一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，包括顶层结构、底层结构、第一锚点和第二锚点，顶层结构通过分别设置在底层结构两端的第一锚点和第二锚点支撑在底层结构上。本发明专利技术采用高灵敏度的隧道磁阻效应进行加速度信号检测，具有饱和磁场低、工作磁场小、灵敏度高、温度系数小，测量带宽大等优点，提出隧道磁阻效应加速度计结构方案简单、紧凑、体积较小、灵敏度高、测量精度高。

A tunnel magnetoresistance effect accelerometer based on gap change

The invention discloses a measuring device for acceleration of tunnel magnetoresistance effect based on space changes, including the top and bottom structure, the first and second anchor anchor structure, through the top-level structure are respectively arranged on the bottom ends of the first and second anchor structure of anchor support in the underlying structure. The invention adopts the tunnel magnetoresistance effect high sensitivity of the acceleration signal detection with low saturation field and magnetic field of small, high sensitivity, low temperature coefficient, high measurement bandwidth advantages, proposed tunnel magnetoresistance effect accelerometer structure simple and compact structure, small volume, high sensitivity, high accuracy.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，属于微机电系统和微惯性器件

技术介绍
现有微型加速度计存在体积庞大、测量精度低和灵敏度低等问题。隧道磁阻效应加速计主要是基于隧道磁阻效应(Tunnelingmagnetresistance,TMR)来测量输入的加速度。隧道磁阻效应主要指两层铁磁金属和中间绝缘层构成的磁性隧道结中，如果两层铁磁金属极化方向平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性会变大，其宏观表现为电阻小；如果极化方向反平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性较小，其宏观表现是电阻极大。因此利用输入加速度引起的极化方向变化或者隧道间隙变化，通过测量其导致的电阻变化就可以测量输入加速度大小。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，外界输入加速度引起质量块发生位移，导致磁场发生变化，然后利用隧道磁阻效应来测量磁场变化，进而获得输入加速度的大小，该技术解决了现有微型加速度计体积庞大、精度低和灵敏度低等问题。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，包括顶层结构、底层结构、第一锚点和第二锚点，顶层结构通过分别设置在底层结构两端的第一锚点和第二锚点支撑在底层结构上。与其他类型的加速度计相比，隧道磁阻效应加速度计具有灵敏度和分辨率高，测试范围宽等优点，这是由隧道式原理对磁场磁化方向或间隙变化的超敏感性决定的，使其成为新一代高精度微机械加速度计的发展方向之一。为了进一步提高基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的精度和灵敏度，顶层结构由质量块、第二绝缘层、励磁结构层、第一弹性梁、第二弹性梁、第一反馈电极、第三反馈电极、第一间隙调整电极和第三间隙调整电极构成；通过第一弹性梁和第二弹性梁将质量块支撑在第一锚点和第二锚点之间；励磁结构层通过第二绝缘层布置在质量块背面的中间位置；第一反馈电极和第一间隙调整电极布置在质量块的背面，且位于励磁结构层的一端端部，第三反馈电极和第三间隙调整电极布置在质量块的背面，且位于励磁结构层的另一端端部，第一反馈电极和第三反馈电极分别位于第一间隙调整电极和第三间隙调整电极的外围。底层结构由第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第二反馈电极、第四反馈电极、第二间隙调整电极、第四间隙调整电极、第一绝缘层和衬底构成；第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第二反馈电极、第四反馈电极、第二间隙调整电极、第四间隙调整电极、第一锚点和第二锚点布置在第一绝缘层正面；第一绝缘层底面与衬底相接；第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器位于第一绝缘层的中间位置，且布置在励磁结构层的正下方；第二反馈电极和第二间隙调整电极布置在第一隧道磁阻传感器外侧的第一绝缘层上，且第二反馈电极位于第一反馈电极正下方，第二间隙调整电极位于第一间隙调整电极正下方；第四反馈电极和第四间隙调整电极布置在第二隧道磁阻传感器外侧的第一绝缘层上，且第四反馈电极位于第三反馈电极正下方，第四间隙调整电极位于第三间隙调整电极正下方。上述第一隧道磁阻传感器与第二隧道磁阻传感器相邻端为内侧，相背端为外侧。本申请将从质量块中央指向质量块两端的方向定义为从内到外的方向；正面指正常使用时的上表面，背面指正常使用时的下表面。上述基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置使用时，在励磁结构层上施加电流，形成局部磁场，当有加速度输入时，引起质量块角度转动，导致励磁结构层与第一隧道磁阻传感器间隙变大，与第二隧道磁阻传感器间隙变小，从而引起第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器周围磁场强度发生改变，通过第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器将磁场强度变化测量出来，就可以获得输入加速度。为了更进一步提高基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的精度和灵敏度，第一弹性梁和第二弹性梁均为T型；质量块通过“T型”第一弹性梁和“T型”第二弹性梁支撑在第一锚点和第二锚点上。进一步，“T型”第一弹性梁一端分别通过“L型”第一过渡梁和“L型”第二过渡梁与第一锚点相连，“T型”第一弹性梁另一端与质量块相连；“T型”第二弹性梁一端分别通过“L型”第三过渡梁和“L型”第四过渡梁与第二锚点相连，“T型”第二弹性梁另一端与质量块相连；励磁结构层由块串联而成的“蛇型”结构构成，且位于质量块的中间位置。蛇形励磁结构层的主要功能是通过在上面施加电流形成局部磁场，为隧道磁阻效应形成提供条件。为了进一步提高基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的精度和灵敏度，第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器均为由块串联而成的“环型”结构，且位于第二间隙调整电极和第四间隙调整电极之间中心位置的两侧。第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器均由六层结构叠加而成，从上至下分别为传感器顶层、自由层、隧道势垒层、传感器铁磁层、反铁磁层和传感器底层；传感器铁磁层的第一磁场方向由结构预先设定，自由层的第二磁场方向由励磁结构层决定；励磁结构层由三层结构叠加而成，从上至下分别为励磁结构顶层、励磁结构铁磁层和励磁结构底层，励磁结构铁磁层磁场方向由外加电流决定；励磁结构层磁场强度和方向决定了自由层的磁场方向和强度，引起自由层与励磁结构铁磁层间形成隧道磁阻效应。为了简化结构，使用方便，同时保证基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的精度和灵敏度，第二反馈电极、第二间隙调整电极、第四反馈电极和第四间隙调整电极分别通过第一电极引线、第二电极引线、第三电极引线和第四电极引线引出，第一隧道磁阻传感器和第二隧道磁阻传感器分别通过第五电极引线、第六电极引线、第七电极引线和第八电极引线引出，第一锚点和第二锚点分别通过第九电极引线和第十电极引线引出。上述第二反馈电极和第四反馈电极分别与第一反馈电极和第三反馈电极构成两组差动电容力矩器；第二间隙调整电极和第四间隙调整电极分别与第一间隙调整电极和第三间隙调整电极形成两组差动电容力矩器。本专利技术采用高灵敏度的隧道磁阻效应进行加速度信号检测，具有饱和磁场低、工作磁场小、灵敏度高、温度系数小，测量带宽大等优点，本申请提出隧道磁阻效应加速度计结构方案简单、紧凑、体积较小、灵敏度高、测量精度高。本专利技术未提及的技术均为现有技术。有益效果：(1)采用高灵敏度的隧道磁阻效应进行加速度信号检测，具有饱和磁场低、工作磁场小、灵敏度高、温度系数小，测量带宽大等优点；(2)区别于一般隧道效应加速度计需要花费巨大成本通过加工工艺和精密机构控制隧尖和质量块间的nm间隙，本专利技术提出的高精度隧道磁阻效应加速度计并不直接利用电流效应，而是通过将加速度计转换为磁场强度的变化，然后利用隧道磁阻效应的磁阻传感器来检测磁场的变化，无需实现nm间隙，相关设计技术成熟，更利于加工实现；(3)本专利技术提出隧道磁阻效应加速度计结构方案简单、紧凑、体积较小、灵敏度高、测量精度高。附图说明图1为本专利技术基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置水平剖面图；图2为本专利技术基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置竖直剖面图；图3为本专利技术基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的顶层结构仰视图；图4为本专利技术基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置的底层结构俯视图；图5为本专利技术的隧道磁阻传感器结构示意图图6为本专利技术的隧道磁阻和励磁结构示意图；图7为本专利技术的底层结构引线层示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：包括顶层结构、底层结构、第一锚点(3)和第二锚点(4)，顶层结构通过分别设置在底层结构两端的第一锚点(3)和第二锚点(4)支撑在底层结构上。

【技术特征摘要】
1.一种基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：包括顶层结构、底层结构、第一锚点(3)和第二锚点(4)，顶层结构通过分别设置在底层结构两端的第一锚点(3)和第二锚点(4)支撑在底层结构上。2.如权利要求1所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：顶层结构由质量块(15)、第二绝缘层(16)、励磁结构层(19)、第一弹性梁(17)、第二弹性梁(18)、第一反馈电极(7)、第三反馈电极(9)、第一间隙调整电极(11)和第三间隙调整电极(13)构成；通过第一弹性梁(17)和第二弹性梁(18)将质量块(15)支撑在第一锚点(3)和第二锚点(4)之间；励磁结构层(19)通过第二绝缘层(16)布置在质量块(15)背面的中间位置；第一反馈电极(7)和第一间隙调整电极(11)布置在质量块(15)的背面，且位于励磁结构层(19)的一端端部，第三反馈电极(9)和第三间隙调整电极(13)布置在质量块(15)的背面，且位于励磁结构层(19)的另一端端部，第一反馈电极(7)和第三反馈电极(9)分别位于第一间隙调整电极(11)和第三间隙调整电极(13)的外围。3.如权利要求2所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：底层结构由第一隧道磁阻传感器(5)、第二隧道磁阻传感器(6)、第二反馈电极(8)、第四反馈电极(10)、第二间隙调整电极(12)、第四间隙调整电极(14)、第一绝缘层(2)和衬底(1)构成；第一隧道磁阻传感器(5)、第二隧道磁阻传感器(6)、第二反馈电极(8)、第四反馈电极(10)、第二间隙调整电极(12)、第四间隙调整电极(14)、第一锚点(3)和第二锚点(4)布置在第一绝缘层(2)正面；第一绝缘层(2)底面与衬底(1)相接；第一隧道磁阻传感器(5)和第二隧道磁阻传感器(6)位于第一绝缘层(2)的中间位置，且布置在励磁结构层(19)的正下方；第二反馈电极(8)和第二间隙调整电极(12)布置在第一隧道磁阻传感器(5)外侧的第一绝缘层(2)上，且第二反馈电极(8)位于第一反馈电极(7)正下方，第二间隙调整电极(12)位于第一间隙调整电极(11)正下方；第四反馈电极(10)和第四间隙调整电极(14)布置在第二隧道磁阻传感器(6)外侧第一绝缘层上(2)，且第四反馈电极(10)位于第三反馈电极(9)正下方，第四间隙调整电极(14)位于第三间隙调整电极(13)正下方。4.如权利要求2或3所述的基于间隙改变的隧道磁阻效应加速度计装置，其特征在于：在励磁结构层(19)上施加电流，形成局部磁场，当有加速度输入时，引起质量块(15)角度转动，导致励磁结构层(19)与第一隧道磁阻传感器(5)间隙变大，与第二隧道磁阻传感器(6)间隙变小，从而引起第一隧道磁阻传感器(5)和第二隧道磁阻传感器(6)周围磁场强度发生改变，通过第一隧道磁阻传感器(5)和第二隧道磁阻传感器(6)将磁场强度变化测量出来，就可...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，王斌龙，陆城富，汪秋华，吴磊，胡迪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32