本發明涉及一種基于間隙改變的隧道磁阻效應加速度計裝置，屬于微機電系統和微慣性器件技術領域。

背景技術：

現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。

隧道磁阻效應加速計主要是基于隧道磁阻效應(Tunneling magnetre sistance,TMR)來測量輸入的加速度。隧道磁阻效應主要指兩層鐵磁金屬和中間絕緣層構成的磁性隧道結中，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，通過測量其導致的電阻變化就可以測量輸入加速度大小。

技術實現要素：

發明目的：本發明提供一種基于間隙改變的隧道磁阻效應加速度計裝置，外界輸入加速度引起質量塊發生位移，導致磁場發生變化，然后利用隧道磁阻效應來測量磁場變化，進而獲得輸入加速度的大小，該技術解決了現有微型加速度計體積龐大、精度低和靈敏度低等問題。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種基于間隙改變的隧道磁阻效應加速度計裝置，包括頂層結構、底層結構、第一錨點和第二錨點，頂層結構通過分別設置在底層結構兩端的第一錨點和第二錨點支撐在底層結構上。

與其他類型的加速度計相比，隧道磁阻效應加速度計具有靈敏度和分辨率高，測試范圍寬等優點，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加速度計裝置的精度和靈敏度，頂層結構由質量塊、第二絕緣層、勵磁結構層、第一彈性梁、第二彈性梁、第一反饋電極、第三反饋電極、第一間隙調整電極和第三間隙調整電極構成；

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

底層結構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、第二間隙調整電極、第四間隙調整電極、第一絕緣層和襯底構成；

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、第二間隙調整電極、第四間隙調整電極、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，且布置在勵磁結構層的正下方；

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

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側，相背端為外側。

本申請將從質量塊中央指向質量塊兩端的方向定義為從內到外的方向；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加速度計裝置使用時，在勵磁結構層上施加電流，形成局部磁場，當有加速度輸入時，引起質量塊角度轉動，導致勵磁結構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加速度計裝置的精度和靈敏度，第一彈性梁和第二彈性梁均為T型；質量塊通過“T型”第一彈性梁和“T型”第二彈性梁支撐在第一錨點和第二錨點上。

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”第二過渡梁與第一錨點相連，“T型”第一彈性梁另一端與質量塊相連；“T型”第二彈性梁一端分別通過“L型”第三過渡梁和“L型”第四過渡梁與第二錨點相連，“T型”第二彈性梁另一端與質量塊相連；勵磁結構層由塊串聯而成的“蛇型”結構構成，且位于質量塊的中間位置。

蛇形勵磁結構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塊串聯而成的“環型”結構，且位于第二間隙調整電極和第四間隙調整電極之間中心位置的兩側。

第一隧道磁阻傳感器和第二隧道磁阻傳感器均由六層結構疊加而成，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構預先設定，自由層的第二磁場方向由勵磁結構層決定；勵磁結構層由三層結構疊加而成，從上至下分別為勵磁結構頂層、勵磁結構鐵磁層和勵磁結構底層，勵磁結構鐵磁層磁場方向由外加電流決定；勵磁結構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構鐵磁層間形成隧道磁阻效應。

為了簡化結構，使用方便，同時保證基于間隙改變的隧道磁阻效應加速度計裝置的精度和靈敏度，第二反饋電極、第二間隙調整電極、第四反饋電極和第四間隙調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。

上述第二反饋電極和第四反饋電極分別與第一反饋電極和第三反饋電極構成兩組差動電容力矩器；第二間隙調整電極和第四間隙調整電極分別與第一間隙調整電極和第三間隙調整電極形成兩組差動電容力矩器。

本發明采用高靈敏度的隧道磁阻效應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、溫度系數小，測量帶寬大等優點，本申請提出隧道磁阻效應加速度計結構方案簡單、緊湊、體積較小、靈敏度高、測量精度高。

本發明未提及的技術均為現有技術。

有益效果：

(1)采用高靈敏度的隧道磁阻效應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、溫度系數小，測量帶寬大等優點；

(2)區別于一般隧道效應加速度計需要花費巨大成本通過加工工藝和精密機構控制隧尖和質量塊間的nm間隙，本發明提出的高精度隧道磁阻效應加速度計并不直接利用電流效應，而是通過將加速度計轉換為磁場強度的變化，然后利用隧道磁阻效應的磁阻傳感器來檢測磁場的變化，無需實現nm間隙，相關設計技術成熟，更利于加工實現；

(3)本發明提出隧道磁阻效應加速度計結構方案簡單、緊湊、體積較小、靈敏度高、測量精度高。

附圖說明

圖1為本發明基于間隙改變的隧道磁阻效應加速度計裝置水平剖面圖；

圖2為本發明基于間隙改變的隧道磁阻效應加速度計裝置豎直剖面圖；

圖3為本發明基于間隙改變的隧道磁阻效應加速度計裝置的頂層結構仰視圖；

圖4為本發明基于間隙改變的隧道磁阻效應加速度計裝置的底層結構俯視圖；

圖5為本發明的隧道磁阻傳感器結構示意圖

圖6為本發明的隧道磁阻和勵磁結構示意圖；

圖7為本發明的底層結構引線層示意圖；

圖中，AB向為豎直方向，CD向為水平方向。

具體實施方式

為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內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支撐在底層結構上的頂層結構構成，其中頂層結構由質量塊15、勵磁結構層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、第一間隙調整電極11和第三間隙調整電極13構成；底層結構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、第二間隙調整電極12、第四間隙調整電極14、第一絕緣層2和襯底1構成。

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

底層結構在第一絕緣層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、第二間隙調整電極12、第四間隙調整電極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，且布置在勵磁結構層19的正下方；第二反饋電極8和第二間隙調整電極12布置在第一隧道磁阻傳感器5外側的第一絕緣層2上，且第二反饋電極8位于第一反饋電極7正下方，第二間隙調整電極12位于第一間隙調整電極11正下方；第四反饋電極10和第四間隙調整電極14布置第二隧道磁阻傳感器6外側的第一絕緣層2上，且第四反饋電極10位于第三反饋電極9正下方，第四間隙調整電極14位于第三間隙調整電極13正下方。

在勵磁結構層19上施加電流，形成局部磁場，當有沿著方向20的加速度輸入時，引起質量塊15繞著角度21轉動，導致勵磁結構層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，質量塊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與下面的第一錨點3相連，另一端與質量塊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與上面的第二錨點4相連，另一端與質量塊15相連；勵磁結構層19由塊串聯而成的“蛇型”結構構成，位于質量塊15的中間位置；第一反饋電極7和第一間隙調整電極11從左至右位于“蛇型”勵磁結構層19的左邊；第三反饋電極9和第三間隙調整電極13從右至左位于“蛇型”勵磁結構層19的右邊。蛇形勵磁結構層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由塊串聯而成的“環型”結構構成，且位于上下第一錨點3和第二錨點4上構成的中心線的左右兩側；第二反饋電極8和第二間隙調整電極12從左至右位于“環型”第一隧道磁阻傳感器5的左邊；第四反饋電極10和第四間隙調整電極14從右至左位于“環型”第二隧道磁阻傳感器6的右邊。第二反饋電極8和第四反饋電極10分別與第一反饋電極7和第三反饋電極9構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質量塊15偏移矯正回復平衡位置。第二間隙調整電極12和第四間隙調整電極14分別與第一間隙調整電極11和第三間隙調整電極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，可以產生不同的靜電力，主要用于調整蛇形勵磁結構層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結構類似，第一隧道磁阻傳感器5和第二隧道磁阻傳感器6均由六層結構疊加而成，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由結構預先設定，自由層23的第二磁場方向29由勵磁結構層19決定。勵磁結構層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。外界加速度的輸入引起蛇形勵磁結構層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，將會導致自由層23感應的磁場強度和方向的變化，直接引起隧道磁阻效應的強弱變化，最終導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；勵磁結構層19由三層結構疊加而成，從上至下分別為勵磁結構頂層30、勵磁結構鐵磁層31和勵磁結構底層32，勵磁結構鐵磁層磁場方向33由外加電流決定。

如圖7所示，第二反饋電極8、第二間隙調整電極12、第四反饋電極10和第四間隙調整電極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，用來調整蛇形勵磁結構層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。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間構成第一個隧道電阻；電極引線44和電極引線45構成第二個隧道電阻，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，用作質量塊的公共電極。