一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计制造技术

本发明专利技术公开了一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，包括：晶圆外框，包括相互垂直的横框和竖框，竖框设于横框的竖直中心线上，将横框一侧所在平面划分成两个区域；磁源，固定设于竖框上；两个检验质量块，分别设于两个所述区域内，且每一所述检验质量块由一垂直设于所述横梁上的支撑梁支撑；两个巨磁阻芯片，分别安装于两个检验质量块上，且两个巨磁阻芯片对称设置于磁源两侧，巨磁阻芯片的中心点到横框的距离与磁源的中心点到横框的距离相等，巨磁阻芯片的磁敏感方向与磁源的磁矩方向相同，且检验质量块在加速度作用下的位移方向与磁矩方向在同一直线上。该基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计具有精度高、测量范围大的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及加速度测量领域，特别是涉及一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计。
技术介绍
加速度计是测量运载体线加速度的仪表，按照牛顿第二定律，加速度是物体位移随时间的二次导数，等于物体受到的合外力除以其质量。通过测量加速度可以知道物体偏离惯性运动的情况，一般的加速度计测量检验质量受到的非保守力，是惯性导航需要测量的主要物理量(另一物理量是陀螺仪测量的惯性指向)。在飞行控制系统中，加速度计是重要的动态特性校正元件，在惯性导航系统中，高精度的加速度计是最基本的敏感元件之一。在各类飞行器的飞行实验中，加速度计是研究飞行器颤振和疲劳寿命的重要工具，因此加速度计测量的精度也就尤为重要。MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)加速度计是指利用微电子加工手段加工制作并与微电子测量线路集成在一起的加速度计，这种加速度计常用硅材料制作，故又名硅微型加速度计，当然，也可以采用其它半导体材料或绝缘体材料制作。硅微型加速度计其检验质量可以做到几个毫克，因此也就提高了对MEMS加速度计测量精度及测量范围的要求，而如何提高MEMS加速度计的精度以及扩大测量范围成为本领域技术人亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种精度高、测量范围大的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，包括：晶圆外框，包括相互垂直的横框和竖框，所述竖框设于所述横框的竖直中心线上，将所述横框一侧所在平面划分成两个区域；磁源，固定设于所述竖框上；两个检验质量块，分别设于两个所述区域内，且每一所述检验质量块由一垂直设于所述横梁上的支撑梁支撑；两个巨磁阻芯片，分别安装于两个所述检验质量块上，且两个所述巨磁阻芯片对称设置于所述磁源两侧，所述巨磁阻芯片的中心点到所述横框的距离与所述磁源的中心点到所述横框的距离相等，所述巨磁阻芯片的磁敏感方向与所述磁源的磁矩方向相同，且所述检验质量块在加速度作用下的位移方向与所述磁矩方向在同一直线上。可选的，每一所述支撑梁为一个悬臂梁，所述悬臂梁的一端连接所述横框，所述悬臂梁的另一端连接所述检验质量块。可选的，所述横框包括相互平行的第一横框和第二横框，每一所述支撑梁为一个简支梁，所述简支梁包括竖直中心线重合的第一支撑梁和第二支撑梁，所述第一支撑梁的一端连接所述检验质量块，所述第一支撑梁的另一端连接所述第一横框的内壁；所述第二支撑梁的一端连接所述检验质量块，所述第二支撑梁的另一端连接所述第二横框的内壁。可选的，每一所述支撑梁沿所述磁源的磁矩方向的厚度小于所述支撑梁垂直于所述磁矩方向的厚度，使得在加速度作用下，所述支撑梁所连接的所述检验质量块能够沿所述磁矩方向所在直线产生位移。可选的，所述磁源为微型永磁体或微型通电线圈。可选的，所述微型永磁体是在所述竖框上通过镀膜工艺制备永磁体薄膜，再磁化所述永磁体薄膜而制得。可选的，所述竖框上设有安装孔，所述微型永磁体设置于所述安装孔内。可选的，所述晶圆外框、支撑梁的材料为非磁性的绝缘材料，或所述晶圆外框、支撑梁的材料为非磁性的高电阻率半导体材料，所述检验质量块的材料为非磁性材料。可选的，所述晶圆外框、支撑梁和检验质量块是在晶圆上通过光刻蚀、离子刻蚀或化学腐蚀的加工工艺制成。可选的，所述加速度计外设有屏蔽层，所述屏蔽层的材料为高磁导率材料。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计是利用巨磁电阻(GiantMagneto-Resistive，GMR)芯片的巨磁电阻效应，将两个高精度GMR芯片集成到位置对称分布的两个检验质量块上，构成一个差分式的MEMS结构。通过磁源在检验质量块所在区域产生梯度磁场，当加速度计载体获得线加速度时，由于加速度产生的惯性力的作用，两个检验质量块在梯度磁场中产生位移，两个GMR芯片在梯度磁场中产生相反的磁电阻变化。根据两个GMR芯片电阻值的变化，运用差分手段即可求出检验质量块产生的位移量，同时可求出检验质量块在加速度作用下所获得的惯性力的大小，进而求得加速度值。通过GMR芯片的电阻变化即可对加速度计载体所获得的线加速度进行精确测量。由于本加速度计采用的GMR芯片工作磁场范围大，精度高，所以可以提高本加速度计的测量精度和扩大测量范围。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术提供的支撑梁为悬臂梁的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计实施例1的结构示意图；图2为本专利技术提供的支撑梁为简支梁的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计实施例2的结构示意图；图3为本专利技术提供的加速度计的微悬臂梁的结构尺寸示意图；图4为地面上检验质量块受力示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的目的是提供一种精度高、测量范围大的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。实施例1：图1为本专利技术提供的支撑梁为悬臂梁的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计实施例1的结构示意图，如图1所示，本专利技术提供的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，包括：晶圆外框，包括相互垂直的横框101和竖框102，竖框102设于横框101的竖直中心线上，将横框101上方一侧所在平面划分成两个区域。在本实施例中，横框101为两组，竖框102为三组，构成一具有两个矩形区域的矩形框，但是只要具备一组横框和一组竖框也能实现相同的固定作用。磁源103，固定设于竖框102上，用于产生磁场，为加速度测量提供梯度磁场；作为一种可选的实施方式，该磁源103可以是微型永磁体，也可以是微型通电线圈，其中，微型永磁体可以是在竖框102上通过镀膜工艺制备永磁体薄膜，再磁化永磁体薄膜而制得；也可以现有的微型永磁体安装于竖框102上设有的安装孔内，只要是能够固定该磁源103即可。两个检验质量块104a、104b，分别设于两个所述区域内，且每一检验质量块104a、104b由一垂直设于横梁上101的支撑梁105a、105b支撑，为了限定检验质量块104a、104b的位移方向，支撑梁105a、105b沿磁源的磁矩方向的厚度小于垂直于磁矩方向的厚度，使得在加速度作用下，检验质量块104a、104b能够沿磁矩方向所在直线产生位移；该检验质量块104a、104b分别关于支撑梁105a、105b的轴线对称。在本实施例中，支撑梁105a、105b分别为悬臂梁105a、105b，悬臂梁105a、105b的一端连接横框101，悬臂梁105a、105b的另一端连接检验质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，包括：晶圆外框，包括相互垂直的横框和竖框，所述竖框设于所述横框的竖直中心线上，将所述横框一侧所在平面划分成两个区域；磁源，固定设于所述竖框上；两个检验质量块，分别设于两个所述区域内，且每一所述检验质量块由一垂直设于所述横梁上的支撑梁支撑；两个巨磁阻芯片，分别安装于两个所述检验质量块上，且两个所述巨磁阻芯片对称设置于所述磁源两侧，所述巨磁阻芯片的中心点到所述横框的距离与所述磁源的中心点到所述横框的距离相等，所述巨磁阻芯片的磁敏感方向与所述磁源的磁矩方向相同，且所述检验质量块在加速度作用下的位移方向与所述磁矩方向在同一直线上。

【技术特征摘要】
1.一种基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，包括：晶圆外框，包括相互垂直的横框和竖框，所述竖框设于所述横框的竖直中心线上，将所述横框一侧所在平面划分成两个区域；磁源，固定设于所述竖框上；两个检验质量块，分别设于两个所述区域内，且每一所述检验质量块由一垂直设于所述横梁上的支撑梁支撑；两个巨磁阻芯片，分别安装于两个所述检验质量块上，且两个所述巨磁阻芯片对称设置于所述磁源两侧，所述巨磁阻芯片的中心点到所述横框的距离与所述磁源的中心点到所述横框的距离相等，所述巨磁阻芯片的磁敏感方向与所述磁源的磁矩方向相同，且所述检验质量块在加速度作用下的位移方向与所述磁矩方向在同一直线上。2.根据权利要求1所述的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，每一所述支撑梁为一个悬臂梁，所述悬臂梁的一端连接所述横框，所述悬臂梁的另一端连接所述检验质量块。3.根据权利要求1所述的基于巨磁电阻效应的差分式单轴MEMS加速度计，其特征在于，所述横框包括相互平行的第一横框和第二横框，每一所述支撑梁为一个简支梁，所述简支梁包括竖直中心线重合的第一支撑梁和第二支撑梁，所述第一支撑梁的一端连接所述检验质量块，所述第一支撑梁的另一端连接所述第一横框的内壁；所述第二支撑梁的一端连接所述检验质量块，所述第二支撑梁的另一端连接所述第二横框的内壁。4.根据权利要求1或2或3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨先卫，潘礼庆，王超，罗志会，谭超，刘敏，朴红光，鲁广铎，许云丽，黄秀峰，郑胜，赵华，张超，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42