CN112858720A - 一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式mems加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，包括下层的磁场发生与检测部分、上层的磁场调制部分以及两部分所在的安装框架，所述磁场发生与检测部分包括励磁线圈、隧穿式磁电阻和磁场聚集器，能够产生恒强磁场并检测该磁场受调制器影响的变化；所述上层的磁场调制部分主体为质量‑挠性结构，质量块下表面设置磁场调节器，能够调制磁场。另外，本发明的加速度计还有差动检测结构，能够提高灵敏度、降低温度噪声。本发明是一种加速度‑磁场强度‑电阻的信号转化方式，充分利用隧穿式磁电阻的高变化率特性提高加速度检测效率，同时在工艺上采用集成方法，在精度、体积方面具有不可比拟的优点，可广泛应用于高精度惯性导航和军工领域。

Description

一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，具体涉及一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计。

背景技术

隧穿式磁电阻（TMR）是一种能够将磁场强度转化为电阻阻值的磁场传感器，可以测量磁场强度。其由多层材料的磁隧道结制成，其磁场敏感方向与层面平行。这种传感器具有高灵敏度、低噪声的优势，能够在微弱磁场变化下有很大的阻值变化率。

由于这种磁电阻具有优势性能，除了在磁场检测领域，其还可以有多种其他领域应用，将其他信号转化为磁场信号，再由隧穿式磁电阻检测磁场变化达到传感器作用。本专利就是基于这种应用模式，利用隧穿式磁电阻检测由磁***移导致的磁场变化，从而实现检测位移量乃至加速度场的传感器功能。

差动结构是一种常见的增强传感器检测分辨力、消除共模干扰的信号检测方式，差动结构要求输出一对变化大小相同、变化方向相反的信号，通过分析处理抵消共模信号，便于信号放大。

随着传感器技术和微电子技术的飞速发展，MEMS传感器不断创新和发展。MEMS传感器具有体积小、集成度高、可靠性高、灵敏度高等优点，在惯性导航领域的应用非常突出。而当前的MEMS惯性导航传感器主要还是以梳齿电容等原理为主，存在分辨率低的缺陷。需要改进。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，将隧穿式磁电阻的高灵敏度应用在加速度计上，同时在工艺上采用集成方法大大减小了传感器体积，在精度、体积方面具有不可比拟的优点，可广泛应用于高精度惯性导航和军工领域。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，包括下层的磁场发生与检测部分、上层的磁场调制部分以及两部分所在的安装框架，

所述磁场发生与检测部分包括励磁线圈、隧穿式磁电阻和磁场聚集器，所述励磁线圈设置在下安装框架上，励磁线圈两端设有引入电极，所述隧穿式磁电阻设置在励磁线圈上方，励磁线圈与隧穿式磁电阻之间设有绝缘材料，隧穿式磁电阻数量为四个，以下安装框架中点为中心呈“口”字型对称设置，每个隧穿式磁电阻设有两个引出电极，所述磁场聚集器设置在隧穿式磁电阻的上下两侧，

所述上层的磁场调制部分主体为质量-挠性结构，所述质量-挠性结构固定在上安装框架上，磁场调制部分与磁场发生与检测部分通过固定框连接，磁场调节器设置在质量块背面的正中心位置，磁场调节器设置在隧穿式磁电阻上方，磁场调节器大小≤两个磁场聚集器之间的空档。

进一步的，所述励磁线圈为铜制励磁线圈，沉积在最底层，为矩形平面螺旋形状，上有绝缘材料布满整个线圈区域。

进一步的，所述磁场聚集器为软磁材料制成的矩形磁场放大结构，沉积在绝缘层上，为对称的一对，分别平行放在电流方向相反的两组线圈上，一对磁场聚集器中间的空档部分为四个阵列单元组成的磁性敏感阵列的区域，每个阵列单元为一个单独的隧穿式磁电阻阵列。

进一步的，所述的磁场调制部分，为一体式的质量块-梁结构，上安装框架四周设有弹性梁结构，所述质量块设置在弹性梁结构内，为了实现其在平面方向上的运动模态，弹性梁的形状是弓字形状的折叠梁结构。

进一步的，所述的磁场发生与检测部分和磁场调制部分通过两个厚度相等的垫片粘接而成，确保磁场调节器（软磁材料制成的薄膜）能够在磁性敏感阵列的正上方。

进一步的，所述磁场发生与检测部分的绝缘材料为化学气相沉积的二氧化硅，磁场聚集器为电镀在绝缘材料表面的镍铁合金；所述磁场调制部分为一体湿法刻蚀的石英结构，再溅射一层铁镍合金薄膜在质量块正中心作为磁场调节器。

本发明所述的一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，其工作原理包括以下步骤：

首先向励磁线圈通入直流电流，使隧穿式磁电阻（磁性敏感部件）处于垂直于励磁线圈的磁场当中，且该磁场以B线（横向中心线）为中心线对称，B线上下两个区域磁场强度相等，磁场方向相反，使得四个呈“口”字型对称排列的隧穿式磁电阻形成差动结构，当对磁场进行调制时，两组电阻所在磁场变化强度相等，变化方向相反；磁场聚集器紧贴在隧穿式磁电阻的上下两侧，起到聚集磁力线，放大磁场强度，提高磁场调制效率的作用，当整个加速度计处于加速度场中，质量块会作垂直于纸面方向的运动，此时质量块下表面镀有的磁场调节器会对磁场产生吸引作用，从而对磁场进行调制，再通过差动隧穿式磁电阻将磁场变化转化成电信号输出。

关于磁场的调制原理：

磁场调节器、磁场聚集器、隧穿式磁电阻同时处在励磁线圈通电产生的磁场当中，当磁场调节器上下位移时，磁力线的变化是：当磁场调节器在上方，其对磁力线的吸引作用变小，隧穿式磁电阻处磁场强度较大；当磁场调节器在下方，其对磁力线的吸引作用变大，相当于与磁场聚集器共同屏蔽隧穿式磁电阻处磁场，使隧穿式磁电阻处的磁场强度变小。

本发明的有益效果是：

（1）本发明将将隧穿式磁电阻与MEMS加速度计结合，将隧穿式磁电阻的高变化率与MEMS加速度计的高精度、高灵敏度、低能耗、小体积等优点结合，大大提高了传统MEMS加速度计的检测精度和效率。

（2）本发明中提出的加速度计具有差动式结构，能够提高输出灵敏度，同时抵消共模误差，提高零漂稳定性，便于后续放大输出，使加速度计具有高精度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的底层磁场发生与检测部分结构示意图；

图3是本发明的上层磁场调制部分结构示意图；

图4是本发明的磁场调制原理示意图。

附图标记列表：

1、磁场聚集器，2、励磁线圈，3、隧穿式磁电阻；301-304、具体的四个隧穿式磁电阻，401-408、引出电极，409-410、引入电极，6、固定框，701-704、弹性梁，8、质量块，9、磁场调节器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图所示，本发明所述的一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，包括下层的磁场发生与检测部分、上层的磁场调制部分以及两部分所在的安装框架，下层整体结构关于A、B线均对称，上层为一同样对称的整体微加工结构。

具体结构间的安装方式与位置关系：所述磁场发生与检测部分包括励磁线圈2、隧穿式磁电阻3和磁场聚集器1，所述励磁线圈设置在下安装框架上，励磁线圈两端设有引入电极409-410用以通入电流，所述隧穿式磁电阻3设置在励磁线圈2上方，励磁线圈2与隧穿式磁电阻3之间设有绝缘材料，隧穿式磁电阻数量为四个301-304，以下安装框架中点为中心呈“口”字型对称设置（必须严格对称，301、302、303、304与横向导线的相对位置必须一样，且靠近中心，远离左右两边的纵向导线），401-408为沉积在绝缘层上的隧穿式磁电阻的引出电极，就近排布在磁电阻两侧，每只磁电阻引出两个电极，键合方式为楔形焊点的金线键合，以保证金线高度不干涉质量块上下位移，所述磁场聚集器1设置在隧穿式磁电阻3的上下两侧，

所述上层的磁场调制部分主体为石英质量-挠性结构，所述质量-挠性结构固定在上安装框架上，磁场调制部分与磁场发生与检测部分通过固定框连接，质量块8与固定框6之间由4根形状相同的弹性梁701-704连接，磁场调节器9设置在质量块8背面的正中心位置，磁场调节器9设置在隧穿式磁电阻3上方，磁场调节器9大小≤两个磁场聚集器1之间的空档（也就是说磁场调节器9大小略小于并几乎覆盖301-304磁电阻所在区域）。

上层与下层的位置关系关键在于磁场调节器9与301~304磁电阻的覆盖关系，固定方式为固定框6通过两块等厚度的垫片粘接在励磁线圈上下梁区域，整***置关系如图1所示。

本发明所述的一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，其工作原理包括以下步骤：

首先向励磁线圈2通入直流电流，使隧穿式磁电阻3（磁性敏感部件）处于垂直于励磁线圈2的磁场当中，且该磁场以B线（横向中心线）为中心线对称，B线上下两个区域磁场强度相等，磁场方向相反，使得四个呈“口”字型对称排列的隧穿式磁电阻301-304形成差动结构，当对磁场进行调制时，两组电阻所在磁场变化强度相等，变化方向相反；磁场聚集器1（材料为坡莫合金）紧贴在隧穿式磁电阻3的上下两侧，起到聚集磁力线，放大磁场强度，提高磁场调制效率的作用，当整个加速度计处于加速度场中，质量块8会沿四根弹性梁701-704作垂直于纸面方向的运动，此时质量块8下表面镀有的磁场调节器（材料为坡莫合金）9会对磁场产生吸引作用，从而对磁场进行调制，再通过差动隧穿式磁电阻3将磁场变化转化成电信号输出。

关于磁场的调制原理：

如图4所示，磁场调节器9、磁场聚集器1、隧穿式磁电阻3同时处在励磁线圈2通电产生的磁场当中，当磁场调节器9上下位移时，磁力线的变化是：当磁场调节器9在上方，其对磁力线的吸引作用变小，隧穿式磁电阻3处磁场强度较大；当磁场调节器9在下方，其对磁力线的吸引作用变大，相当于与磁场聚集器1共同屏蔽隧穿式磁电阻3处磁场，使隧穿式磁电阻3处的磁场强度变小。

加工工艺及材料：

工艺上，除了隧穿式磁电阻301-304的制备及其与电极的键合，其余工艺均由微加工工艺制造。

本发明所述励磁线圈2为铜制励磁线圈，沉积在最底层，为矩形平面螺旋形状，所述磁场聚集器为软磁材料制成的矩形磁场放大结构，沉积在绝缘层上，为对称的一对，分别平行放在电流方向相反的两组线圈上，一对磁场聚集器中间的空档部分为四个隧穿式磁电阻组成的磁性敏感阵列的区域；引入电极和引出电极4为通过金属掩膜版溅射的铜层，所述磁场发生与检测部分的绝缘材料为化学气相沉积的二氧化硅，磁场聚集器2为电镀在绝缘材料表面的镍铁合金；达到磁场调制部分为一体湿法刻蚀的石英结构，再溅射一层铁镍合金薄膜在质量块正中心作为磁场调节器9。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (8)

1.一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，其特征在于：包括下层的磁场发生与检测部分、上层的磁场调制部分以及两部分所在的安装框架，

所述磁场发生与检测部分包括励磁线圈、隧穿式磁电阻和磁场聚集器，所述励磁线圈设置在下安装框架上，励磁线圈两端设有引入电极，所述隧穿式磁电阻设置在励磁线圈上方，励磁线圈与隧穿式磁电阻之间设有绝缘材料，隧穿式磁电阻数量为四个，以下安装框架中点为中心呈“口”字型对称设置，每个隧穿式磁电阻设有两个引出电极，所述磁场聚集器设置在隧穿式磁电阻的上下两侧，

所述上层的磁场调制部分主体为质量-挠性结构，所述质量-挠性结构固定在上安装框架上，磁场调制部分与磁场发生与检测部分通过固定框连接，磁场调节器设置在质量块背面的正中心位置，磁场调节器设置在隧穿式磁电阻上方，磁场调节器大小≤两个磁场聚集器之间的空档。

2.根据权利要求1所述的一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，其特征在于：所述励磁线圈为铜制励磁线圈，沉积在最底层，为矩形平面螺旋形状，上有绝缘材料布满整个线圈区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，其特征在于：所述磁场聚集器为软磁材料制成的矩形磁场放大结构，沉积在绝缘层上，为对称的一对，分别平行放在电流方向相反的两组线圈上，一对磁场聚集器中间的空档部分为四个隧穿式磁电阻组成的磁性敏感阵列的区域。

4.根据权利要求1所述的一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，其特征在于：所述的磁场调制部分，为一体式的质量块-梁结构，上安装框架四周设有弹性梁结构，所述质量块设置在弹性梁结构内，所述弹性梁的形状是弓字形状的折叠梁结构。

5.根据权利要求1所述的一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，其特征在于：所述的磁场发生与检测部分和磁场调制部分通过两个厚度相等的垫片粘接而成。

6.根据权利要求1所述的一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，其特征在于：所述磁场发生与检测部分的绝缘材料为化学气相沉积的二氧化硅，磁场聚集器为电镀在绝缘材料表面的镍铁合金；所述磁场调制部分为一体湿法刻蚀的石英结构，再溅射一层铁镍合金薄膜在质量块正中心作为磁场调节器。

7.根据权利要求1所述的一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，其特征在于：其工作原理包括以下步骤：

首先向励磁线圈通入直流电流，使隧穿式磁电阻处于垂直于励磁线圈的磁场当中，且该磁场以横向中心线为中心线对称，横向中心线上下两个区域磁场强度相等，磁场方向相反，使得四个呈“口”字型对称排列的隧穿式磁电阻形成差动结构，当对磁场进行调制时，两组电阻所在磁场变化强度相等，变化方向相反；磁场聚集器紧贴在隧穿式磁电阻的上下两侧，起到聚集磁力线，放大磁场强度，提高磁场调制效率的作用，当整个加速度计处于加速度场中，质量块会作垂直于纸面方向的运动，此时质量块下表面镀有的磁场调节器会对磁场产生吸引作用，从而对磁场进行调制，再通过差动隧穿式磁电阻将磁场变化转化成电信号输出。

8.根据权利要求7所述的一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，其特征在于：所述磁场的调制原理：

磁场调节器、磁场聚集器、隧穿式磁电阻同时处在励磁线圈通电产生的磁场当中，当磁场调节器上下位移时，磁力线的变化是：当磁场调节器在上方，其对磁力线的吸引作用变小，隧穿式磁电阻处磁场强度较大；当磁场调节器在下方，其对磁力线的吸引作用变大，相当于与磁场聚集器共同屏蔽隧穿式磁电阻处磁场，使隧穿式磁电阻处的磁场强度变小。

Images