[发明专利]一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构及控制方法

说明书

本发明属于加速度计技术领域，具体涉及一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构及控制方法，底层结构包括整体支撑框架、加速度计检测梁、质量块，加速度计检测梁固定在整体支撑框架的内侧面，质量块通过加速度计检测梁固定在整体支撑框架的中央，中层结构包括磁膜阵列，磁膜阵列键合在质量块上，磁阻支撑框架固定在整体支撑框架的上方，磁阻基板通过支撑梁固定在磁阻支撑框架上，磁阻基板设置在质量块的正上方，磁阻基板上固定有隧道磁阻元件。本发明提出的加速度计利用磁膜阵列产生高变化率磁场，不需要外加激励，具有结构简单、灵敏度高、可靠性好，寿命长、制作成本低，功耗低等特点。本发明用于加速度的检测。

技术领域

本发明属于加速度计技术领域，具体涉及一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构及控制方法。

背景技术

MEMS加速度计的检测方式有压阻式、压电式、电容式、共振隧穿式、电子隧道效应式等。电容检测目前是主流检测方式，其具有精度高、稳定性好、适合批量加工和易集成的优点，但由于梳齿多且间距较小，在外部作用力下梳齿容易发生吸合导致器件失效。虽然电容式检测的噪声水平和检测精度一直在提高，但仍受接口电路分辨率、寄生电容、工艺加工技术的限制，检测分辨率已达到极限，噪声水平很难突破0.1°/h；压阻效应检测的微加速度计，固有温度限制了其应用，使其灵敏度难以提高；压电效应检测的灵敏度易漂移，需要经常校正，且归零慢，不宜连续测试；共振隧穿效应检测的灵敏度较硅压阻效应高一个数量级，但测试得到的检测灵敏度较低，存在的问题是偏置电压容易因加速度计驱动而漂移，导致加速度计不能稳定工作；电子隧道效应检测制造工艺极其复杂，检测电路也相对较难实现，成品率低，难以正常工作，不利于集成，特别是很难把隧道结隧尖和电极板之间的距离控制在纳米级，无法保障传感器正常工作。因此，急需开展新物理效应检测的MEMS加速度计研究。

近年来，东南大学相继提出了基于间隙改变的隧道磁阻加速度计、基于磁场方向改变的隧道磁阻加速度计和扭摆式隧道磁阻加速度计，具有高灵敏度、高测量精度的特点。但其均采用通电线圈产生高变化率磁场，需要外加电源激励，增加了制作成本和额外功耗，且线圈易被氧化，使用寿命低，不利于单片集成。

发明内容

针对上述加速度计灵敏度低、偏置电压易漂移、检测电路成品率低、使用寿命短的技术问题，本发明提供了一种结构简单、灵敏度高、可靠性好，寿命长、制作成本低的基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构，包括底层结构、中层结构、上层结构，所述底层结构包括整体支撑框架、加速度计检测梁、质量块，所述加速度计检测梁固定在整体支撑框架的内侧面，所述质量块通过加速度计检测梁固定在整体支撑框架的中心，所述中层结构包括磁膜阵列，所述磁膜阵列键合在质量块上，所述上层结构包括磁阻支撑框架、磁阻基板、支撑梁、隧道磁阻元件，所述磁阻支撑框架固定在整体支撑框架的上方，所述磁阻基板通过支撑梁固定在磁阻支撑框架上，所述磁阻基板设置在质量块的正上方，所述磁阻基板上固定有隧道磁阻元件。

所述加速度计检测梁可以采用直梁或至少一层弯曲折叠的细长梁。

所述磁膜阵列横向排布，所述磁膜阵列包括至少两个磁膜，每个磁膜内录有磁信号，所述磁信号的极性首尾相接，所述磁信号的磁场在水平方向呈正弦波变换。

所述隧道磁阻元件包括有磁阻桥路、电源，所述磁阻桥路有两个，两个磁阻桥路之间并联连接，所述磁阻桥路包括负相关磁阻结R1、正相关磁阻结R2，所述负相关磁阻结R1与正相关磁阻结R2串联连接，所述电源并联连接在磁阻结的两端。

一种基于磁膜的隧道磁阻MEMS加速度计结构的控制方法，包括下列步骤：

S1、定义质量块的法向方向为Z方向，定义磁膜的磁极方向为X方向，依据右手定则建立XYZ坐标系；