[实用新型]基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计

说明书

基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计，包括：支撑框架，键合基板，扭转支撑梁，扭转质量块，谐振质量块，磁阻元件，固定刚度调节电极，可动刚度调节电极，检测磁体和驱动磁体；支撑框架设置在键合基板上，扭转质量块设置在支撑框架上开设的第一质量块安装槽内，扭转质量块通过扭转支撑梁与支撑框架连接；谐振质量块设置在扭转质量块上开设的第二质量块安装槽内，谐振质量块的四个边角通过驱动组合梁与扭转质量块连接，磁阻元件设置在谐振质量块上，谐振质量块的X轴两端设置可动刚度调节电极；键合基板上设置有固定刚度调节电极，检测磁体和驱动磁体，分别对应调节电极露出孔、磁阻元件、驱动组合梁的位置设置。

技术领域

本实用新型涉及一种基于隧道磁阻检测的静电刚度调节Z轴谐振式微加速度计装置，属微惯性导航的测量仪表零部件技术领域。

背景技术

惯性技术是以完全自主方式工作的，不与外界发生联系，具有自主、实时、不受干扰的优势。陀螺是惯性导航技术的核心器件，在现代航空航天，国防军事等领域发挥着至关重要的作用。

加速度计是惯性导航系统中最为关键的部件之一，用来测量运载体的加速度值，以此为基础，经过解算可以得到运载体的速度位置信息。惯性导航和制导都是以加速度计敏感测量载体运动加速度为基础，因此加速度计的性能直接影响到整个系统的测量精度稳定性以及最终的导航精度。

谐振式微加速度计是通过谐振腔的频率变化来测量外部加速度的，它具有较大的动态范围、较高的灵敏度、较高的灵敏度等优点具有抗干扰能力。由于平面内线性谐振器具有高线性、高精度和与传统硅微米兼容的工艺特点，目前研究的大多数谐振微加速度计都是用来测量平面内加速度的。少有能够测量垂直平面内加速度的平面外谐振加速度计。本结构采用磁阻检测方式实现对谐振结构固有频率的解算。就驱动方式而言，静电驱动稳定性好，但其驱动幅值小；电磁驱动具有驱动幅值大，结构简单等优点。就检测方式而言，电容检测采用梳齿结构，位移分辨率较高，但梳齿制造工艺精度要求极高，成品率较低。隧道磁阻效应基于电子的自旋效应，在磁性钉扎层和磁性自由层中间间隔有绝缘体或半导体的非磁层的磁性多层膜结构，当磁性自由层在外场的作用下，其磁化强度方向改变，而钉扎层的磁化方向不变，此时两个磁性层的磁化强度相对取向发生改变，则可在横跨绝缘层的的磁性隧道结上观测到大的电阻变化，这一物理效应正是基于电子在绝缘层的隧穿效应，因此称为隧道磁阻效应，隧道磁阻效应具有“灵敏度高、微型化、容易检测”的优势。

单个谐振器的固有频率对温度变化非常敏感，这将导致虚假信号输出，为解决信号检测难题，实用新型人想到将隧道磁阻效应应用于加速度计结构，采用双谐振质量块消除温度等因素影响，采用电磁驱动，通过扭转质量块运动将静电刚度变化转化为频率变化，采用相关闭环检测电路实现谐振结构固有频率的检测，从而实现加速度检测，该技术领域还未出现相关产品。

通过对现有技术进行检索，查到现有技术1中“一种基于静电刚度的谐振式微加速度计”(申请号为CN201220188370.9)，现有技术2“一种静电负刚度谐振式加速度计的敏感结构及其使用方法”(申请号为CN201811617230.7)，现有技术3“硅微谐振式加速度计”(申请号为CN201410129567.9)。

上述现有技术1、2、3均采用的是电容驱动、电容检测方式，电容结构适用于MEMS工艺加工，但存在检测灵敏度不足，输出信号小的劣势；采用梳齿电容检测方式，位移分辨率较高，但随着进一步微型化，梳齿电压容易击穿，横向冲击时也会吸合失效，尤其是梳齿制造工艺精度要求极高，成品率较低，制约该方向的发展。

基于以上问题，本实用新型提出采用电磁驱动、隧道磁阻检测方式的谐振式微加速度计装置，本设计优势在于电磁驱动方式结构简单，方便驱动。检测时由具有高灵敏特性的磁阻元件检测，灵敏度高，工艺要求不高，易于制造。

实用新型内容