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一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS 加速度计结构及控制方法

阅读：751发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS 加速度计结构及控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于加速度计技术领域，具体涉及一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构及控制方法，底层结构包括整体支撑框架、加速度计检测梁、质量块，加速度计检测梁固定在整体支撑框架的内侧面，质量块通过加速度计检测梁固定在整体支撑框架的中央，中层结构包括磁膜阵列，磁膜阵列键合在质量块上，磁阻支撑框架固定在整体支撑框架的上方，磁阻基板通过支撑梁固定在磁阻支撑框架上，磁阻基板设置在质量块的正上方，磁阻基板上固定有隧道磁阻元件。本发明提出的加速度计利用磁膜阵列产生高变化率磁场，不需要外加激励，具有结构简单、灵敏度高、可靠性好，寿命长、制作成本低，功耗低等特点。本发明用于加速度的检测。，下面是一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS 加速度计结构及控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS 加速度计结构，其特征在于：包括底层结构、中层结构、上层结构，所述底层结构包括整体支撑框架(1)、加速度计检测梁(2)、质量块(3)，所述加速度计检测梁(2)固定在整体支撑框架(1)的内侧面，所述质量块(3)通过加速度计检测梁(2)固定在整体支撑框架(1)的中心，所述中层结构包括磁膜阵列(4)，所述磁膜阵列(4)键合在质量块(3)上，所述上层结构包括磁阻支撑框架(5)、磁阻基板(6)、支撑梁(7)、隧道磁阻元件(8)，所述磁阻支撑框架(5)固定在整体支撑框架(1)的上方，所述磁阻基板(6)通过支撑梁(7)固定在磁阻支撑框架(5)上，所述磁阻基板(6)设置在质量块(3)的正上方，所述磁阻基板(6)上固定有隧道磁阻元件(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构，其特征在于：所述加速度计检测梁(2)可以采用直梁或至少一层弯曲折叠的细长梁。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构，其特征在于：所述磁膜阵列(4)横向排布，所述磁膜阵列(4)包括至少两个磁膜，每个磁膜内录有磁信号，所述磁信号的极性首尾相接，所述磁信号的磁场在水平方向呈正弦波变换。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构，其特征在于：所述隧道磁阻元件(8)包括有磁阻桥路、电源(81)，所述磁阻桥路有两个，两个磁阻桥路之间并联连接，所述磁阻桥路包括负相关磁阻结R1、正相关磁阻结R2，所述负相关磁阻结R1与正相关磁阻结R2串联连接，所述电源(81)并联连接在磁阻结的两端。
5.一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构的控制方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、定义质量块的法向方向为Z方向，定义磁膜的磁极方向为X方向，依据右手定则建立XYZ 坐标系；
S2、当X轴方向有加速度输入时，加速度计检测梁发生形变，质量块受离心力作用沿X轴方向运动；
S3、质量块带动上方的磁膜阵列沿X轴方向运动，磁膜阵列和其上方的隧道磁阻元件之间相对位移发生变化；
S4、磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件发生隧道磁阻效应；
S5、通过对隧道磁阻输出电压进行计算，从而计算出隧道磁阻元件位移的距离，通过磁阻元件位移的距离计算出X轴方向输入的加速度。
6.根据权利要求5所述的一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构的控制方法，其特征在于：所述S5中计算隧道磁阻输出电压的计算公式为：
Vout＝Va-Vb
所述Vout为输出电压，所述Va、Vb为分别为两个磁阻桥路的电压。
7.根据权利要求5所述的一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构的控制方法，其特征在于：所述S5中计算隧道磁阻元件位移距离的方法为：根据输出电压Vout和磁阻元件位移的距离x的关系公式求出磁阻元件位移的距离x，其中输出电压Vout和磁阻元件位移的距离x的关系公式为：
所述V0为输入电压，所述A为调制深度，所述d为磁阻桥路距离，所述W为磁栅内的磁信号周期，所述x为磁阻元件位移的距离，所述负相关磁阻结的阻值R1＝R0-KB，所述正相关磁阻结的阻值R2＝R0+KB，所述磁阻结的阻值仅随磁场强度B的变化而变化，所述R0、K是表示磁阻结相关性的两个定值。
8.根据权利要求5所述的一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构的控制方法，其特征在于：所述S5中加速度的计算公式为：
所述a为加速度，所述ωn为加速度计阻尼自振角速率。

说明书全文

一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构及控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于加速度计技术领域，具体涉及一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构及控制方法。

背景技术

[0002] 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。虽然电容式检测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，检测分辨率已达到极限，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，使其灵敏度难以提高；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；共振隧穿效应检测的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较低，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极其复杂，检测电路也相对较难实现，成品率低，难以正常工作，不利于集成，特别是很难把隧道结隧尖和电极板之间的距离控制在纳米级，无法保障传感器正常工作。因此，急需开展新物理效应检测的MEMS加速度计研究。

[0003] 近年来，东南大学相继提出了基于间隙改变的隧道磁阻加速度计、基于磁场方向改变的隧道磁阻加速度计和扭摆式隧道磁阻加速度计，具有高灵敏度、高测量精度的特点。但其均采用通电线圈产生高变化率磁场，需要外加电源激励，增加了制作成本和额外功耗，且线圈易被氧化，使用寿命低，不利于单片集成。

发明内容

[0004] 针对上述加速度计灵敏度低、偏置电压易漂移、检测电路成品率低、使用寿命短的技术问题，本发明提供了一种结构简单、灵敏度高、可靠性好，寿命长、制作成本低的基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构及控制方法。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0006] 一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构，包括底层结构、中层结构、上层结构，所述底层结构包括整体支撑框架、加速度计检测梁、质量块，所述加速度计检测梁固定在整体支撑框架的内侧面，所述质量块通过加速度计检测梁固定在整体支撑框架的中心，所述中层结构包括磁膜阵列，所述磁膜阵列键合在质量块上，所述上层结构包括磁阻支撑框架、磁阻基板、支撑梁、隧道磁阻元件，所述磁阻支撑框架固定在整体支撑框架的上方，所述磁阻基板通过支撑梁固定在磁阻支撑框架上，所述磁阻基板设置在质量块的正上方，所述磁阻基板上固定有隧道磁阻元件。

[0007] 所述加速度计检测梁可以采用直梁或至少一层弯曲折叠的细长梁。

[0008] 所述磁膜阵列横向排布，所述磁膜阵列包括至少两个磁膜，每个磁膜内录有磁信号，所述磁信号的极性首尾相接，所述磁信号的磁场在水平方向呈正弦波变换。

[0009] 所述隧道磁阻元件包括有磁阻桥路、电源，所述磁阻桥路有两个，两个磁阻桥路之间并联连接，所述磁阻桥路包括负相关磁阻结R1、正相关磁阻结R2，所述负相关磁阻结R1与正相关磁阻结R2串联连接，所述电源并联连接在磁阻结的两端。

[0010] 一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构的控制方法，包括下列步骤：

[0011] S1、定义质量块的法向方向为Z方向，定义磁膜的磁极方向为X方向，依据右手定则建立XYZ 坐标系；

[0012] S2、当X轴方向有加速度输入时，加速度计检测梁发生形变，质量块受离心力作用沿X轴方向运动；

[0013] S3、质量块带动上方的磁膜阵列沿X轴方向运动，磁膜阵列和其上方的隧道磁阻元件之间相对位移发生变化；

[0014] S4、磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件发生隧道磁阻效应；

[0015] S5、通过对隧道磁阻输出电压进行计算，从而计算出隧道磁阻元件位移的距离，通过磁阻元件位移的距离计算出X轴方向输入的加速度。

[0016] 所述S5中计算隧道磁阻输出电压的公式为：

[0017] Vout＝Va-Vb

[0018] 所述R0、K为表示磁阻结相关性的两个值，R0+K·B为正相关磁阻结的阻值，R0-K·B为负相关磁阻结的阻值。所述Vout为输出电压，所述Va、Vb为分别为两个磁阻桥路的电压。

[0019] 所述S5中计算隧道磁阻元件位移距离的方法为：根据输出电压Vout和磁阻元件位移的距离x的关系公式求出磁阻元件位移的距离x，其中输出电压Vout和磁阻元件位移的距离x的关系公式为：

[0020]

[0021] 所述V0为输入电压，所述A为调制深度，所述d为磁阻桥路距离，所述W为磁栅内的磁信号周期，所述x为磁阻元件位移的距离，所述负相关磁阻结的阻值R1＝R0-KB，所述正相关磁阻结的阻值R2＝R0+KB，所述磁阻结的阻值仅随磁场强度B的变化而变化，所述R0、K是表示磁阻结相关性的两个定值。

[0022] 所述S5中加速度的计算公式为：

[0023]

[0024] 所述a为加速度，所述ωn为加速度计阻尼自振角速率。

[0025] 本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

[0026] 本发明提出的加速度计利用磁膜阵列产生高变化率磁场，不需要外加激励，具有结构简单、灵敏度高、可靠性好，寿命长、制作成本低，功耗低等特点。且本发明的加速度检测方式采用隧道磁阻效应，通过对隧道磁阻元件内部的桥路结构重新规划，使其对于高变换率的磁场更加敏感，抑制了静磁干扰，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。附图说明

[0027] 图1为本发明的整体结构示意图；

[0028] 图2为本发明磁膜阵列的俯视图；

[0029] 图3为本发明磁膜阵列内磁信号示意图；

[0030] 图4为本发明隧道磁阻元件的内部桥路图；

[0031] 其中：1为整体支撑框架，2为加速度计检测梁，3为质量块，4为磁膜阵列，5为磁阻支撑框架，6为磁阻基板，7为支撑梁，8为隧道磁阻元件，81为电源。

具体实施方式

[0032] 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。

[0033] 一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构，如图1所示，包括底层结构、中层结构、上层结构，底层结构包括整体支撑框架1、加速度计检测梁2、质量块3，加速度计检测梁2固定在整体支撑框架1的内侧面，质量块3通过加速度计检测梁2固定在整体支撑框架1的中心，中层结构包括磁膜阵列4，磁膜阵列4键合在质量块3上，上层结构包括磁阻支撑框架5、磁阻基板6、支撑梁7、隧道磁阻元件8，磁阻支撑框架5固定在整体支撑框架1的上方，磁阻基板6通过支撑梁7固定在磁阻支撑框架5上，磁阻基板6设置在质量块3的正上方，磁阻基板6上固定有隧道磁阻元件8。

[0034] 进一步，加速度计检测梁2可以采用直梁或至少一层弯曲折叠的细长梁，优选采用至少一层弯曲折叠的细长梁，可以增大检测位移的灵敏度。

[0035] 进一步，如图2、图3所示，磁膜阵列4横向排布，磁膜阵列4包括至少两个磁膜，每个磁膜内录有磁信号，磁信号的极性首尾相接，在N、N重叠处为正的最强，在S、S重叠处为负的最强。该磁信号使得磁场在水平方向呈正弦波变换，在竖直方向几乎无磁场变化，从而在水平方向产生高变化率的磁场，实现对水平方向加速度的独立检测。而磁膜阵列横向排布，使得水平方向呈正弦波变化的磁场强度大大加强。

[0036] 进一步，如图4所示，隧道磁阻元件8包括有磁阻桥路、电源81，磁阻桥路有两个，两个磁阻桥路之间并联连接，磁阻桥路包括负相关磁阻结R1、正相关磁阻结R2，负相关磁阻结R1与正相关磁阻结R2串联连接，电源81并联连接在磁阻结的两端。

[0037] 一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构的控制方法，包括下列步骤：

[0038] S1、定义质量块的法向方向为Z方向，定义磁膜的磁极方向为X方向，依据右手定则建立XYZ坐标系；

[0039] S2、当X轴方向有加速度输入时，加速度计检测梁发生形变，质量块受离心力作用沿X轴方向运动；

[0040] S3、质量块带动上方的磁膜阵列沿X轴方向运动，磁膜阵列和其上方的隧道磁阻元件之间相对位移发生变化；

[0041] S4、磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件发生隧道磁阻效应；

[0042] S5、通过对隧道磁阻输出电压进行计算，从而计算出隧道磁阻元件位移的距离，通过磁阻元件位移的距离计算出X轴方向输入的加速度。

[0043] 进一步，S5中计算隧道磁阻输出电压的公式为：

[0044] Vout＝Va-Vb

[0045] 其中Vout为输出电压，Va、Vb为分别为两个磁阻桥路的电压。

[0046] 进一步，S5中计算隧道磁阻元件位移距离的方法为：根据输出电压Vout和磁阻元件位移的距离x的关系公式求出磁阻元件位移的距离x，其中输出电压Vout和磁阻元件位移的距离x的关系公式为：

[0047]

[0048] V0为输入电压，A为调制深度，d为磁阻桥路距离，W为磁栅内的磁信号周期，x为磁阻元件位移的距离，负相关磁阻结的阻值R1＝R0-KB，正相关磁阻结的阻值R2＝R0+KB，磁阻结的阻值仅随磁场强度B的变化而变化，R0、K是表示磁阻结相关性的两个定值。

[0049] 进一步，S5中加速度的计算公式为：

[0050]

[0051] 其中a为加速度，ωn为加速度计阻尼自振角速率。

[0052] 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。

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