[发明专利]一种基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻加速度计装置

说明书

本发明提供了一种基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，包括上层隧道磁阻传感元件结构、中层硅微传感器结构、下层布有电极引线的玻璃衬底结构；上层结构和中层结构分别通过两组锚点键合在下层结构上。本发明结合了MEMS技术与量子力学中的隧道磁阻效应，结构合理简单、易于加工、体积小、测量精度高、灵敏度高；利用磁场强度改变实现隧道磁阻效应，通过磁片位移使隧道磁阻元件周围磁场强度变化，线性度好、性能优；采用杠杆机构连接质量块与外部框架，当有加速度信号输入时，质量块与外部框架形成差动；两个隧道磁阻敏感元件反向对称布置，输出值反向偏离初始值，实现差分检测，有效抑制干扰引起的共模误差、增强装置可靠性。

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)和微惯性导航的测量仪表技术领域，涉及一种基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置。

背景技术

隧道磁阻效应是一种与电子自旋极化输运过程相关的量子现象。量子力学的隧道效应就是指电子等微观粒子能够穿入或穿越高度大于其总能量的位势垒的行为。隧道磁阻效应广泛存在于由铁磁性薄膜和中间绝缘层构成的平面磁隧道结中，其中间绝缘层的作用就是提供一个势垒并隔开铁磁层。电子隧穿过该绝缘层的几率与上下铁磁层的相对磁化方向和磁场强度相关，即磁化方向和磁场强度影响隧穿电流的大小，在其他条件不变的情况下，其表现为隧道结电阻阻值的变化，故称为隧道磁阻效应。隧穿电流对磁场变化的高灵敏性，决定了隧道磁阻对磁场变化具有极高的电阻灵敏度。

隧道磁阻式加速度计主要是利用加速度信号致使产生磁场的磁片发生位移，进而使得平面磁隧道结中两层铁磁性薄膜磁场强度发生变化，于是测得隧道磁阻的变化便可得出输入加速度的大小。由于隧道磁阻效应对磁场变化具有很高的灵敏度，加速度值的测量也会变得更加精确。随着加速度计应用领域的日益广泛，对精度的要求也越来越高，但目前的加速度计精度尚显不足，无法满足当前需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻加速度计装置，能够实现差分检测，并具有精度高、线性度好、抗共模误差能力强等优点。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于杠杆机构的差动质量块式隧道磁阻微加速度计装置，包括上层隧道磁阻传感元件结构、中层硅微传感器结构、下层布有电极引线的玻璃衬底结构；上层结构和中层结构分别通过第一组锚点和第二组锚点键合在下层结构上；

其中，上层结构包括衬底、设置在衬底背面的绝缘层、布置在绝缘层上的第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第一、二、三、四敏感输出电极，第一、二隧道磁阻传感器位于衬底水平方向中线上，关于衬底垂直方向中线左右对称布置，第一、二敏感输出电极分别位于第一隧道磁阻传感器的上下两侧，且关于衬底的水平方向中线上下对称分布，它们与第一隧道磁阻传感器连接，用于输出第一隧道磁阻传感器的检测信号，第三、四敏感输出电极分别位于第二隧道磁阻传感器的上下两侧，且关于衬底的水平方向中线上下对称分布，它们与第二隧道磁阻传感器连接，用于输出第二隧道磁阻传感器的检测信号；

中层结构包括位于中心位置的质量块、位于质量块中心位置的磁片、质量块外部框架以及连接在质量块与质量块外部框架之间的四根“Z形”杠杆机构，四根杠杆机构的输入端分别连接至质量块和外部框架，支点连接至第二组锚点；

下层结构包括衬底以及设置在衬底上的第一力反馈电极、第二力反馈电极、信号引线以及若干金属电极，第一力反馈电极位于衬底表面中心位置，且位于质量块的正下方；第一力反馈电极通过电极引线引出，第二力反馈电极呈分布于第一敏感反馈电极和第二组锚点之间，且位于外部框架的正下方，并通过电极引线引出，分别位于外部框架左上侧位置和右下侧位置；第二组锚点中有两个锚点通过电极引线引出。

进一步的，所述第一隧道磁阻传感器的中心线与磁片的右侧面重合，所述第二隧道磁阻传感器的中心线与磁片的左侧面重合。