一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置及其测量方法，不仅装置体积小易加工，测量灵敏度和精度也有了显著提高。其中装置包括顶层结构、底层结构、中间层结构以及四个锚点，四个锚点设置在底层结构四角上，并连接于顶层结构和底层结构之间，中间层结构通过四个锚点支撑在底层结构与顶层结构之间。本发明专利技术能够产生磁场垂直于隧道磁阻传感器且励磁结构的厚度更大可实现更强的局部磁场，从而实现更高灵敏度的隧道磁阻效应；同时由于采用四根挠性挠性杆支撑梁连接质量块与锚点，在杠杆作用下，灵敏度和测量精度得到了显著提高；同时本加速度计结构简单、体积小、易于加工；具有磁场强度可控、灵敏度可调等优点。

A device and method of tunnel magnetoresistive accelerometer based on magnetic field direction change

The invention discloses a measuring method and a device for tunnel magnetoresistive acceleration meter based on changing the direction of magnetic field, the device not only small volume processing, measurement sensitivity and accuracy has been improved significantly. The device comprises a top layer structure, bottom structure, middle layer structure and the four anchor, four anchor set in the underlying structure of the four corners, and connected between the top and bottom structure structure, the middle of the four anchor support between the bottom and top layer structure by structure. The local magnetic field, the invention can generate the thickness of magnetic field perpendicular to the tunnel magnetoresistive sensor and the excitation structure can achieve more stronger, so as to realize the tunnel magnetoresistance effect of higher sensitivity; at the same time due to the use of four flexible flexible rod support beam connecting the mass and anchor in leverage, the sensitivity and measurement accuracy has been improved significantly; at the same time the accelerometer has the advantages of simple structure, small volume, easy processing; has the advantages of controllable magnetic field intensity, adjustable sensitivity etc..

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置及方法
本专利技术属于加速度测量
，涉及微机电系统(MEMS)和微惯性器件，更为具体地说，是涉及一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置及其测量方法。
技术介绍
量子隧穿效应是一种量子特性，是电子等微观粒子能够穿过他们本来无法通过的“墙壁”的现象。隧道磁阻效应是指在铁磁性薄膜和中间绝缘层构成的“隧道结”中，电子隧穿过绝缘层的可能性与铁磁层的相对磁化方向呈现相关性，其宏观表现为电阻的大小，电阻对磁场方向的变化具有极高的电阻灵敏度。隧道磁阻式加速度主要是利用输入加速度信号导致“隧道结”中两层铁磁性薄膜磁场极化发生变化，从而由隧道磁阻的变化测量输入加速度的大小。由于隧道磁阻效应对磁场磁化方向非常敏感，即电子隧穿过绝缘层的可能性对磁场磁化方向变化非常敏感，从而可以实现高精度的加速度检测，使其成为新一代高精度硅微加速度计的重点研究领域。而目前，现有技术中的隧道磁阻式加速度计装置通常存在体积庞大、测量精度低和灵敏度低等问题，无法满足应用需求。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置及其测量方法，不仅装置体积小易加工，测量灵敏度和精度也有了显著提高。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置，包括顶层结构、底层结构、中间层结构以及四个锚点，四个锚点设置在底层结构四角上，并连接于顶层结构和底层结构之间，中间层结构通过四个锚点支撑在底层结构与顶层结构之间；所述中间层结构包括质量块，位于质量块背面的第一敏感反馈电极、第二敏感反馈电极、第一间距控制电极、第二间距控制电极，位于质量块背面的第三敏感反馈电极、第四敏感反馈电极、第三间距控制电极、第四间距控制电极，嵌在质量块中的隧道磁阻励磁结构以及分别连接在隧道磁阻励磁结构正面和背面的二端电极，用于隔离质量块与隧道磁阻励磁结构及其二端电极的第三绝缘层，分别与质量块四角相连的第一挠性杆支撑梁、第二挠性杆支撑梁、第三挠性杆支撑梁、第四挠性杆支撑梁，所述第一挠性杆支撑梁还与第二锚点连接，所述第二挠性杆支撑梁还与第三锚点连接，所述第三挠性杆支撑梁还与第四锚点连接，所述第四挠性杆支撑梁还与第一锚点连接；所述底层结构包括第一衬底、设置在第一衬底1正面的第一绝缘层、布置在第一绝缘层正面的第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第五敏感反馈电极、第六敏感反馈电极、第五间距控制电极、第六间距控制电极；所述顶层结构包括第二衬底、设置在第二衬底背面的第二绝缘层、布置在第二绝缘层背面的第三隧道磁阻传感器、第四隧道磁阻传感器、第七敏感反馈电极、第八敏感反馈电极、第七间距控制电极、第八间距控制电极。进一步的，各挠性杆支撑梁均为L形，其一头与质量块连接，另一头与锚点连接。进一步的，所述隧道磁阻励磁结构包括若干分布在质量块中的圆柱形结构体。进一步的，所述第一敏感反馈电极、第二敏感反馈电极、第一间距控制电极、第二间距控制电极分别位于隧道磁阻励磁结构的右边、左边、前边、后边；所述第三敏感反馈电极、第四敏感反馈电极、第三间距控制电极、第四间距控制电极分别位于隧道磁阻励磁结构的右边、左边、前边、后边。进一步的，所述底层结构中第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器位于第一绝缘层中部的两边且沿AB中心线对称分布，两个隧道磁阻传感器位于隧道磁阻励磁结构的正下方，第五敏感反馈电极位于第一隧道磁阻传感器和第一锚点、第二锚点之间，第六敏感反馈电极位于第二隧道磁阻传感器和第三锚点、第四锚点之间；第五间距控制电极位于两隧道磁阻传感器和第二锚点、第三锚点之间、第六间距控制电极位于两隧道磁阻传感器和第一锚点、第四锚点之间；第五敏感反馈电极、第六敏感反馈电极位于第一敏感反馈电极、第二敏感反馈电极的正下方，第五间距控制电极、第六间距控制电极位于第一间距控制电极、第二间距控制电极的正下方。进一步的，所述第五敏感反馈电极、第六敏感反馈电极位于横向中心线上，且在两隧道磁阻传感器两侧；第五间距控制电极、第六间距控制电极位于纵向中心线上，且在两隧道磁阻传感器两侧；第五、六间距控制电极与第一、二间距控制电极形成差动力矩器，实现中间层与底层之间的间距控制；第五、六敏感反馈电极与第一、二敏感反馈电极形成二组差分控制引脚，在局部磁场和隧道磁阻传感器检测信号之间形成闭合回路。进一步的，所述第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器结构相同，均由矩形块以“蛇形”结构串联而成，所述第一隧道磁阻传感器从上至下依次布置有顶层、自由层、隧道势垒层、铁磁层、反铁磁层和底层；铁磁层磁场方向由反铁磁层预先设定，自由层磁场方向由外界隧道磁阻励磁结构产生的磁场决定，隧道磁阻励磁结构产生的磁场由施加的电流决定。进一步的，所述第一隧道磁阻传感器的两端、第二隧道磁阻传感器的两端、第五敏感反馈电极、第六敏感反馈电极、第五间距控制电极、第六间距控制电极、四个锚点均通过各电极引线引出。进一步的，所述顶层结构中第三隧道磁阻传感器、第四隧道磁阻传感器位于第二绝缘层中间位置并且位于隧道磁阻励磁结构的正上方；第七敏感反馈电极位于第三隧道磁阻传感器和第一锚点、第二锚点之间、第八敏感反馈电极位于第四隧道磁阻传感器和第三锚点、第四锚点之间；第七间距控制电极位于第三隧道磁阻传感器、第四隧道磁阻传感器和第二锚点、第三锚点之间、第八间距控制电极位于第三隧道磁阻传感器、第四隧道磁阻传感器和第一锚点、第四锚点之间；且第七敏感反馈电极、第八敏感反馈电极位于第三敏感反馈电极、第四敏感反馈电极的正上方，第七间距控制电极、第八间距控制电极位于第三间距控制电极、第四间距控制电极的正上方。基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置的测量方法，包括如下步骤：在隧道磁阻励磁结构二端电极施加电压从而在隧道磁阻励磁结构中形成电流产生局部磁场；当加速度信号沿着由顶层至底层方向输入时，质量块向下产生位移，导致隧道磁阻励磁结构与第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器的间距变小并且与第三隧道磁阻传感器、第四隧道磁阻传感器的间距变大，从而引起第一、二、三、四隧道磁阻传感器周围磁场发生改变；通过对第一、二、三、四隧道磁阻传感器电阻的测量从而实现对外界输入加速度的测量。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1.相对于基于间隙改变的隧道式加速计中磁场方向平行隧道磁阻传感器且励磁结构采用磁性薄膜实现，基于磁场方向改变的隧道式加速度计产生磁场垂直于隧道磁阻传感器且励磁结构的厚度更大可实现更强的局部磁场，从而实现更高灵敏度的隧道磁阻效应；同时由于采用四根挠性挠性杆支撑梁连接质量块与锚点，在杠杆作用下，灵敏度和测量精度得到了显著提高；同时本加速度计结构简单、体积小。2.本专利技术利用隧道结构产生局部磁场，具有磁场强度可控、灵敏度可调等优点，同时避免了永磁体磁场衰减以及磁场强度不可控等缺点。3.本专利技术利用磁场方向改变实现隧道磁阻效应，无需实现两个铁磁层间绝缘层间隙的nm级间隙控制，更易于器件的加工与功能实现。附图说明图1(a)为本专利技术提供的基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置整体结构示意图，其中AB中心线左半部分为从第三锚点方向向第四锚点方向看(即图3中向下)的示意图，而AB中心线右半部分为从第一锚点方向向第二锚点方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置，其特征在于：包括顶层结构、底层结构、中间层结构以及四个锚点，四个锚点设置在底层结构四角上，并连接于顶层结构和底层结构之间，中间层结构通过四个锚点支撑在底层结构与顶层结构之间；所述中间层结构包括质量块(17)，位于质量块(17)背面的第一敏感反馈电极(18)、第二敏感反馈电极(20)、第一间距控制电极(19)、第二间距控制电极(21)，位于质量块背面的第三敏感反馈电极(34)、第四敏感反馈电极(36)、第三间距控制电极(35)、第四间距控制电极(37)，嵌在质量块(17)中的隧道磁阻励磁结构(23)以及分别连接在隧道磁阻励磁结构(23)正面和背面的二端电极，用于隔离质量块(17)与隧道磁阻励磁结构(23)及其二端电极的第三绝缘层(22)，分别与质量块(17)四角相连的第一挠性杆支撑梁(13)、第二挠性杆支撑梁(14)、第三挠性杆支撑梁(15)、第四挠性杆支撑梁(16)，所述第一挠性杆支撑梁(13)还与第二锚点(4)连接，所述第二挠性杆支撑梁(14)还与第三锚点(5)连接，所述第三挠性杆支撑梁(15)还与第四锚点(6)连接，所述第四挠性杆支撑梁(16)还与第一锚点(3)连接；所述底层结构包括第一衬底(1)、设置在第一衬底1正面的第一绝缘层(2)、布置在第一绝缘层(2)正面的第一隧道磁阻传感器(11)、第二隧道磁阻传感器(12)、第五敏感反馈电极(7)、第六敏感反馈电极(9)、第五间距控制电极(8)、第六间距控制电极(10)；所述顶层结构包括第二衬底(25)、设置在第二衬底背面的第二绝缘层(26)、布置在第二绝缘层背面的第三隧道磁阻传感器(27)、第四隧道磁阻传感器(28)、第七敏感反馈电极(29)、第八敏感反馈电极(31)、第七间距控制电极(30)、第八间距控制电极(32)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置，其特征在于：包括顶层结构、底层结构、中间层结构以及四个锚点，四个锚点设置在底层结构四角上，并连接于顶层结构和底层结构之间，中间层结构通过四个锚点支撑在底层结构与顶层结构之间；所述中间层结构包括质量块(17)，位于质量块(17)背面的第一敏感反馈电极(18)、第二敏感反馈电极(20)、第一间距控制电极(19)、第二间距控制电极(21)，位于质量块背面的第三敏感反馈电极(34)、第四敏感反馈电极(36)、第三间距控制电极(35)、第四间距控制电极(37)，嵌在质量块(17)中的隧道磁阻励磁结构(23)以及分别连接在隧道磁阻励磁结构(23)正面和背面的二端电极，用于隔离质量块(17)与隧道磁阻励磁结构(23)及其二端电极的第三绝缘层(22)，分别与质量块(17)四角相连的第一挠性杆支撑梁(13)、第二挠性杆支撑梁(14)、第三挠性杆支撑梁(15)、第四挠性杆支撑梁(16)，所述第一挠性杆支撑梁(13)还与第二锚点(4)连接，所述第二挠性杆支撑梁(14)还与第三锚点(5)连接，所述第三挠性杆支撑梁(15)还与第四锚点(6)连接，所述第四挠性杆支撑梁(16)还与第一锚点(3)连接；所述底层结构包括第一衬底(1)、设置在第一衬底1正面的第一绝缘层(2)、布置在第一绝缘层(2)正面的第一隧道磁阻传感器(11)、第二隧道磁阻传感器(12)、第五敏感反馈电极(7)、第六敏感反馈电极(9)、第五间距控制电极(8)、第六间距控制电极(10)；所述顶层结构包括第二衬底(25)、设置在第二衬底背面的第二绝缘层(26)、布置在第二绝缘层背面的第三隧道磁阻传感器(27)、第四隧道磁阻传感器(28)、第七敏感反馈电极(29)、第八敏感反馈电极(31)、第七间距控制电极(30)、第八间距控制电极(32)。2.根据权利要求1所述的基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置，其特征在于：各挠性杆支撑梁均为L形，其一头与质量块连接，另一头与锚点连接。3.根据权利要求2所述的基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置，其特征在于：所述隧道磁阻励磁结构(23)包括若干分布在质量块中的圆柱形结构体。4.根据权利要求3所述的基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置，其特征在于：所述第一敏感反馈电极(18)、第二敏感反馈电极(20)、第一间距控制电极(19)、第二间距控制电极(21)分别位于隧道磁阻励磁结构(23)的右边、左边、前边、后边；所述第三敏感反馈电极(34)、第四敏感反馈电极(36)、第三间距控制电极(35)、第四间距控制电极(37)分别位于隧道磁阻励磁结构(23)的右边、左边、前边、后边。5.根据权利要求1所述的基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置，其特征在于：所述底层结构中第一隧道磁阻传感器(11)、第二隧道磁阻传感器(12)位于第一绝缘层(2)中部的两边且沿AB中心线对称分布，两个隧道磁阻传感器位于隧道磁阻励磁结构(23)的正下方，第五敏感反馈电极(7)位于第一隧道磁阻传感器(11)和第一锚点(3)、第二锚点(4)之间，第六敏感反馈电极(9)位于第二隧道磁阻传感器(12)和第三锚点(5)、第四锚点(6)之间；第五间距控制电极(8)位于两隧道磁阻传感器和第二锚点(4)、第三锚点(5)之间、第六间距控制电极(10)位于两隧道磁阻传感器和第一锚点(3)、第四锚点(6)之间；第五敏感反馈电极(7)、第六...

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