一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置及方法与流程

本发明属于加速度测量技术领域，涉及微机电系统(mems)和微惯性器件，更为具体地说，是涉及一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置及其测量方法。

背景技术：

量子隧穿效应是一种量子特性，是电子等微观粒子能够穿过他们本来无法通过的“墙壁”的现象。隧道磁阻效应是指在铁磁性薄膜和中间绝缘层构成的“隧道结”中，电子隧穿过绝缘层的可能性与铁磁层的相对磁化方向呈现相关性，其宏观表现为电阻的大小，电阻对磁场方向的变化具有极高的电阻灵敏度。隧道磁阻式加速度主要是利用输入加速度信号导致“隧道结”中两层铁磁性薄膜磁场极化发生变化，从而由隧道磁阻的变化测量输入加速度的大小。由于隧道磁阻效应对磁场磁化方向非常敏感，即电子隧穿过绝缘层的可能性对磁场磁化方向变化非常敏感，从而可以实现高精度的加速度检测，使其成为新一代高精度硅微加速度计的重点研究领域。

而目前，现有技术中的隧道磁阻式加速度计装置通常存在体积庞大、测量精度低和灵敏度低等问题，无法满足应用需求。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置及其测量方法，不仅装置体积小易加工，测量灵敏度和精度也有了显著提高。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置，包括顶层结构、底层结构、中间层结构以及四个锚点，四个锚点设置在底层结构四角上，并连接于顶层结构和底层结构之间，中间层结构通过四个锚点支撑在底层结构与顶层结构之间；

所述中间层结构包括质量块，位于质量块背面的第一敏感反馈电极、第二敏感反馈电极、第一间距控制电极、第二间距控制电极，位于质量块背面的第三敏感反馈电极、第四敏感反馈电极、第三间距控制电极、第四间距控制电极，嵌在质量块中的隧道磁阻励磁结构以及分别连接在隧道磁阻励磁结构正面和背面的二端电极，用于隔离质量块与隧道磁阻励磁结构及其二端电极的第三绝缘层，分别与质量块四角相连的第一挠性杆支撑梁、第二挠性杆支撑梁、第三挠性杆支撑梁、第四挠性杆支撑梁，所述第一挠性杆支撑梁还与第二锚点连接，所述第二挠性杆支撑梁还与第三锚点连接，所述第三挠性杆支撑梁还与第四锚点连接，所述第四挠性杆支撑梁还与第一锚点连接；

所述底层结构包括第一衬底、设置在第一衬底1正面的第一绝缘层、布置在第一绝缘层正面的第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器、第五敏感反馈电极、第六敏感反馈电极、第五间距控制电极、第六间距控制电极；

所述顶层结构包括第二衬底、设置在第二衬底背面的第二绝缘层、布置在第二绝缘层背面的第三隧道磁阻传感器、第四隧道磁阻传感器、第七敏感反馈电极、第八敏感反馈电极、第七间距控制电极、第八间距控制电极。

进一步的，各挠性杆支撑梁均为l形，其一头与质量块连接，另一头与锚点连接。

进一步的，所述隧道磁阻励磁结构包括若干分布在质量块中的圆柱形结构体。

进一步的，所述第一敏感反馈电极、第二敏感反馈电极、第一间距控制电极、第二间距控制电极分别位于隧道磁阻励磁结构的右边、左边、前边、后边；所述第三敏感反馈电极、第四敏感反馈电极、第三间距控制电极、第四间距控制电极分别位于隧道磁阻励磁结构的右边、左边、前边、后边。

进一步的，所述底层结构中第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器位于第一绝缘层中部的两边且沿ab中心线对称分布，两个隧道磁阻传感器位于隧道磁阻励磁结构的正下方，第五敏感反馈电极位于第一隧道磁阻传感器和第一锚点、第二锚点之间，第六敏感反馈电极位于第二隧道磁阻传感器和第三锚点、第四锚点之间；第五间距控制电极位于两隧道磁阻传感器和第二锚点、第三锚点之间、第六间距控制电极位于两隧道磁阻传感器和第一锚点、第四锚点之间；第五敏感反馈电极、第六敏感反馈电极位于第一敏感反馈电极、第二敏感反馈电极的正下方，第五间距控制电极、第六间距控制电极位于第一间距控制电极、第二间距控制电极的正下方。

进一步的，所述第五敏感反馈电极、第六敏感反馈电极位于横向中心线上，且在两隧道磁阻传感器两侧；第五间距控制电极、第六间距控制电极位于纵向中心线上，且在两隧道磁阻传感器两侧；第五、六间距控制电极与第一、二间距控制电极形成差动力矩器，实现中间层与底层之间的间距控制；第五、六敏感反馈电极与第一、二敏感反馈电极形成二组差分控制引脚，在局部磁场和隧道磁阻传感器检测信号之间形成闭合回路。

进一步的，所述第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器结构相同，均由矩形块以“蛇形”结构串联而成，所述第一隧道磁阻传感器从上至下依次布置有顶层、自由层、隧道势垒层、铁磁层、反铁磁层和底层；铁磁层磁场方向由反铁磁层预先设定，自由层磁场方向由外界隧道磁阻励磁结构产生的磁场决定，隧道磁阻励磁结构产生的磁场由施加的电流决定。

进一步的，所述第一隧道磁阻传感器的两端、第二隧道磁阻传感器的两端、第五敏感反馈电极、第六敏感反馈电极、第五间距控制电极、第六间距控制电极、四个锚点均通过各电极引线引出。

进一步的，所述顶层结构中第三隧道磁阻传感器、第四隧道磁阻传感器位于第二绝缘层中间位置并且位于隧道磁阻励磁结构的正上方；第七敏感反馈电极位于第三隧道磁阻传感器和第一锚点、第二锚点之间、第八敏感反馈电极位于第四隧道磁阻传感器和第三锚点、第四锚点之间；第七间距控制电极位于第三隧道磁阻传感器、第四隧道磁阻传感器和第二锚点、第三锚点之间、第八间距控制电极位于第三隧道磁阻传感器、第四隧道磁阻传感器和第一锚点、第四锚点之间；且第七敏感反馈电极、第八敏感反馈电极位于第三敏感反馈电极、第四敏感反馈电极的正上方，第七间距控制电极、第八间距控制电极位于第三间距控制电极、第四间距控制电极的正上方。

基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置的测量方法，包括如下步骤：在隧道磁阻励磁结构二端电极施加电压从而在隧道磁阻励磁结构中形成电流产生局部磁场；当加速度信号沿着由顶层至底层方向输入时，质量块向下产生位移，导致隧道磁阻励磁结构与第一隧道磁阻传感器、第二隧道磁阻传感器的间距变小并且与第三隧道磁阻传感器、第四隧道磁阻传感器的间距变大，从而引起第一、二、三、四隧道磁阻传感器周围磁场发生改变；通过对第一、二、三、四隧道磁阻传感器电阻的测量从而实现对外界输入加速度的测量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.相对于基于间隙改变的隧道式加速计中磁场方向平行隧道磁阻传感器且励磁结构采用磁性薄膜实现，基于磁场方向改变的隧道式加速度计产生磁场垂直于隧道磁阻传感器且励磁结构的厚度更大可实现更强的局部磁场，从而实现更高灵敏度的隧道磁阻效应；同时由于采用四根挠性挠性杆支撑梁连接质量块与锚点，在杠杆作用下，灵敏度和测量精度得到了显著提高；同时本加速度计结构简单、体积小。

2.本发明利用隧道结构产生局部磁场，具有磁场强度可控、灵敏度可调等优点，同时避免了永磁体磁场衰减以及磁场强度不可控等缺点。

3.本发明利用磁场方向改变实现隧道磁阻效应，无需实现两个铁磁层间绝缘层间隙的nm级间隙控制，更易于器件的加工与功能实现。

附图说明

图1(a)为本发明提供的基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置整体结构示意图，其中ab中心线左半部分为从第三锚点方向向第四锚点方向看(即图3中向下)的示意图，而ab中心线右半部分为从第一锚点方向向第二锚点方向看(即图3中向上)的示意图。

图1(b)为本发明提供的基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置另一整体结构示意图，其中cd中心线左半部分为从第三锚点方向向第二锚点方向看(即图3中向右)的示意图，而cd中心线右半部分为从第一锚点方向向第四锚点方向看(即图3中向左)的示意图。

图2为顶层及中间层结构仰视图。

图3为底层结构俯视图。

图4为隧道磁阻传感器结构示意图。

图5为底层结构引线图。

图6为顶层结构仰视图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置，包括顶层结构、底层结构、中间层结构以及第一锚点3、第二锚点4、第三锚点5、第四锚点6，四个锚点设置在底层结构四角上，并连接于顶层结构和底层结构之间，而中间层结构通过四个锚点支撑在底层结构与顶层结构之间，顶层结构和底层结构相对于中间层上下对称分布，各组成部分及其分布一致。

如图1、图2所示，中间层结构包括质量块17、第一敏感反馈电极18、第二敏感反馈电极20、第三敏感反馈电极34、第四敏感反馈电极36、第一间距控制电极19、第二间距控制电极21、第三间距控制电极35、第四间距控制电极37、隧道磁阻励磁结构23以及隧道磁阻励磁结构二端电极具体包括背面电极24、正面电极33、第一挠性杆支撑梁13、第二挠性杆支撑梁14、第三挠性杆支撑梁15、第四挠性杆支撑梁16。底层结构包括第一隧道磁阻传感器11、第二隧道磁阻传感器12、第五敏感反馈电极7、第六敏感反馈电极9、第五间距控制电极8、第六间距控制电极10、第一绝缘层2和第一衬底1。顶层结构与底层结构相同，包括第三隧道磁阻传感器27、第四隧道磁阻传感器28、第七敏感反馈电极29、第八敏感反馈电极31、第七间距控制电极30、第八间距控制电极32、第二绝缘层26和第二衬底25。

具体地说，中间层结构通过第一挠性杆支撑梁13、第二挠性杆支撑梁14、第三挠性杆支撑梁15、第四挠性杆支撑梁16将质量块支撑在四个锚点之间；如图2所示，质量块17的四角各连接有一根l形的挠性杆支撑梁，挠性杆支撑梁包括彼此垂直连接的短杆和长杆，质量块17一角与短杆连接，而长杆连接至质量块上与短杆连接角同边的另一角相应的锚点处。l形挠性杆支撑梁形成了长杠杆作用，能够放大位移，便于提升测量精度，降低操作难度。隧道磁阻励磁结构23嵌在质量块17中并通过第三绝缘层22与质量块17分隔，如图2所示，隧道磁阻励磁结构23包括多个圆柱形结构体，它们以对称刻蚀方式分布在质量块17中，能够在中心位置二侧形成对称分布的磁场，隧道磁阻励磁结构23二端与隧道磁阻励磁结构二端电极相连接；隧道磁阻励磁结构二端电极实现分布在质量块中的隧道磁阻励磁结构23的连接，第三绝缘层22用于隔离质量块17与隧道磁阻励磁结构23及其二端电极。在隧道磁阻励磁结构二端电极施加电压，隧道磁阻励磁结构23中由于电流的存在产生局部磁场63，为隧道磁阻式加速度计提供磁场条件。第一敏感反馈电极18、第二敏感反馈电极20、第一间距控制电极19、第二间距控制电极21位于质量块17的背面，由图2视图方向可见，它们分别位于隧道磁阻励磁结构23的右边、左边、前边、后边位置，利于电极的引线；第三敏感反馈电极34、第四敏感反馈电极36、第三间距控制电极35、第四间距控制电极37位于质量块的正面，在图2视图方向上它们分别位于隧道磁阻励磁结构23的右边、左边、前边、后边位置，利于电极的引线。

底层结构中，在第一衬底1的正面布置有第一绝缘层2和四个锚点的下端，第一锚点3、第二锚点4、第三锚点5、第四锚点6的下端分别位于第一衬底1正面第一绝缘层2的左上、左下、右上、右下四个顶点处；第一绝缘层2的正面布置有第五敏感反馈电极7、第六敏感反馈电极9、第五间距控制电极8、第六间距控制电极10、第一隧道磁阻传感器11、第二隧道磁阻传感器12。第一隧道磁阻传感器11、第二隧道磁阻传感器12位于第一绝缘层2中部的两边，沿图3中ab中心线对称分布，如图1所示，两个隧道磁阻传感器位于隧道磁阻励磁结构23的正下方，可以最大效应的感应磁场的变化，实现灵敏度的最优化。需要说明的是，图1(a)和图3中两隧道磁阻传感器之间的距离并不相互对应，也对本专利保护范围不具有限制作用，这是由于第一隧道磁阻传感器11和第二隧道磁阻传感器12之间的距离可以根据需要进行调整。如图3所示，第五敏感反馈电极7位于第一隧道磁阻传感器11和第一锚点3、第二锚点4之间，第六敏感反馈电极9位于第二隧道磁阻传感器12和第三锚点5、第四锚点6之间；第五间距控制电极8位于两隧道磁阻传感器和第二锚点4、第三锚点5之间、第六间距控制电极10位于两隧道磁阻传感器和第一锚点3、第四锚点6之间；且由图1(a)可见，第五敏感反馈电极7、第六敏感反馈电极9位于第一敏感反馈电极18、第二敏感反馈电极20的正下方，第五间距控制电极8、第六间距控制电极10位于第一间距控制电极19、第二间距控制电极21的正下方。

图3为底层俯视图，其中，第一隧道磁阻传感器11、第二隧道磁阻传感器12由矩形块以“蛇形”结构串联而成，位于第一锚点3、第二锚点4和第三锚点5、第四锚点6中点的连线cd上，且它们位于第一锚点3、第四锚点6和第二锚点4、第三锚点5中点连线ab的两侧。如图4所示，第一隧道磁阻传感器11从上至下依次布置有顶层55、自由层56、隧道势垒层57、铁磁层58、反铁磁层59和底层60；铁磁层58磁场方向由反铁磁层59预先设定，自由层52磁场方向由外界隧道磁阻励磁结构23产生的磁场决定，隧道磁阻励磁结构23产生的磁场由施加的电流决定。

矩形第五敏感反馈电极7、第六敏感反馈电极9位于cd线上，且在两隧道磁阻传感器两侧；矩形第五间距控制电极8、第六间距控制电极10位于ab线上，且在两隧道磁阻传感器两侧；第五、六间距控制电极与第一、二间距控制电极形成差动力矩器，实现中间层与底层之间的间距控制；第五、六敏感反馈电极与第一、二敏感反馈电极形成二组差分控制引脚，在局部磁场和隧道磁阻传感器检测信号之间形成闭合回路。

如图5所示，从底层结构电极引线图，第一隧道磁阻传感器11的第一端47、第二端48通过第一电极引线51、第二电极引线52引出；第二隧道磁阻传感器12的第三端49、第四端50通过第三电极引线53、第四电极引线54引出；第五敏感反馈电极7、第六敏感反馈电极9通过第五电极引线46、第六电极引线44引出，第五间距控制电极8、第六间距控制电极10通过第七电极引线43、第八电极引线45引出；四个锚点分别通过第九电极引线41、第十电极引线42、第十一电极引线39、第十二电极引线40引出。

如图6所示，顶层结构在第二衬底25背面布置第二绝缘层26和四个锚点的上端，且第一锚点3、第二锚点4、第三锚点5、第四锚点6的上端位于第二衬底25背面第二绝缘层26左上、左下、右上、右下四个顶点处。第二绝缘层26的背面布置有第七敏感反馈电极29、第八敏感反馈电极31、第七间距控制电极30、第八间距控制电极32、第三隧道磁阻传感器27、第四隧道磁阻传感器28。第三隧道磁阻传感器27、第四隧道磁阻传感器28位于第二绝缘层26中间位置并且位于隧道磁阻励磁结构23的正上方；第七敏感反馈电极29位于第三隧道磁阻传感器27和第一锚点3、第二锚点4之间、第八敏感反馈电极31位于第四隧道磁阻传感器28和第三锚点5、第四锚点6之间；第七间距控制电极30位于第三隧道磁阻传感器27、第四隧道磁阻传感器28和第二锚点4、第三锚点5之间、第八间距控制电极32位于第三隧道磁阻传感器27、第四隧道磁阻传感器28和第一锚点3、第四锚点6之间；且第七敏感反馈电极29、第八敏感反馈电极31位于第三敏感反馈电极34、第四敏感反馈电极36的正上方，第七间距控制电极30、第八间距控制电极32位于第三间距控制电极35、第四间距控制电极37的正上方。

基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置的测量方法如下：

在隧道磁阻励磁结构二端电极施加电压从而在隧道磁阻励磁结构23中形成电流产生局部磁场63，当加速度信号沿着方向38输入时，质量块17向下产生位移，导致隧道磁阻励磁结构23与第一隧道磁阻传感器11、第二隧道磁阻传感器12的间距变小并且与第三隧道磁阻传感器27、第四隧道磁阻传感器28的间距变大，从而引起第一、二、三、四隧道磁阻传感器周围磁场发生改变，通过对第一、二、三、四隧道磁阻传感器电阻的测量从而实现对外界输入加速度的测量。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。