[发明专利]一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计

说明书

本发明公开了一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，包括下层的磁场发生与检测部分、上层的磁场调制部分以及两部分所在的安装框架，所述磁场发生与检测部分包括励磁线圈、隧穿式磁电阻和磁场聚集器，能够产生恒强磁场并检测该磁场受调制器影响的变化；所述上层的磁场调制部分主体为质量‑挠性结构，质量块下表面设置磁场调节器，能够调制磁场。另外，本发明的加速度计还有差动检测结构，能够提高灵敏度、降低温度噪声。本发明是一种加速度‑磁场强度‑电阻的信号转化方式，充分利用隧穿式磁电阻的高变化率特性提高加速度检测效率，同时在工艺上采用集成方法，在精度、体积方面具有不可比拟的优点，可广泛应用于高精度惯性导航和军工领域。

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，具体涉及一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计。

背景技术

隧穿式磁电阻（TMR）是一种能够将磁场强度转化为电阻阻值的磁场传感器，可以测量磁场强度。其由多层材料的磁隧道结制成，其磁场敏感方向与层面平行。这种传感器具有高灵敏度、低噪声的优势，能够在微弱磁场变化下有很大的阻值变化率。

由于这种磁电阻具有优势性能，除了在磁场检测领域，其还可以有多种其他领域应用，将其他信号转化为磁场信号，再由隧穿式磁电阻检测磁场变化达到传感器作用。本专利就是基于这种应用模式，利用隧穿式磁电阻检测由磁体位移导致的磁场变化，从而实现检测位移量乃至加速度场的传感器功能。

差动结构是一种常见的增强传感器检测分辨力、消除共模干扰的信号检测方式，差动结构要求输出一对变化大小相同、变化方向相反的信号，通过分析处理抵消共模信号，便于信号放大。

随着传感器技术和微电子技术的飞速发展，MEMS传感器不断创新和发展。MEMS传感器具有体积小、集成度高、可靠性高、灵敏度高等优点，在惯性导航领域的应用非常突出。而当前的MEMS惯性导航传感器主要还是以梳齿电容等原理为主，存在分辨率低的缺陷。需要改进。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，将隧穿式磁电阻的高灵敏度应用在加速度计上，同时在工艺上采用集成方法大大减小了传感器体积，在精度、体积方面具有不可比拟的优点，可广泛应用于高精度惯性导航和军工领域。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于隧穿式磁电阻阵列的差动式MEMS加速度计，包括下层的磁场发生与检测部分、上层的磁场调制部分以及两部分所在的安装框架，

所述磁场发生与检测部分包括励磁线圈、隧穿式磁电阻和磁场聚集器，所述励磁线圈设置在下安装框架上，励磁线圈两端设有引入电极，所述隧穿式磁电阻设置在励磁线圈上方，励磁线圈与隧穿式磁电阻之间设有绝缘材料，隧穿式磁电阻数量为四个，以下安装框架中点为中心呈“口”字型对称设置，每个隧穿式磁电阻设有两个引出电极，所述磁场聚集器设置在隧穿式磁电阻的上下两侧，

所述上层的磁场调制部分主体为质量-挠性结构，所述质量-挠性结构固定在上安装框架上，磁场调制部分与磁场发生与检测部分通过固定框连接，磁场调节器设置在质量块背面的正中心位置，磁场调节器设置在隧穿式磁电阻上方，磁场调节器大小≤两个磁场聚集器之间的空档。

进一步的，所述励磁线圈为铜制励磁线圈，沉积在最底层，为矩形平面螺旋形状，上有绝缘材料布满整个线圈区域。

进一步的，所述磁场聚集器为软磁材料制成的矩形磁场放大结构，沉积在绝缘层上，为对称的一对，分别平行放在电流方向相反的两组线圈上，一对磁场聚集器中间的空档部分为四个阵列单元组成的磁性敏感阵列的区域，每个阵列单元为一个单独的隧穿式磁电阻阵列。

进一步的，所述的磁场调制部分，为一体式的质量块-梁结构，上安装框架四周设有弹性梁结构，所述质量块设置在弹性梁结构内，为了实现其在平面方向上的运动模态，弹性梁的形状是弓字形状的折叠梁结构。