本發(fā)明涉及加速度測(cè)量領(lǐng)域，特別是涉及一種基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)。

背景技術(shù)：

加速度計(jì)是測(cè)量運(yùn)載體線加速度的儀表，按照牛頓第二定律，加速度是物體位移隨時(shí)間的二次導(dǎo)數(shù)，等于物體受到的合外力除以其質(zhì)量。通過(guò)測(cè)量加速度可以知道物體偏離慣性運(yùn)動(dòng)的情況，一般的加速度計(jì)測(cè)量檢驗(yàn)質(zhì)量受到的非保守力，是慣性導(dǎo)航需要測(cè)量的主要物理量(另一物理量是陀螺儀測(cè)量的慣性指向)。在飛行控制系統(tǒng)中，加速度計(jì)是重要的動(dòng)態(tài)特性校正元件，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，高精度的加速度計(jì)是最基本的敏感元件之一。在各類飛行器的飛行實(shí)驗(yàn)中，加速度計(jì)是研究飛行器顫振和疲勞壽命的重要工具，因此加速度計(jì)測(cè)量的精度也就尤為重要。

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng))加速度計(jì)是指利用微電子加工手段加工制作并與微電子測(cè)量線路集成在一起的加速度計(jì)，這種加速度計(jì)常用硅材料制作，故又名硅微型加速度計(jì)。硅微型加速度計(jì)的檢驗(yàn)質(zhì)量可以做到幾個(gè)毫克，這也就提高了對(duì)MEMS加速度計(jì)測(cè)量精度及測(cè)量范圍的要求，而如何提高M(jìn)EMS加速度計(jì)的精度以及擴(kuò)大測(cè)量范圍成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)，可提高加速度的測(cè)量精度和測(cè)量范圍。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)，所述單軸MEMS加速度計(jì)包括：

晶圓框體，所述晶圓框體的內(nèi)部空間為封閉的框室；

支撐梁，所述支撐梁設(shè)置于所述框室內(nèi)，且所述支撐梁的一端連接在所述框室的橫框內(nèi)壁上；

檢驗(yàn)質(zhì)量塊，所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊設(shè)置在所述支撐梁的另一端；

磁源，所述磁源設(shè)置在所述框室的豎框內(nèi)壁上；

各向異性磁電阻傳感器芯片，所述各向異性磁電阻傳感器芯片安裝于所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊上，所述各向異性磁電阻傳感器芯片的中心與所述磁源的中心在同一水平線上，使得所述各向異性磁電阻傳感器芯片的磁敏感方向與所述磁源的磁矩方向相同，且所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊的位移方向與磁矩方向在同一條直線上，以保證各向異性磁電阻傳感器芯片只感受到單一方向的磁場(chǎng)。

可選的，所述支撐梁為微懸臂梁，所述微懸臂梁包括固定端和可移動(dòng)端，所述固定端固定連接在所述橫框內(nèi)壁上，所述可移動(dòng)端與所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊連接。

可選的，所述支撐梁為簡(jiǎn)支梁，所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊連接于簡(jiǎn)支梁的中部，所述簡(jiǎn)支梁的兩端分別連接在所述橫框內(nèi)壁上。

可選的，簡(jiǎn)支梁的豎直中心線重合。

可選的，所述支撐梁沿所述磁源的磁矩方向的厚度小于所述支撐梁垂直于所述磁矩方向的厚度，使得在加速度作用下，所述支撐梁所連接的所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊能夠沿所述磁矩方向所在的直線產(chǎn)生位移。

可選的，所述磁源為微型永磁體或微型通電線圈。

可選的，所述微型永磁體為通過(guò)鍍膜方法制備永磁體薄膜，再磁化所述永磁體薄膜制得。

可選的，所述晶圓外框、支撐梁的材料為非磁性的絕緣材料或高電阻率半導(dǎo)體材料，所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊的材料為非磁性材料。

可選的，所述晶圓框體、支撐梁和檢驗(yàn)質(zhì)量塊是在晶圓上通過(guò)光刻蝕、離子刻蝕或化學(xué)腐蝕而成。

根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

本發(fā)明基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)，通過(guò)將各向異性磁電阻傳感器芯片集成到支撐梁上的檢驗(yàn)質(zhì)量塊上，磁源設(shè)置在框室的豎框內(nèi)壁上，并保持各向異性磁電阻傳感器芯片的中心與磁源的中心在同一水平線上，從而使得磁源的磁矩方向與各向異性磁電阻傳感器芯片的磁敏感方向相同，且檢驗(yàn)質(zhì)量塊的位移方向與磁矩方向在同一條直線上，以保證各向異性磁電阻傳感器芯片只感受到單一方向的磁場(chǎng)，并在檢驗(yàn)質(zhì)量塊發(fā)生位移時(shí)，各向異性磁電阻傳感器芯片能感受到最大的磁場(chǎng)變化量以確定加速度，從而提高加速度的測(cè)量精度和測(cè)量范圍。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1所示的本發(fā)明基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)的局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為地面上檢驗(yàn)質(zhì)量塊的受力示意圖；

圖4為本發(fā)明基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

符號(hào)說(shuō)明：

微懸臂梁—1，簡(jiǎn)支梁—1＇，檢驗(yàn)質(zhì)量塊—2，各向異性磁電阻傳感器芯片—3，磁源—4，晶圓框體—5。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)，通過(guò)將各向異性磁電阻傳感器芯片集成到支撐梁上的檢驗(yàn)質(zhì)量塊上，磁源設(shè)置在框室的豎框內(nèi)壁上，并保持各向異性磁電阻傳感器芯片的中心與磁源的中心在同一水平線上，從而使得磁源的磁矩方向與各向異性磁電阻傳感器芯片的磁敏感方向相同，且檢驗(yàn)質(zhì)量塊的位移方向與磁矩方向在同一條直線上，以保證各向異性磁電阻傳感器芯片只感受到單一方向的磁場(chǎng)，并在檢驗(yàn)質(zhì)量塊發(fā)生位移時(shí)，各向異性磁電阻傳感器芯片能感受到最大的磁場(chǎng)變化量以確定加速度，從而提高加速度的測(cè)量精度和測(cè)量范圍。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1至圖4所示，本發(fā)明基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)包括檢驗(yàn)質(zhì)量塊2、支撐梁、各向異性磁電阻傳感器(anisotropic magnetoresistance，AMR)芯片3、磁源4及晶圓框體5。其中，所述晶圓框體5的內(nèi)部空間為封閉的框室；所述支撐梁設(shè)置于所述框室內(nèi)，且所述支撐梁的一端連接在所述框室的橫框內(nèi)壁上；所述磁源4設(shè)置在所述框室的豎框內(nèi)壁上；所述AMR芯片3安裝于所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊上，所述AMR芯片3的中心與所述磁源4的中心在同一水平線上，從而使得所述AMR芯片3的磁敏感方向與所述磁源4的磁矩方向相同，且所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊2的位移方向與磁矩方向在同一條直線上，以保證AMR芯片3只感受到單一方向的磁場(chǎng)。

其中，所述晶圓框體5、支撐梁為非磁性的絕緣材料或高電阻率半導(dǎo)體材料，檢驗(yàn)質(zhì)量塊2的材料為非磁性材料；進(jìn)一步地，所述晶圓框體5、支撐梁和檢驗(yàn)質(zhì)量塊2是在晶圓上通過(guò)光刻蝕、離子刻蝕或化學(xué)腐蝕而成。

所述磁源4在檢驗(yàn)質(zhì)量塊2所在區(qū)域產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)，當(dāng)加速度計(jì)載體產(chǎn)生線加速度時(shí)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊2將受到慣性力的作用而在梯度磁場(chǎng)中產(chǎn)生位移，所述AMR芯片3的電阻值發(fā)生變化。通過(guò)AMR芯片3電阻值的變化即可求出檢驗(yàn)質(zhì)量塊2產(chǎn)生的位移量，同時(shí)可求出檢驗(yàn)質(zhì)量塊在加速度作用下所獲得的慣性力的大小，而慣性力F與加速度a之間的關(guān)系為F＝ma(m為檢驗(yàn)質(zhì)量塊的質(zhì)量)。故通過(guò)AMR芯片3的電阻值變化即可對(duì)加速度計(jì)載體所獲得的線加速度進(jìn)行精確測(cè)量。

進(jìn)一步地，所述支撐梁沿磁源4的磁矩方向的厚度小于垂直于磁矩方向的厚度，以確保支撐梁只能在垂直于支撐梁軸向的方向獲得受力并發(fā)生形變(如圖2所示的x方向)；磁源4的中心與AMR芯片3的中心保持在同一水平線上(圖2中磁源4的中心與AMR芯片3的y坐標(biāo)相同)，且磁源4的磁矩方向與AMR芯片3的磁敏感方向相同，且檢驗(yàn)質(zhì)量塊2的位移方向與磁矩方向在同一條直線上，以保證AMR芯片3只感受到x方向的磁場(chǎng)，并在檢驗(yàn)質(zhì)量塊2發(fā)生位移時(shí)，能感受到最大的磁場(chǎng)變化量。

可選的，所述支撐梁為微懸臂梁1(如圖1所示)，所述微懸臂梁1包括固定端和可移動(dòng)端，所述微懸臂梁1的固定端固定連接在在所述橫框內(nèi)壁上，所述微懸臂梁1的可移動(dòng)端與所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊2連接。

此外，所述支撐梁還可為簡(jiǎn)支梁1＇(如圖4所示)，所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊2連接于簡(jiǎn)支梁1＇的中部，所述簡(jiǎn)支梁1＇的兩端分別連接在所述橫框內(nèi)壁上。進(jìn)一步地，所述簡(jiǎn)支梁1＇的豎直中心線重合。

在本實(shí)施例中，所述磁源4可為微型永磁體或微型通電線圈。進(jìn)一步地，所述微型永磁體可為通過(guò)鍍膜方法制備永磁體薄膜，再磁化所述永磁體薄膜制得；或者通過(guò)機(jī)械加工的手段，直接制作微型尺寸的永磁體，置于框室的豎框內(nèi)壁上。

本發(fā)明基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)可在太空及地面兩種環(huán)境中分別使用，應(yīng)用范圍比較廣。

下面以在太空環(huán)境中加速度的測(cè)量為例，具體說(shuō)明本發(fā)明基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)的測(cè)量精度和測(cè)量范圍(其中，以所述支撐梁為微懸臂梁，磁源為微型永磁體為例)：

在太空環(huán)境中，本發(fā)明基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)中的檢驗(yàn)質(zhì)量塊不會(huì)受到重力作用，當(dāng)本發(fā)明單軸MEMS加速度計(jì)的載體在如圖2所示的x方向產(chǎn)生的加速度a時(shí)，以載體為參照系，檢驗(yàn)質(zhì)量塊在x方向產(chǎn)生的慣性力大小為：

F＝ma (1)；

慣性力F的方向與載體加速度a的方向相反，在此慣性力的作用下，微懸臂梁將在x方向發(fā)生形變，即檢驗(yàn)質(zhì)量塊在x方向即微型永磁體的磁矩方向產(chǎn)生一個(gè)位移Δx₂。

根據(jù)微懸臂梁的受力公式有：

其中，Δx₁為微懸臂梁端頭的位移量，E為微懸臂梁的彈性模量，L₁、T分別為懸臂梁的長(zhǎng)度和厚度，W為懸臂梁的寬度，如圖2所示。Δx₁與檢驗(yàn)質(zhì)量塊的位移量Δx₂有如下關(guān)系式(在位移量小時(shí))：

代入公式(2)，有

將公式(3)代入公式(1)，則載體的加速度為：

在實(shí)際工藝中，微型永磁體的尺寸遠(yuǎn)小于AMR芯片與微型永磁體之間距離，故微型永磁體可等效為一磁偶極子。當(dāng)檢驗(yàn)質(zhì)量塊未產(chǎn)生位移時(shí)，微型永磁體在AMR芯片區(qū)域產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為：

其中，M為微型永磁體的磁矩大小，是一個(gè)可測(cè)值，x為未產(chǎn)生位移時(shí)AMR芯片中心到微型永磁體的距離，μ₀為真空介電常數(shù)。

當(dāng)檢驗(yàn)質(zhì)量塊在x方向產(chǎn)生位移Δx₂時(shí)，所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)變化量(即梯度磁場(chǎng)變化量)為：

梯度磁場(chǎng)變化量ΔB_x可通過(guò)AMR芯片的電阻變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量，即

其中，ΔR為AMR芯片的電阻變化量，dR/dB為AMR芯片的磁場(chǎng)靈敏度。將公式(7)代入公式(6)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊產(chǎn)生的位移為：

將公式(8)代入前面的公式(4)，可得到太空中載體的加速度大小公式為：

其中，W、T、E、L₁、L₂、x、m、dR/dB在加速度計(jì)封裝完成后均為已知值，B_x可通過(guò)公式(5)求取，ΔR通過(guò)AMR芯片實(shí)時(shí)讀取。故通過(guò)公式(9)即可實(shí)時(shí)測(cè)量出太空環(huán)境中加速度計(jì)載體的加速度。

進(jìn)一步地，確定太空中加速度計(jì)的測(cè)量精度和測(cè)量范圍，包括以下步驟：

(1)所能測(cè)量的檢驗(yàn)質(zhì)量塊的最小位移和最大位移：

設(shè)AMR芯片的分辨率即磁場(chǎng)測(cè)量精度為ΔB_T，根據(jù)公式(6)確定AMR芯片所能測(cè)量到的檢驗(yàn)質(zhì)量塊的最小位移為：

設(shè)AMR芯片磁場(chǎng)工作范圍的最大值為B_M，根據(jù)公式(5)確定AMR芯片所能測(cè)量到的檢驗(yàn)質(zhì)量塊與永磁體小磁體的最小距離為：

即AMR芯片所能測(cè)量到的檢驗(yàn)質(zhì)量塊最大位移為：

因?yàn)锽_x＜B_M，故Δx_max＜x，即檢驗(yàn)質(zhì)量塊能夠被測(cè)量的最大位移始終在MEMS器件尺寸范圍內(nèi)。

(2)確定太空中加速度計(jì)的測(cè)量精度

將公式(10)代入前面的公式(4)，在m一定時(shí)，可得太空中加速度計(jì)的測(cè)量精度為：

如果取m～10^－3kg,W～10^-4m,T～5×10^-6m，B_x～10^-5T，x～10^-3m,L₁～10^-3m，L₂～10^-3m，E＝1.6×10¹¹Pa,ΔB_T＝1nT。

則有

即在太空中加速度計(jì)可實(shí)現(xiàn)10^－7g量級(jí)或更高量級(jí)的測(cè)量精度。這是因?yàn)樵谔罩袡z驗(yàn)質(zhì)量塊不會(huì)受到重力的作用，可以增大檢驗(yàn)質(zhì)量塊的質(zhì)量m來(lái)提高測(cè)量精度。

(3)確定太空中加速度計(jì)的測(cè)量范圍

將公式(12)代入前面的公式(4)，在m一定時(shí)，可得太空中加速度計(jì)的最大測(cè)量范圍為：

而最大測(cè)量范圍與測(cè)量精度的比值為：

一般情況下，取B_x～10^-5T，B_M～10^-4T，ΔB_T＝1nT，則有

即本發(fā)明基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)的最大測(cè)量范圍與測(cè)量精度可相差4～5個(gè)數(shù)量級(jí)。

下面再以在地面環(huán)境中加速度的測(cè)量為例，具體說(shuō)明本發(fā)明基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)的測(cè)量精度和測(cè)量范圍(其中，以所述支撐梁為微懸臂梁，磁源為微型永磁體為例)：

當(dāng)本發(fā)明基于各向異性磁電阻效應(yīng)的單軸MEMS加速度計(jì)在地面使用時(shí)，此時(shí)在x方向，檢驗(yàn)質(zhì)量塊不僅受到慣性力F＝ma作用；還會(huì)受到檢驗(yàn)質(zhì)量塊的重力分力mg_x的作用，如圖3所示，g_x為重力加速度在x方向的分量，可通過(guò)高精度的姿態(tài)傳感器來(lái)測(cè)量。此時(shí)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊在x方向受到的合力為

F_合＝ma+mg_x (16)

同樣利用微懸臂梁的受力公式即公式(3)，可得

則可得地面上加速度計(jì)載體的加速度公式為

在g_x測(cè)量精確的前提條件下，地面上加速度計(jì)的測(cè)量精度取決于公式(17)中的第一項(xiàng)，即與太空中加速度計(jì)的測(cè)量精度公式(13)一致。但在地面上，由于重力的影響，檢驗(yàn)質(zhì)量塊的質(zhì)量需滿足一定的取值范圍，導(dǎo)致測(cè)量精度會(huì)降低，而最大測(cè)量范圍與測(cè)量精度的比值與太空中的計(jì)算即公式(15)相同。從理論上來(lái)估算，地面上加速度計(jì)的測(cè)量精度可達(dá)到10^－3g量級(jí)，測(cè)量范圍0～100g。

此外，由于地磁場(chǎng)和雜散場(chǎng)將對(duì)加速度計(jì)造成影響，可在封裝好的MEMS加速度計(jì)外，再用高磁導(dǎo)率材料，如坡莫合金，包覆一層，可有效屏蔽地磁場(chǎng)和雜散磁場(chǎng)的干擾信號(hào)，進(jìn)一步提高測(cè)量的精度。

本說(shuō)明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見(jiàn)即可。

本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處。綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。