本實用新型涉及一種基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置，屬于微機電系統(tǒng)和微慣性器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有微型加速度計存在體積龐大、測量精度低和靈敏度低等問題。

隧道磁阻效應(yīng)加速計主要是基于隧道磁阻效應(yīng)(Tunneling magnetre sistance,TMR)來測量輸入的加速度。隧道磁阻效應(yīng)主要指兩層鐵磁金屬和中間絕緣層構(gòu)成的磁性隧道結(jié)中，如果兩層鐵磁金屬極化方向平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性會變大，其宏觀表現(xiàn)為電阻小；如果極化方向反平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性較小，其宏觀表現(xiàn)是電阻極大。因此利用輸入加速度引起的極化方向變化或者隧道間隙變化，通過測量其導(dǎo)致的電阻變化就可以測量輸入加速度大小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

實用新型目的：本實用新型提供一種基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置，外界輸入加速度引起質(zhì)量塊發(fā)生位移，導(dǎo)致磁場發(fā)生變化，然后利用隧道磁阻效應(yīng)來測量磁場變化，進而獲得輸入加速度的大小，該技術(shù)解決了現(xiàn)有微型加速度計體積龐大、精度低和靈敏度低等問題。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置，包括頂層結(jié)構(gòu)、底層結(jié)構(gòu)、第一錨點和第二錨點，頂層結(jié)構(gòu)通過分別設(shè)置在底層結(jié)構(gòu)兩端的第一錨點和第二錨點支撐在底層結(jié)構(gòu)上。

與其他類型的加速度計相比，隧道磁阻效應(yīng)加速度計具有靈敏度和分辨率高，測試范圍寬等優(yōu)點，這是由隧道式原理對磁場磁化方向或間隙變化的超敏感性決定的，使其成為新一代高精度微機械加速度計的發(fā)展方向之一。

為了進一步提高基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置的精度和靈敏度，頂層結(jié)構(gòu)由質(zhì)量塊、第二絕緣層、勵磁結(jié)構(gòu)層、第一彈性梁、第二彈性梁、第一反饋電極、第三反饋電極、第一間隙調(diào)整電極和第三間隙調(diào)整電極構(gòu)成；

通過第一彈性梁和第二彈性梁將質(zhì)量塊支撐在第一錨點和第二錨點之間；勵磁結(jié)構(gòu)層通過第二絕緣層布置在質(zhì)量塊背面的中間位置；第一反饋電極和第一間隙調(diào)整電極布置在質(zhì)量塊的背面，且位于勵磁結(jié)構(gòu)層的一端端部，第三反饋電極和第三間隙調(diào)整電極布置在質(zhì)量塊的背面，且位于勵磁結(jié)構(gòu)層的另一端端部，第一反饋電極和第三反饋電極分別位于第一間隙調(diào)整電極和第三間隙調(diào)整電極的外圍。

底層結(jié)構(gòu)由第一隧道磁阻傳感器、第二隧道磁阻傳感器、第二反饋電極、第四反饋電極、第二間隙調(diào)整電極、第四間隙調(diào)整電極、第一絕緣層和襯底構(gòu)成；

第一隧道磁阻傳感器、第二隧道磁阻傳感器、第二反饋電極、第四反饋電極、第二間隙調(diào)整電極、第四間隙調(diào)整電極、第一錨點和第二錨點布置在第一絕緣層正面；第一絕緣層底面與襯底相接；

第一隧道磁阻傳感器和第二隧道磁阻傳感器位于第一絕緣層的中間位置，且布置在勵磁結(jié)構(gòu)層的正下方；

第二反饋電極和第二間隙調(diào)整電極布置在第一隧道磁阻傳感器外側(cè)的第一絕緣層上，且第二反饋電極位于第一反饋電極正下方，第二間隙調(diào)整電極位于第一間隙調(diào)整電極正下方；第四反饋電極和第四間隙調(diào)整電極布置在第二隧道磁阻傳感器外側(cè)的第一絕緣層上，且第四反饋電極位于第三反饋電極正下方，第四間隙調(diào)整電極位于第三間隙調(diào)整電極正下方。

上述第一隧道磁阻傳感器與第二隧道磁阻傳感器相鄰端為內(nèi)側(cè)，相背端為外側(cè)。

本申請將從質(zhì)量塊中央指向質(zhì)量塊兩端的方向定義為從內(nèi)到外的方向；正面指正常使用時的上表面，背面指正常使用時的下表面。

上述基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置使用時，在勵磁結(jié)構(gòu)層上施加電流，形成局部磁場，當(dāng)有加速度輸入時，引起質(zhì)量塊角度轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致勵磁結(jié)構(gòu)層與第一隧道磁阻傳感器間隙變大，與第二隧道磁阻傳感器間隙變小，從而引起第一隧道磁阻傳感器和第二隧道磁阻傳感器周圍磁場強度發(fā)生改變，通過第一隧道磁阻傳感器和第二隧道磁阻傳感器將磁場強度變化測量出來，就可以獲得輸入加速度。

為了更進一步提高基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置的精度和靈敏度，質(zhì)量塊為矩形；第一彈性梁和第二彈性梁均為T型；第一錨點和第二錨點均為矩形；第一反饋電極、第二反饋電極、第三反饋電極和第四反饋電極均為矩形；第一間隙調(diào)整電極、第二間隙調(diào)整電極、第三間隙調(diào)整電極和第四間隙調(diào)整電極均為矩形；矩形質(zhì)量塊通過“T型”第一彈性梁和“T型”第二彈性梁支撐在矩形第一錨點和矩形第二錨點上。

進一步，“T型”第一彈性梁一端分別通過“L型”第一過渡梁和“L型”第二過渡梁與矩形第一錨點相連，“T型”第一彈性梁另一端與矩形質(zhì)量塊相連；“T型”第二彈性梁一端分別通過“L型”第三過渡梁和“L型”第四過渡梁與矩形第二錨點相連，“T型”第二彈性梁另一端與矩形質(zhì)量塊相連；勵磁結(jié)構(gòu)層由矩形塊串聯(lián)而成的“蛇型”結(jié)構(gòu)構(gòu)成，且位于矩形質(zhì)量塊的中間位置。

蛇形勵磁結(jié)構(gòu)層的主要功能是通過在上面施加電流形成局部磁場，為隧道磁阻效應(yīng)形成提供條件。

為了進一步提高基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置的精度和靈敏度，第一隧道磁阻傳感器和第二隧道磁阻傳感器均為由矩形塊串聯(lián)而成的“環(huán)型”結(jié)構(gòu)，且位于第二間隙調(diào)整電極和第四間隙調(diào)整電極之間中心位置的兩側(cè)。

第一隧道磁阻傳感器和第二隧道磁阻傳感器均由六層結(jié)構(gòu)疊加而成，從上至下分別為傳感器頂層、自由層、隧道勢壘層、傳感器鐵磁層、反鐵磁層和傳感器底層；傳感器鐵磁層的第一磁場方向由結(jié)構(gòu)預(yù)先設(shè)定，自由層的第二磁場方向由勵磁結(jié)構(gòu)層決定；勵磁結(jié)構(gòu)層由三層結(jié)構(gòu)疊加而成，從上至下分別為勵磁結(jié)構(gòu)頂層、勵磁結(jié)構(gòu)鐵磁層和勵磁結(jié)構(gòu)底層，勵磁結(jié)構(gòu)鐵磁層磁場方向由外加電流決定；勵磁結(jié)構(gòu)層磁場強度和方向決定了自由層的磁場方向和強度，引起自由層與勵磁結(jié)構(gòu)鐵磁層間形成隧道磁阻效應(yīng)。

為了簡化結(jié)構(gòu)，使用方便，同時保證基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置的精度和靈敏度，矩形第二反饋電極、矩形第二間隙調(diào)整電極、矩形第四反饋電極和矩形第四間隙調(diào)整電極分別通過第一電極引線、第二電極引線、第三電極引線和第四電極引線引出，第一隧道磁阻傳感器和第二隧道磁阻傳感器分別通過第五電極引線、第六電極引線、第七電極引線和第八電極引線引出，第一錨點和第二錨點分別通過第九電極引線和第十電極引線引出。

上述矩形第二反饋電極和矩形第四反饋電極分別與矩形第一反饋電極和矩形第三反饋電極構(gòu)成兩組差動電容力矩器；矩形第二間隙調(diào)整電極和矩形第四間隙調(diào)整電極分別與矩形第一間隙調(diào)整電極和矩形第三間隙調(diào)整電極形成兩組差動電容力矩器。

本實用新型采用高靈敏度的隧道磁阻效應(yīng)進行加速度信號檢測，具有飽和磁場低、工作磁場小、靈敏度高、溫度系數(shù)小，測量帶寬大等優(yōu)點，本申請?zhí)岢鏊淼来抛栊?yīng)加速度計結(jié)構(gòu)方案簡單、緊湊、體積較小、靈敏度高、測量精度高。

本實用新型未提及的技術(shù)均為現(xiàn)有技術(shù)。

有益效果：

(1)采用高靈敏度的隧道磁阻效應(yīng)進行加速度信號檢測，具有飽和磁場低、工作磁場小、靈敏度高、溫度系數(shù)小，測量帶寬大等優(yōu)點；

(2)區(qū)別于一般隧道效應(yīng)加速度計需要花費巨大成本通過加工工藝和精密機構(gòu)控制隧尖和質(zhì)量塊間的nm間隙，本實用新型提出的高精度隧道磁阻效應(yīng)加速度計并不直接利用電流效應(yīng)，而是通過將加速度計轉(zhuǎn)換為磁場強度的變化，然后利用隧道磁阻效應(yīng)的磁阻傳感器來檢測磁場的變化，無需實現(xiàn)nm間隙，相關(guān)設(shè)計技術(shù)成熟，更利于加工實現(xiàn)；

(3)本實用新型提出隧道磁阻效應(yīng)加速度計結(jié)構(gòu)方案簡單、緊湊、體積較小、靈敏度高、測量精度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置水平剖面圖；

圖2為本發(fā)明基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置豎直剖面圖；

圖3為本發(fā)明基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置的頂層結(jié)構(gòu)仰視圖；

圖4為本發(fā)明基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置的底層結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖5為本發(fā)明的隧道磁阻傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖6為本發(fā)明的隧道磁阻和勵磁結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明的底層結(jié)構(gòu)引線層示意圖；

圖中，AB向為豎直方向，CD向為水平方向。

具體實施方式

為了更好地理解本實用新型，下面結(jié)合實施例進一步闡明本實用新型的內(nèi)容，但本實用新型的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。

如圖1和圖2所示一種基于間隙改變的隧道磁阻效應(yīng)加速度計裝置由通過上下第一錨點3和第二錨點4支撐在底層結(jié)構(gòu)上的頂層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中頂層結(jié)構(gòu)由質(zhì)量塊15、勵磁結(jié)構(gòu)層19、第一彈性梁17、第二彈性梁18、第一反饋電極7、第三反饋電極9、第一間隙調(diào)整電極11和第三間隙調(diào)整電極13構(gòu)成；底層結(jié)構(gòu)由第一隧道磁阻傳感器5、第二隧道磁阻傳感器6、第二反饋電極8、第四反饋電極10、第二間隙調(diào)整電極12、第四間隙調(diào)整電極14、第一絕緣層2和襯底1構(gòu)成。

頂層結(jié)構(gòu)通過第一彈性梁17和第二彈性梁18將質(zhì)量塊15支撐在上下第一錨點3和第二錨點4之間；勵磁結(jié)構(gòu)層19通過第二絕緣層16布置在質(zhì)量塊15背面的中間位置；第一反饋電極7和第一間隙調(diào)整電極11布置在質(zhì)量塊15的背面，且位于勵磁結(jié)構(gòu)層19的左邊，其中第一反饋電極7位置靠近質(zhì)量塊15邊界，第一間隙調(diào)整電極11位置靠近勵磁結(jié)構(gòu)層19；第三反饋電極9和第三間隙調(diào)整電極13布置在質(zhì)量塊15的背面位于勵磁結(jié)構(gòu)層19的右邊，其中第三反饋電極9位置靠近質(zhì)量塊15邊界，第三間隙調(diào)整電極13位置靠近勵磁結(jié)構(gòu)層19。

底層結(jié)構(gòu)在第一絕緣層2正面布置有第一隧道磁阻傳感器5、第二隧道磁阻傳感器6、第二反饋電極8、第四反饋電極10、第二間隙調(diào)整電極12、第四間隙調(diào)整電極14、第一錨點3和第二錨點4；第一絕緣層2底面與襯底1相接；第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6位于第一絕緣層2中間，且布置在勵磁結(jié)構(gòu)層19的正下方；第二反饋電極8和第二間隙調(diào)整電極12布置在第一隧道磁阻傳感器5外側(cè)的第一絕緣層2上，且第二反饋電極8位于第一反饋電極7正下方，第二間隙調(diào)整電極12位于第一間隙調(diào)整電極11正下方；第四反饋電極10和第四間隙調(diào)整電極14布置在第二隧道磁阻傳感器6外側(cè)的第一絕緣層2上，且第四反饋電極10位于第三反饋電極9正下方，第四間隙調(diào)整電極14位于第三間隙調(diào)整電極13正下方。

在勵磁結(jié)構(gòu)層19上施加電流，形成局部磁場，當(dāng)有沿著方向20的加速度輸入時，引起質(zhì)量塊15繞著角度21轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致勵磁結(jié)構(gòu)層19與第一隧道磁阻傳感器5間隙變大，與第二隧道磁阻傳感器6間隙變小，從而引起第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6周圍磁場強度發(fā)生改變，通過第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6將磁場強度變化測量出來，就可以獲得輸入加速度。

如圖3所示，從頂層仰視圖，矩形質(zhì)量塊15通過“T型”第一彈性梁17和第二彈性梁18支撐在上下矩形第一錨點3和第二錨點4上，且“T型”第一彈性梁17一端通過“L型”第一過渡梁171和第二過渡梁172與下面的矩形第一錨點3相連，另一端與矩形質(zhì)量塊15相連，“T型”第二彈性梁18一端通過“L型”第三過渡梁181和第四過渡梁182與上面的矩形第二錨點4相連，另一端與矩形質(zhì)量塊15相連；勵磁結(jié)構(gòu)層19由矩形塊串聯(lián)而成的“蛇型”結(jié)構(gòu)構(gòu)成，位于矩形質(zhì)量塊15的中間位置；矩形第一反饋電極7和矩形第一間隙調(diào)整電極11從左至右位于“蛇型”勵磁結(jié)構(gòu)層19的左邊；矩形第三反饋電極9和矩形第三間隙調(diào)整電極13從右至左位于“蛇型”勵磁結(jié)構(gòu)層19的右邊。蛇形勵磁結(jié)構(gòu)層19的主要功能是通過在上面施加電流形成局部磁場，為隧道磁阻效應(yīng)形成提供條件。

如圖4所示，從底層俯視圖，第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6由矩形塊串聯(lián)而成的“環(huán)型”結(jié)構(gòu)構(gòu)成，且位于上下矩形第一錨點3和第二錨點4上構(gòu)成的中心線的左右兩側(cè)；矩形第二反饋電極8和矩形第二間隙調(diào)整電極12從左至右位于“環(huán)型”第一隧道磁阻傳感器5的左邊；矩形第四反饋電極10和矩形第四間隙調(diào)整電極14從右至左位于“環(huán)型”第二隧道磁阻傳感器6的右邊。矩形第二反饋電極8和矩形第四反饋電極10分別與矩形第一反饋電極7和矩形第三反饋電極9構(gòu)成兩組差動電容力矩器，通過施加不同的反饋電壓形成反饋力，將由于加速度輸入引起的矩形質(zhì)量塊15偏移矯正回復(fù)平衡位置。矩形第二間隙調(diào)整電極12和矩形第四間隙調(diào)整電極14分別與矩形第一間隙調(diào)整電極11和矩形第三間隙調(diào)整電極13形成兩組差動電容力矩器，通過在電容器兩段施加不同的靜電偏置電壓，可以產(chǎn)生不同的靜電力，主要用于調(diào)整蛇形勵磁結(jié)構(gòu)層19與第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6間的間隙，形成不同程度的隧道磁阻效應(yīng)和靈敏度。

如圖5、圖6所示，第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6結(jié)構(gòu)類似，第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6均由六層結(jié)構(gòu)疊加而成，從上至下分別為傳感器頂層22、自由層23、隧道勢壘層24、傳感器鐵磁層25、反鐵磁層26和傳感器底層27；傳感器鐵磁層25的第一磁場方向28由結(jié)構(gòu)預(yù)先設(shè)定，自由層23的第二磁場方向29由勵磁結(jié)構(gòu)層19決定。勵磁結(jié)構(gòu)層19磁場強度和方向決定了自由層23的磁場方向和強度，引起自由層23與傳感器鐵磁層25間形成隧道磁阻效應(yīng)。外界加速度的輸入引起蛇形勵磁結(jié)構(gòu)層19與第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6間的間隙分別變大和變小，將會導(dǎo)致自由層23感應(yīng)的磁場強度和方向的變化，直接引起隧道磁阻效應(yīng)的強弱變化，最終導(dǎo)致第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6的電阻分別變大和變小，測量兩個差動電阻變化就可以獲得輸入加速度的大小；勵磁結(jié)構(gòu)層19由三層結(jié)構(gòu)疊加而成，從上至下分別為勵磁結(jié)構(gòu)頂層30、勵磁結(jié)構(gòu)鐵磁層31和勵磁結(jié)構(gòu)底層32，勵磁結(jié)構(gòu)鐵磁層磁場方向33由外加電流決定。

如圖7所示，矩形第二反饋電極8、矩形第二間隙調(diào)整電極12、矩形第四反饋電極10和矩形第四間隙調(diào)整電極14分別通過第一電極引線38、第二電極引線39、第三電極引線40和第四電極引線41引出。在電極引線38和電極引線40施加帶偏置差動反饋電壓，形成矯正力矩，將質(zhì)量塊15矯正會平衡位置；在電極引線39和電極引線41施加帶偏置電壓，形成力矩，用來調(diào)整蛇形勵磁結(jié)構(gòu)層19與第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6間的間隙，形成不同強度的隧道磁阻效應(yīng)。第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6分別通過第五電極引線42、第六電極引線43、第七電極引線44和第八電極引線45引出。電極引線42和電極引線43間構(gòu)成第一個隧道電阻；電極引線44和電極引線45構(gòu)成第二個隧道電阻，外界電路通過測量第一個隧道電阻和第二隧道電阻就可獲得輸入加速度的大小。第一錨點3和第二錨點4分別通過第九電極引線46和第十電極引線47引出，用作質(zhì)量塊的公共電極。