CN110780088B

CN110780088B - 多桥路隧道磁阻双轴加速度计

Info

Publication number: CN110780088B
Application number: CN201911088785.1A
Authority: CN
Inventors: 张瑞; 李孟委; 宫美梅; 金丽; 辛晨光
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-08-03
Anticipated expiration: 2039-11-08
Also published as: CN110780088A

Abstract

本发明涉及一种多桥路隧道磁阻双轴加速度计，包括支撑框架一、支撑框架二、X轴质量块、Y轴质量块、X轴隧道磁阻元件、Y轴隧道磁阻元件、X轴回折线圈、Y轴回折线圈，X轴质量块上固定设置相互正交的X轴回折线圈和Y轴回折线圈；X轴回折线圈的两端以及Y轴回折线圈的两端分别通过导线与支撑框架一上的相应电极连接；支撑框架二上固定设置X轴隧道磁阻元件和Y轴隧道磁阻元件；X轴隧道磁阻元件位于X轴回折线圈的正上方；Y轴隧道磁阻元件位于Y轴回折线圈的正上方，隧道磁阻元件内部设置多桥路结构。本发明提出的基于多桥路隧道磁阻的双轴MEMS加速度计极大提高了加速度计的极限检测能力和检测灵敏度。

Description

多桥路隧道磁阻双轴加速度计

技术领域

本发明涉及微机电***和微惯性器件技术领域，具体涉及一种多桥路隧道磁阻双轴加速度计。

背景技术

MEMS加速度计的检测方式有压阻式、压电式、电容式、共振隧穿式、电子隧道效应式等。电容检测陀螺仪目前是主流检测方式，其具有精度高、稳定性好、适合批量加工和易集成的优点，但由于梳齿多且间距较小，在外部作用力下梳齿容易发生吸合导致器件失效。虽然电容式陀螺的噪声水平和检测精度一直在提高，但仍受接口电路分辨率，寄生电容、工艺加工技术的限制，检测分辨率已经达到了极限，噪声水平很难突破0.1°/h；压阻效应检测的微加速度计，固有温度限制了其应用，难以提高其灵敏度；压电效应检测的灵敏度易漂移，需要经常校正，且归零慢，不宜连续测试；共振隧穿效应检测灵敏度较硅压阻效应高一个数量级，但测试得到的检测灵敏度低，存在的问题是偏置电压容易因加速度计驱动而漂移，导致加速度计不能稳定工作；电子隧道效应检测制造工艺及其复杂，检测电路也相对较难实现，成品率低，难以正常工作。

2008年，哈尔滨工业大学公开了一种具有梳状电极结构的双轴加速度计，在梳齿电容式加速度计中，各可动梳齿垂直于质量块的边缘并沿着敏感方向平行放置，而固定梳齿等间距地分布在移动梳齿的两边，构成电容差分对，但这种结构要求每个固定梳齿都必需与基片单独键合，大大地增加了工艺的难度，不利于成品率的提高。2015年，无锡科技职业学院提出了一种集成CMOS双轴加速度计，该加速度计包含8个弹簧。弹簧在设计时需要保证在Z方向的弹性常数大于在XOY平面内的弹性常数，并且X和Y方向的弹性常数不能过小，以避免增加***的热噪声。该加速度计测试局限性大，不利于提高测试精度。2016年，东南大学提出一种基于间隙改变的隧道磁阻加速度计，该结构利用四个间隙调整电极形成两个差动电容力矩器，可以很高地检测单轴加速度。目前对于双轴加速度检测的检测设备不够完善，使用的加速度计的极限检测能力和检测灵敏度也不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多桥路隧道磁阻双轴加速度计。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：多桥路隧道磁阻双轴加速度计，包括固定连接的支撑框架一和支撑框架二；

支撑框架一上设置X轴质量块和Y轴质量块；Y轴质量块通过若干个具有弹性形变能力的Y轴检测梁与支撑框架一连接；X轴质量块通过若干个具有弹性形变能力的X轴检测梁与Y轴质量块连接；

X轴质量块上固定设置相互正交的X轴回折线圈和Y轴回折线圈；X轴回折线圈的两端以及Y轴回折线圈的两端分别通过导线与支撑框架一上的相应电极连接；

支撑框架二上固定设置X轴隧道磁阻元件和Y轴隧道磁阻元件；X轴隧道磁阻元件位于X轴回折线圈的正上方；Y轴隧道磁阻元件位于Y轴回折线圈的正上方；

X轴隧道磁阻元件的内部多桥路结构包括磁阻R₁、R₂、R₃、R₄；R₁、R₃为正相关磁阻结；R₂、R₄为负相关磁阻结；

Y轴隧道磁阻元件的内部多桥路结构包括磁阻R₅、R₆、R₇、R₈；R₅、R₆为正相关磁阻结；R₇、R₈为负相关磁阻结。

进一步的，支撑框架一和Y轴质量块均为框架结构；Y轴质量块位于支撑框架一内；X轴质量块位于Y轴质量块内。

进一步的，串联连接的R₁、R₂与串联连接的R₃、R₄并联连接，检测点A位于R₁、R₂之间，检测点B位于R₃、R₄之间；串联连接的R₅、R₆与串联连接的R₇、R₈并联连接，检测点C位于R₅、R₆之间，检测点D位于R₇、R₈之间。

进一步的，所述X轴检测梁和所述Y轴检测梁均为直梁或至少一层弯曲折叠的细长梁。

进一步的，支撑框架二上固定设置支撑梁一和支撑梁二；支撑梁一连接支撑框架二和放置X轴隧道磁阻元件的基板一，支撑梁二连接支撑框架二和放置Y轴隧道磁阻元件的基板二。

进一步的，X轴回折线圈和Y轴回折线圈位于支撑框架一与支撑框架二之间。

加速度检测方法如下：本发明采用隧道磁阻效应检测方式，利用输入加速度引起相应质量块位移，质量块再带动其上固定的线圈运动，对通电线圈造成的位移，引起其上方的隧道磁阻元件敏感到的高变换率磁场发生变化，通过测量磁阻元件阻值的变化实现对X轴和Y轴两个方向的输入加速度的测量。

当有沿X轴方向的加速度输入时，X轴检测梁发生形变，X轴质量块受X轴检测梁作用沿X轴方向运动，带动上方的X轴回折线圈沿X轴方向运动，X轴回折线圈和其上方的X轴隧道磁阻元件之间的相对位移发生变化，X轴隧道磁阻元件敏感到微小位移引起磁场变化，磁场变化引起X轴隧道磁阻元件中自旋电子隧穿几率变化而发生隧道磁阻效应，导致自身阻值发生较大变化，通过对X轴隧道磁阻元件阻值变化的测量，即测量A、B端的压差值，可实现对X轴方向输入加速度的测量。

当有Y轴方向的加速度输入时，Y轴检测梁发生形变，Y轴质量块受Y轴检测梁的作用沿Y轴方向运动，带动上方的Y轴回折线圈沿Y轴方向运动，Y轴回折线圈和其上方的Y轴隧道磁阻元件之间的相对位移发生变化，Y轴隧道磁阻元件敏感到微小位移引起磁场变化，磁场变化引起Y轴隧道磁阻元件中自旋电子隧穿几率变化而发生隧道磁阻效应，导致自身阻值发生较大变化，通过对Y轴隧道磁阻元件阻值变化的测量，即测量C、D端的压差值，可实现对Y轴方向输入加速度的测量。

本发明的技术效果如下：

1、本发明可用于检测X轴和Y轴两个方向的输入加速度，所放置的两个回折线圈位于同一质量块上，且相互正交，互不影响，可消除静磁干扰，利于单片集成。

2、采用多桥路结构的隧道磁阻元件，多桥路隧道磁阻通过设置不同检测方向上不同桥路的不同磁阻结，增大了磁阻结的放大倍数，使得磁阻对于高变换率的磁场更加敏感，具有饱和磁场低、工作磁场小、温度系数小、测量带宽大、测量精度高等优点。当检测Y轴方向加速度时，仅有Y轴隧道磁阻元件中的内部多桥路结构CD端有输出，而X轴隧道磁阻元件中的内部多桥路结构AB端几乎无输出，检测X轴方向加速度时亦然。该多桥路结构实现了X,Y两轴加速度的检测相互独立，互不干扰。

3、基于多桥路隧道磁阻的双轴MEMS加速度计极大提高了加速度计的极限检测能力和检测灵敏度，开展了新物理效应检测的MEMS加速度计研究，填补了近年来少有关于隧道磁阻双轴加速度计的研究项目的空白，也将使其成为新一代高精度微机械加速度计的发展方向之一。

4、隧道磁阻效应加速度计主要是基于隧道磁阻效应来测量输入的加速度，利用输入加速度引起的极化方向变化或者隧道间隙变化，测量其导致的电阻变化就可以测量输入加速度大小。隧道磁阻加速度计具有结构简单、灵敏度高、测量精度高等优点。

附图说明

图1为实施例中本发明的整体结构示意图；

图2为实施例中加速度计支撑框架及质量俯视图；

图3为实施例中加速度计线圈俯视图；

图4为实施例中隧道磁阻及其框架俯视图；

图5为实施例中X轴隧道磁阻元件的内部多桥路结构示意图；

图6位实施例中Y轴隧道磁阻元件的内部多桥路结构示意图。

附图标记：1、支撑框架一；2、支撑框架二；3、支撑梁一；4、支撑梁二；5、Y轴隧道磁阻元件；6、X轴隧道磁阻元件；7、Y轴质量块；8、X轴质量块；9、Y轴回折线圈；10、X轴回折线圈；11、导线一；12、导线二；13、导线三；14、导线四；15、电极一；16、电极二；17、电极三；18、电极四；19、Y轴检测梁一；20、Y轴检测梁二；21、Y轴检测梁三；22、Y轴检测梁四；23、X轴检测梁一；24、X轴检测梁二；25、X轴检测梁三；26、X轴检测梁四。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参见图1-6所示，多桥路隧道磁阻双轴加速度计，包括固定连接的支撑框架一1和支撑框架二2。

支撑框架一1上设置X轴质量块8和Y轴质量块7；Y轴质量块7通过若干个具有弹性形变能力的Y轴检测梁与支撑框架一1连接；X轴质量块8通过若干个具有弹性形变能力的X轴检测梁与Y轴质量块7连接。支撑框架一1和Y轴质量块7均为框架结构；Y轴质量块7位于支撑框架一1内；X轴质量块8位于Y轴质量块7内。X轴检测梁和Y轴检测梁为直梁或至少一层弯曲折叠的细长梁，增大检测位移的灵敏度。

X轴质量块8上固定设置相互正交的X轴回折线圈10和Y轴回折线圈9；X轴回折线圈10的两端以及Y轴回折线圈9的两端分别通过导线与支撑框架一1上的相应电极连接。X轴回折线圈10和Y轴回折线圈9位于支撑框架一1与支撑框架二2之间。

支撑框架二2上固定设置X轴隧道磁阻元件6和Y轴隧道磁阻元件5；X轴隧道磁阻元件6位于X轴回折线圈10的正上方；Y轴隧道磁阻元件5位于Y轴回折线圈9的正上方。支撑框架二2上固定设置支撑梁一3和支撑梁二4；支撑梁一3连接支撑框架二2和放置X轴隧道磁阻元件6的基板一，支撑梁二4连接支撑框架二2和放置Y轴隧道磁阻元件5的基板二。

X轴隧道磁阻元件6的内部多桥路结构包括磁阻R₁、R₂、R₃、R₄；R₁、R₃为正相关磁阻结；R₂、R₄为负相关磁阻结。

Y轴隧道磁阻元件5的内部多桥路结构包括磁阻R₅、R₆、R₇、R₈；R₅、R₆为正相关磁阻结；R₇、R₈为负相关磁阻结。

串联连接的R₁、R₂与串联连接的R₃、R₄并联连接，检测点A位于R₁、R₂之间，检测点B位于R₃、R₄之间；串联连接的R₅、R₆与串联连接的R₇、R₈并联连接，检测点C位于R₅、R₆之间，检测点D位于R₇、R₈之间。

当Y轴方向有输入加速度时，呈正弦波变换的磁场使得CD端压差增大，产生大的输出，从而使Y轴隧道磁阻元件5敏感到高变化率的磁场，自身阻值发生较大变化。当X轴方向有输入加速度是，AB端压差增大，产生大的输出，从而使X轴隧道磁阻元件6敏感到高变化率的磁场，自身阻值发生较大变化。

优选地，X轴检测梁包括分布在Y轴质量块7内周侧的X轴检测梁一23、X轴检测梁二24、X轴检测梁三25、X轴检测梁四26；Y轴检测梁包括分布在支撑框架一1内周侧的Y轴检测梁一19、Y轴检测梁二20、Y轴检测梁三21、Y轴检测梁四22。

如图2所示，支撑框架一1是中空的框架结构，支撑框架一1通过Y轴检测梁一19、Y轴检测梁二20、Y轴检测梁三21、Y轴检测梁四22与位于其内周侧的Y轴质量块7连接。Y轴质量块7通过X轴检测梁一23、X轴检测梁二24、X轴检测梁三25、X轴检测梁四26与位于其内周侧的X轴质量块8连接。

如图3所示为加速度计线圈俯视图，Y轴回折线圈9固定设置在X轴质量块8上方左侧；X轴回折线圈10固定设置在X轴质量块8上方右侧；X轴回折线圈10与Y轴回折线圈9相互正交放置；电极包括电极一15、电极二16、电极三17、电极四18。导线包括导线一11、导线二12、导线三13、导线四14。导线一11与电极一15连接，导线二12与电极二16连接，导线三13与电极三17连接，导线四14与电极四18连接；导线一11与Y轴回折线圈9的一端连接；导线三13与Y轴回折线圈9的另一端连接；导线二12与X轴回折线圈10的一段连接；导线四14与X轴回折线圈10的另一端连接。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.多桥路隧道磁阻双轴加速度计，其特征在于，包括固定连接的支撑框架一和支撑框架二；

X轴隧道磁阻元件的内部多桥路结构包括检测点A、B以及磁阻R₁、R₂、R₃、R₄；R₁、R₃为正相关磁阻结；R₂、R₄为负相关磁阻结；

Y轴隧道磁阻元件的内部多桥路结构包括检测点C、D以及磁阻R₅、R₆、R₇、R₈；R₅、R₆为正相关磁阻结；R₇、R₈为负相关磁阻结；

支撑框架一和Y轴质量块均为框架结构；Y轴质量块位于支撑框架一内；X轴质量块位于Y轴质量块内。

2.根据权利要求1所述的多桥路隧道磁阻双轴加速度计，其特征在于，串联连接的R₁、R₂与串联连接的R₃、R₄并联连接，检测点A位于R₁、R₂之间，检测点B位于R₃、R₄之间；串联连接的R₅、R₆与串联连接的R₇、R₈并联连接，检测点C位于R₅、R₆之间，检测点D位于R₇、R₈之间。

3.根据权利要求1所述的多桥路隧道磁阻双轴加速度计，其特征在于，所述X轴检测梁和所述Y轴检测梁均为直梁或至少一层弯曲折叠的细长梁。

4.根据权利要求1所述的多桥路隧道磁阻双轴加速度计，其特征在于，支撑框架二上固定设置支撑梁一和支撑梁二；支撑梁一连接支撑框架二和放置X轴隧道磁阻元件的基板一，支撑梁二连接支撑框架二和放置Y轴隧道磁阻元件的基板二。

5.根据权利要求1所述的多桥路隧道磁阻双轴加速度计，其特征在于，X轴回折线圈和Y轴回折线圈位于支撑框架一与支撑框架二之间。