放大结构横向剖面正视图；

图7为本发明的液压放大结构仰视图；

图8为本发明的液压放大结构俯视图。

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步解释。

如图1和图2所示，本发明的一种基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计包括顶层加速度转换结构、中间层液压放大结构和底层信号敏感结构，中间层液压放大结构位于顶层加速度转换结构和底层信号敏感结构之间，中间层液压放大结构通过屏蔽膜5与顶层加速度计转换结构相连接且通过屏蔽膜9、11与底层信号敏感结构相连接。其中，顶层加速度转换结构由质量块1、质量块基板4构成；中间层液压放大结构由屏蔽膜5、9、11、液压放大器7、8、液压放大结构体6构成；底层信号敏感结构包括隧道磁阻励磁结构13、第一隧道磁阻传感器20、第二隧道磁阻传感器21、第一间距调整电极17、第二间距调整电极18、第三间距调整电极29、第四间距调整电极30、绝缘层19、基座28。在隧道磁阻励磁结构13两端电极14、16施加电压从而在隧道磁阻励磁传感器15中形成电流产生局部磁场10，当加速度信号沿着第一方向2输入时，质量块1沿着第二方向3产生相应的转动位移，位移信号经液压放大器7、8实现放大并使得隧道磁阻励磁结构13与第一隧道磁阻传感器20、第二隧道磁阻传感器21的间距发生改变，从而引起第一隧道磁阻传感器20、第二隧道磁阻传感器21周围的磁场发生改变，通过对第一隧道磁阻传感器20、第二隧道磁阻传感器21电阻的测量从而实现对外界输入加速度的测量。

顶层加速度转换结构包括质量块1、质量块基板4，质量块1与质量块基板4相连接并位于质量块基板4中心位置的正上方，质量块基板4与液压放大结构体6相连接并位于液压放大结构体6中心位置的上方。

中间层液压放大结构在液压放大结构体6内部表面的正上方布置有屏蔽膜5且正下方布置有对称分布的屏蔽膜9、11，屏蔽膜9、11关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)两侧对称分布，且液压放大结构体6的底座采用中间镂空的形式与加速度计整体结构的基座28相连接。液压放大器7、8的顶部与屏蔽膜5相连接，且液压放大器7、8的底部分别与屏蔽膜9、11相连接，液压放大器7、8位于加速度计整体结构左、右中心线(CD)两侧对称分布。

底层信号敏感结构的下半部分在基座28的正上表面布置有绝缘层19，绝缘层19的四周与中间层液压放大结构的液压放大结构体6四边相连接；绝缘层19的正上方布置有第一隧道磁阻传感器20、第二隧道磁阻传感器21、第一间距调整电极17、第二间距调整电极18、第三间距调整电极29、第四间距调整电极30；第一隧道磁阻传感器20、第二隧道磁阻传感器21从顶到下分别布置有顶层电极22、自由层23、隧道势垒层24、铁磁层25、反铁磁层26、底层电极27，同时第一隧道磁阻传感器20、第二隧道磁阻传感器21的中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上且关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布，第一间距调整电极17、第二间距调整电极18、第三间距调整电极29、第四间距调整电极30位于绝缘层19的左、右、前、后四边，第一间距调整电极17、第二间距调整电极18关于加速度计整体结构(CD)左、右中心线对称分布且第一间距调整电极17、第二间距调整电极18的中点位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，第三间距调整电极29、第四间距调整电极30关于加速度计整体结构前、后中心线(AB)对称分布且第一间距调整电极17、第二间距调整电极18的中点位于加速度计整体结构左、右中心线(CD)上；底层信号敏感结构的上半部分在液压放大结构体6正下表面外部布置有绝缘层12，绝缘层12的背面布置有隧道磁阻励磁结构13，隧道磁阻励磁结构13由隧道磁阻励磁结构两端电极14、16和隧道磁阻励磁传感器15构成。

如图3所示，从顶层俯视图，质量块1和质量块基板4采用圆柱型结构，且质量块1与质量块基板4的圆心位置相重合，质量块1位于质量块基板4的正上方；质量块基板4布置于液压放大结构体6的上表面，且与液压放大结构体6内部上表面的屏蔽膜5相连接。

如图4所示，从底层信号敏感结构俯视图，绝缘层19布置在基座28的正上方，在绝缘层19上布置有第一隧道磁阻传感器20、第二隧道磁阻传感器21、第一间距调整电极17、第二间距调整电极18、第三间距调整电极29、第四间距调整电极30；第一隧道磁阻传感器20、第二隧道磁阻传感器21由矩形块以蛇形结构串联而成，且第一隧道磁阻传感器20、第二隧道磁阻传感器21的中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上且关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布；第一间距调整电极17、第二间距调整电极18、第三间距调整电极29、第四间距调整电极30位于绝缘层19的左、右、前、后四侧，第一间距调整电极17、第二间距调整电极18关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布且第一间距调整电极17、第二间距调整电极18的中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上；第三间距调整电极29、第四间距调整电极30关于加速度计整体结构前、后中心线(AB)对称分布且第一间距调整电极17、第二间距调整电极18的中心位于加速度计整体结构左、右中心线(CD)上。

如图5所示，从底层信号敏感结构仰视图，液压放大结构体6的背面布置有绝缘层12，且绝缘层12与液压放大结构体6的下表面的中心点相重合；绝缘层12的背面布置有隧道磁阻励磁结构13，隧道磁阻励磁结构13内部隧道磁阻励磁传感器15采用“蛇形”拓扑结构相连接，“蛇形”拓扑结构关于中心点呈中心对称，可形成关于中心点对称分布的磁场。

如图6所示，从液压放大整体结构的主视图，屏蔽膜9、11位于液压放大结构体6的下部内表面，屏蔽膜5位于液压放大结构体6的上部内表面，液压放大器7、8由支撑部分32、34和杠杆放大部分31、33构成，且液压放大器7、8位于屏蔽膜9、11和屏蔽膜5之间，液压放大器7、8的支撑部分32、34分别与屏蔽膜9、11相连接，液压放大器7、8的杠杆放大部分31、33分别与屏蔽膜5的左、右两侧相连接。

如图7所示，从液压放大整体结构的仰视图，支撑部分32、34、屏蔽膜9、11的***边界被液压放大结构体6包围，且屏蔽膜9、11的***边界在支撑部分32、34的外边界；支撑部分32、34的中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且支撑部分32、34关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布；屏蔽膜9、11的***边界中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且屏蔽膜9、11的***边界关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布。

如图8所示，从液压放大整体结构的俯视图，屏蔽膜5为透明部分，在图中不考虑其存在，杠杆放大部分31、33的中心线位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且杠杆放大部分31、33关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布；支撑部分32、34的顶部可见，支撑部分32、34的中心线位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且支撑部分32、34关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布。

综上所述，本发明的基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计通过将加速度计转换为磁场方向、强度的变化，然后利用基于隧道磁阻效应的磁阻传感器检测磁场的变化从而实现加速度的测量，其中隧道磁阻效应中所必须的纳米间隙直接通过薄膜沉积获得，实现简单；同时集成液压放大器，可实现对转动位移的放大和缩小，具有较高的灵敏度和测量范围，解决的现有加速度计测量精度和量程相互制约的问题。

Claims (5)

1.一种基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计装置，其特征在于：包括顶层加速度转换结构、中间层液压放大结构和底层信号敏感结构，中间层液压放大结构位于顶层加速度转换结构和底层信号敏感结构之间，中间层液压放大结构通过第一屏蔽膜(5)与顶层加速度计转换结构相连接且通过第二屏蔽膜(9、11)与底层信号敏感结构相连接；所述顶层加速度转换结构包括质量块(1)、质量块基板(4)；所述中间层液压放大结构包括第一屏蔽膜(5)、第二屏蔽膜(9、11)、液压放大器(7、8)、液压放大结构体(6)；所述底层信号敏感结构包括隧道磁阻励磁结构(13)、第一隧道磁阻传感器(20)、第二隧道磁阻传感器(21)、第一间距调整电极(17)、第二间距调整电极(18)、第三间距调整电极(29)、第四间距调整电极(30)、第一绝缘层(19)、基座(28)；所述质量块(1)与质量块基板(4)相连接并位于质量块基板(4)中心位置的正上方，质量块基板(4)与液压放大结构体(6)相连接并位于液压放大结构体(6)中心位置的上方，且与液压放大结构体(6)内部上表面的第一屏蔽膜(5)相连接；所述中间层液压放大结构在液压放大结构体(6)内部表面的正上方布置有第一屏蔽膜(5)且正下方布置有对称分布的第二屏蔽膜(9、11)，第二屏蔽膜(9、11)关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)两侧对称分布，且液压放大结构体(6)的底座采用中间镂空的形式与加速度计整体结构的基座(28)相连接，液压放大器(7、8)的顶部与第一屏蔽膜(5)相连接，且液压放大器(7、8)的底部分别与第二屏蔽膜(9、11)相连接，液压放大器(7、8)位于加速度计整体结构左、右中心线(CD)两侧对称分布；底层信号敏感结构的下半部分在基座(28)的正上表面布置有第一绝缘层(19)，第一绝缘层(19)的四周与中间层液压放大结构的液压放大结构体(6)四边相连接；第一绝缘层(19)的正上方布置有第一隧道磁阻传感器(20)、第二隧道磁阻传感器(21)、第一间距调整电极(17)、第二间距调整电极(18)、第三间距调整电极(29)、第四间距调整电极(30)；第一隧道磁阻传感器(20)、第二隧道磁阻传感器(21)从顶到下分别布置有顶层电极(22)、自由层(23)、隧道势垒层(24)、铁磁层(25)、反铁磁层(26)、底层电极(27)，同时第一隧道磁阻传感器(20)、第二隧道磁阻传感器(21)的中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上且关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布，第一间距调整电极(17)、第二间距调整电极(18)、第三间距调整电极(29)、第四间距调整电极(30)位于第一绝缘层(19)的左、右、前、后四边，第一间距调整电极(17)、第二间距调整电极(18)关于加速度计整体结构(CD)左、右中心线对称分布且第一间距调整电极(17)、第二间距调整电极(18)的中点位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，第三间距调整电极(29)、第四间距调整电极(30)关于加速度计整体结构前、后中心线(AB)对称分布；底层信号敏感结构的上半部分在液压放大结构体(6)的背面布置有第二绝缘层(12)，且第二绝缘层(12)与液压放大结构体(6)的下表面的中心点相重合；第二绝缘层(12)的背面布置有隧道磁阻励磁结构(13)，隧道磁阻励磁结构(13)由隧道磁阻励磁结构两端电极(14、16)和隧道磁阻励磁传感器(15)构成；所述第二屏蔽膜(9、11)位于液压放大结构体(6)的下部内表面，第一屏蔽膜(5)位于液压放大结构体(6)的上部内表面，液压放大器(7、8)由支撑部分(32、34)和杠杆放大部分(31、33)构成，且液压放大器(7、8)位于第二屏蔽膜(9、11)和第一屏蔽膜(5)之间，液压放大器(7、8)的支撑部分(32、34)分别与第二屏蔽膜(9、11)相连接，液压放大器(7、8)的杠杆放大部分(31、33)分别与第一屏蔽膜(5)的左、右两侧相连接；支撑部分(32、34)、第二屏蔽膜(9、11)的***边界被液压放大结构体(6)包围，且第二屏蔽膜(9、11)的***边界在支撑部分(32、34)的外边界；支撑部分(32、34)的中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且支撑部分(32、34)关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布；第二屏蔽膜(9、11)的***边界中心位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且第二屏蔽膜(9、11)的***边界关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布；杠杆放大部分(31、33)的中心线位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且杠杆放大部分(31、33)关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布；支撑部分(32、34)的顶部可见，支撑部分(32、34)的中心线位于加速度计整体结构前、后中心线(AB)上，且支撑部分(32、34)关于加速度计整体结构左、右中心线(CD)对称分布。

2.根据权利要求1所述的基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计装置，其特征在于：所述隧道磁阻励磁结构(13)由隧道磁阻励磁结构两端电极(14、16)和隧道磁阻励磁传感器(15)构成，在隧道磁阻励磁结构(13)两端电极(14、16)施加电压从而在隧道磁阻励磁传感器(15)中形成电流产生局部磁场(10)，当加速度信号沿着第一方向(2)输入时，质量块(1)沿着第二方向(3)产生相应的转动位移，位移信号经液压放大器(7、8)实现放大并使得隧道磁阻励磁结构(13)与第一隧道磁阻传感器(20)、第二隧道磁阻传感器(21)的间距发生改变，从而引起第一隧道磁阻传感器(20)、第二隧道磁阻传感器(21)周围的磁场发生改变，通过对第一隧道磁阻传感器(20)、第二隧道磁阻传感器(21)电阻的测量从而实现对外界输入加速度的测量。

3.根据权利要求1所述的基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计装置，其特征在于：质量块(1)和质量块基板(4)采用圆柱型结构，且质量块(1)与质量块基板(4)的圆心位置相重合。

4.根据权利要求1所述的基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计装置，其特征在于：第一隧道磁阻传感器(20)、第二隧道磁阻传感器(21)由矩形块以蛇形结构串联而成。

5.根据权利要求1所述的基于微型液压放大的隧道磁阻式加速度计装置，其特征在于：所述隧道磁阻励磁结构(13)内部隧道磁阻励磁传感器(15)采用“蛇形”拓扑结构相连接，“蛇形”拓扑结构关于中心点呈中心对称，形成关于中心点对称分布的磁场。

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