一种基于静电反馈结构的隧道磁阻加速度计装置
阅读说明：本技术 一种基于静电反馈结构的隧道磁阻加速度计装置 (Tunnel magnetic resistance accelerometer device based on electrostatic feedback structure ) 是由 杨波 陈新茹 李成 黄鑫 孙震宇 曾俊杰 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于静电反馈结构的隧道磁阻加速度计装置,该装置由位于顶层的隧道磁阻传感器检测结构,位于中间层的永磁体结构和底层机构形成一个统一整体。其中永磁体结构通过微组装固定在底层机构上表面,底层机构包括敏感外部加速度的敏感结构和静电反馈结构。敏感结构使得输入加速度转化为位移变化,进而转化为永磁体的位移变化,同时通过静电反馈结构实现对永磁体的控制,使得永磁体总是处于平衡位置,最后通过隧道磁阻传感器检测结构输出不同电压信号,实现对外界加速度的测量。本发明提出的基于静电反馈结构的隧道磁阻加速度计装置具有精度高、灵敏度高、动态范围大等优点。(The invention discloses a tunnel magnetoresistive accelerometer device based on an electrostatic feedback structure. The permanent magnet structure is fixed on the upper surface of the bottom layer mechanism through micro assembly, and the bottom layer mechanism comprises a sensitive structure for sensing external acceleration and an electrostatic feedback structure. The sensitive structure enables input acceleration to be converted into displacement change, and then the displacement change of the permanent magnet is converted into, meanwhile, the permanent magnet is controlled through the electrostatic feedback structure, the permanent magnet is always in a balance position, and finally different voltage signals are output through the tunnel magnetic resistance sensor detection structure, so that measurement of external acceleration is achieved. The tunnel magnetic resistance accelerometer device based on the electrostatic feedback structure has the advantages of high precision, high sensitivity, large dynamic range and the like.)
技术领域
本发明涉及隧道磁阻传感技术和梳齿静电反馈技术领域，具体涉及到一种基于静电反馈结构的隧道磁阻加速度计装置。
背景技术
利用质量块-弹簧-阻尼器系统通过将外界加速度转化为敏感结构在水平方向的位移，使得永磁体位移的变化改变隧道磁阻传感器检测得磁场的大小，同时通过梳齿静电反馈技术产生的静电力使得敏感结构始终保持在平衡位置，实现了加速度-位移-磁场-电信号的转化，组成了灵敏度高、稳定性好的加速度计结构。
关于利用隧道磁阻效应来设计加速度计的工作已开展了很多研究。基于隧道磁阻效应设计的隧道磁阻传感器灵敏度很高，同时梳齿静电反馈结构以对敏感结构产生反馈静电力，可以在不影响磁场检测的条件下使永磁体始终处于平衡位置，提高系统稳定性和动态范围。
将隧道磁阻传感技术与梳齿静电反馈技术结合，从而形成用于检测外界输入加速度的完全集成的隧道磁阻加速度计结构。这种结构的加速度计灵敏度高、线性度好，检测范围大、稳定性强，为加速度计的发展提供了新的思路。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开一种基于静电反馈结构的隧道磁阻加速度计装置，具有稳定性好，精度高，灵敏度高、动态范围大等诸多优点。
一种基于静电反馈结构的隧道磁阻加速度计装置，包括位于顶层的基板结构、左侧隧道磁阻传感器、右侧隧道磁阻传感器、位于中间的永磁体结构和底层机构构成；
其中所述永磁体结构的下表面位于底层机构的上表面中心位置，左侧隧道磁阻传感器和右侧隧道磁阻传感器对称分布在所述永磁体结构的正上方，左侧隧道磁阻传感器和右侧隧道磁阻传感器的上表面位于基板结构的下表面，同时关于基板结构下表面中心左右对称分布，用来检测两个相反的水平方向的磁场；
底层机构由玻璃基底、金属层结构、锚点层结构、主体结构及主体结构的反馈部分构成，玻璃基底上表面为带有凹槽的结构，金属层结构下表面与玻璃基底上表面重合，而金属层结构上表面整体高于玻璃基底上表面，锚点层结构下表面与金属层结构上表面重合并位于金属层结构上表面的中心位置，主体结构的下表面与锚点层结构上表面重合，反馈部分位于主体结构左右两侧对称放置，当外界加速度输入时，主体结构产生水平运动方向的位移，反馈部分产生水平方向的反馈力，使得主体结构总是处于平衡位置，从而构成统一整体。
由于主体结构中质量块-弹性梁结构的作用，使得外界输入加速度转化为水平轴位移变化量，由于永磁体被固定在质量块上，进而引起永磁体的位移变化，由此转化为不同的磁场强度大小，同时通过梳齿静电反馈结构实现对永磁体的控制，形成一个水平方向的静电反馈力，使得永磁体始终处于平衡位置，最后通过位于顶层的隧道磁阻传感器检测并输出不同电信号从而实现对外界加速度的测量。
本发明进一步改进在于：所述主体结构为复合结构，既包括由质量块、第一、二、三、四折叠弹性梁、第一、二弹性连接梁、第一、二外框结构组成的敏感结构，永磁体结构位于质量块的中心位置，同时也包括由质量块上方第一、二、三、四、五可动梳齿结构、质量块下方的第六、七、八、九、十动梳齿结构、质量块左方的第十一、十二、十三、十四可动梳齿结构、质量块右方的第十五、十六、十七、十八可动梳齿结构、质量块上方的第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十固定梳齿结构、质量块下方的第十一、十二、十三、十四、十五、十六、十七、十八、十九、二十固定梳齿结构、质量块左方的第二十一、二十二、二十三、二十四、二十五、二十六、二十七、二十八固定梳齿结构、质量块右方的第二十九、三十、三十一、三十二、三十三、三十四、三十五、三十六固定梳齿结构组成的静电反馈结构；
第一、二固定梳齿结构分别对称分布于第一可动梳齿结构的左右两侧，并在梳齿间形成一定的重叠长度，且相邻梳齿的间距相等，质量块上方的第三、四固定梳齿结构分别对称分布在第二可动梳齿结构的左右两侧；第五、六固定梳齿结构分别对称分布在第三可动梳齿结构的左右两侧；第七、八固定梳齿结构分别对称分布在第四可动梳齿结构的左右两侧；第九、十分别对称分布于第五可动梳齿结构的左右两侧；
质量块下方的十一、十二固定梳齿结构分别对称分布于第六可动梳齿结构左右两侧；第十三、十四固定梳齿结构分别对称分布于第七可动梳齿结构左右两侧、第十五、十六固定梳齿结构分别对称分布于第八可动梳齿结构左右两侧；第十七、十八固定梳齿结构分别对称分布于第九可动梳齿结构；第十九、二十固定梳齿结构分别对称分布于第十可动梳齿结构的左右两侧；质量块左方的第二十一、二十二固定梳齿结构分别对称分布在所述第十一可动梳齿结构的左右两侧；第二十三、二十四固定梳齿结构分别对称分布在所述十二可动梳齿结构的左右两侧；第二十五、二十六固定梳齿结构分别对称分布在所述十三可动梳齿结构的左右两侧；第二十七、二十八固定梳齿结构分别对称分布在所述十四可动梳齿结构的左右两侧；质量块右方固定的第二十九、三十固定梳齿结构分别对称分布在所述第十五可动梳齿结构的左右两侧；第三十一、三十二固定梳齿结构分别对称分布在所述第十六可动梳齿结构的左右两侧；第三十三、三十四固定梳齿结构分别对称分布在所述第十七可动梳齿结构的左右两侧；第三十五、三十六固定梳齿结构分别对称分布在所述第十八可动梳齿结构的左右两侧；第二十一、二十二梳齿结构分别对称分布于第十五可动梳齿结构；形成一个完整的主体结构。
本发明进一步改进在于：永磁体结构位于质量块的中心位置，锚点结构由位于质量块上方的第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十固定长梁、位于质量块下方的第十一、十二、十三、十四、十五、十六、十七、十八、十九、二十固定长梁、位于质量块左方的第二十一、二十二、二十三、二十四、二十五、二十六、二十七、二十八固定长梁、位于质量块右方的第二十九、三十、三十一、三十二、三十三、三十四、三十五、三十六固定长梁、上方U型梁和下方U型梁构成一个统一整体。
本发明进一步改进在于：金属层结构位于玻璃基底中心位置，且金属层结构由质量块金属结构、第一、二、三、四连接金属结构、第一、二、三、四弹性梁金属结构、质量块上方的第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十梳齿金属结构、质量块下方的第十一、十二、十三、十四、十五、十六、十七、十八、十九、二十梳齿金属结构、质量块左方的第二十一、二十二、二十三、二十四、二十五、二十六、二十七、二十八梳齿金属结构、质量块右方的第二十九、三十、三十一、三十二、三十三、三十四、三十五、三十六梳齿金属结构；第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十电极构成；
其中，质量块金属结构、第一、二、三、四连接金属结构、第一、二、三、四弹性梁金属结构通过导线连接至第五、十电极，质量块上方的梳齿金属结构通过导线连接至第一电极，质量块上方的第二、四、六、八、十梳齿金属结构通过导线连接至第二电极，质量块下方的梳齿金属结构十一、十三、十五、十七、十九通过导线连接至第三电极，质量块下方的第十二、十四、十六、十八、二十梳齿金属结构通过导线连接至第四电极，质量块左方的第二十一、二十三、二十五、二十七梳齿金属结构通过导线连接至第六电极，质量块左方的第二十二、二十四、二十六、二十八梳齿金属结构通过导线连接至第七电极，质量块右方的第二十九、三十一、三十三、三十五梳齿金属结构通过导线连接至第八电极，质量块右方的第三十、三十二、三十四、三十六梳齿金属结构通过导线连接至第九电极，从而构成一个统一整体。
本发明进一步改进在于：基板结构为长方形结构，左侧隧道磁阻传感器和右侧隧道磁阻传感器也为长方形结构，且关于基板结构中心左右对称分布，用以检测相反水平方向的磁场强度，从而构成一个统一整体。
本发明有益效果：
（1）本发明采用质量块-弹性梁作为敏感结构，并将永磁体固定于质量块上，通过输入外部加速度使得质量块和永磁体在水平方向产生位移，从而使得磁场强度发生变化，将加速度信号转化为位移信号进而转化为磁场信号。
（2）本发明采用隧道磁阻传感器检测的方法，将检测到的磁场强度信号转化为电压信号输出，提高加速度计灵敏度。
（3）本发明采用梳齿静电反馈结构，实现对敏感质量块和永磁体的反馈作用力，使得敏感质量块和永磁体在外界输入加速度作用下产生水平方向位移后，能够通过静电力将永磁体快速恢复到平衡位置，提高了隧道磁阻加速度计的检测范围，同时也提高了检测的稳定性。
附图说明
图1为本发明的总体结构正视图；
图2为本发明主体结构的俯视图；
图3为本发明锚点结构和主体结构的仰视图；
图4为本发明金属结构的俯视图；
图5为本发明顶层结构的仰视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，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。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1所示，本实施例的一种基于静电反馈结构的隧道磁阻加速度计装置，包括位于顶层的基板结构6、左侧隧道磁阻传感器7、右侧隧道磁阻传感器8、位于中间的永磁体结构1和底层机构69构成；其中所述永磁体结构1的下表面位于底层机构69的上表面中心位置，左侧隧道磁阻传感器7和右侧隧道磁阻传感器8对称分布在所述永磁体结构1的正上方，左侧隧道磁阻传感器7和右侧隧道磁阻传感器8的上表面位于基板结构6的下表面，同时关于基板结构6下表面中心左右对称分布，用来检测两个相反的水平方向的磁场；
底层机构69由玻璃基底5、金属层结构4、锚点层结构3、主体结构2及主体结构的反馈部分70构成，玻璃基底5上表面为带有凹槽的结构，金属层结构4下表面与玻璃基底5上表面重合，而金属层结构4上表面整体高于玻璃基底5上表面，锚点层结构3下表面与金属层结构4上表面重合并位于金属层结构4上表面的中心位置，主体结构2的下表面与锚点层结构3上表面重合，反馈部分70位于主体结构2左右两侧对称放置，当外界加速度输入时，主体结构2产生水平运动方向的位移，反馈部分70产生水平方向的反馈力，使得主体结构2总是处于平衡位置，从而构成统一整体。
如图2所示：所述主体结构为复合结构，既包括由质量块9、第一、二、三、四折叠弹性梁14-1、14-3、15-1、15-3、第一、二弹性连接梁14-2、15-2、第一、二外框结构16、17组成的敏感结构，永磁体结构1位于质量块9的中心位置，同时也包括由质量块9上方第一、二、三、四、五可动梳齿结构10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、质量块9下方的第六、七、八、九、十动梳齿结构11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、质量块9左方的第十一、十二、十三、十四可动梳齿结构12-1、12-2、12-3、12-4、质量块9右方的第十五、十六、十七、十八可动梳齿结构13-1、13-2、13-3、13-4、质量块9上方的第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十固定梳齿结构18-1、18-2、19-1、19-2、20-1、20-2、21-1、21-2、22-1、22-2；质量块9下方的第十一、十二、十三、十四、十五、十六、十七、十八、十九、二十固定梳齿结构23-1、23-2、24-1、24-2、25-1、25-2、26-1、26-2、27-1、27-2、质量块9左方的第二十一、二十二、二十三、二十四、二十五、二十六、二十七、二十八固定梳齿结构28-1、28-2、29-1、29-2、30-1、30-2、31-1、31-2；质量块9右方的第二十九、三十、三十一、三十二、三十三、三十四、三十五、三十六固定梳齿结构32-1、32-2、33-1、33-2、34-1、34-2、35-1、35-2组成的静电反馈结构；
第一、二固定梳齿结构18-1、18-2分别对称分布于第一可动梳齿结构10-1的左右两侧，并在梳齿间形成一定的重叠长度，且相邻梳齿的间距相等，质量块9上方的第三、四固定梳齿结构19-1、19-2分别对称分布在第二可动梳齿结构10-2的左右两侧；第五、六固定梳齿结构20-1、20-2分别对称分布在第三可动梳齿结构10-3的左右两侧；第七、八固定梳齿结构21-1、21-2分别对称分布在第四可动梳齿结构10-4的左右两侧；第九、十22-1、22-2分别对称分布于第五可动梳齿结构10-5的左右两侧，
质量块9下方的十一、十二固定梳齿结构23-1、23-2分别对称分布于第六可动梳齿结构11-1左右两侧；第十三、十四24-1、24-2固定梳齿结构分别对称分布于第七可动梳齿结构11-2左右两侧、第十五、十六25-1、25-2固定梳齿结构分别对称分布于第八可动梳齿结构11-3左右两侧；第十七、十八26-1、26-2固定梳齿结构分别对称分布于第九可动梳齿结构11-4；第十九、二十27-1、27-2固定梳齿结构分别对称分布于第十可动梳齿结构11-5的左右两侧；
质量块9左方的第二十一、二十二固定梳齿结构28-1、28-2分别对称分布在所述第十一可动梳齿结构12-1的左右两侧；第二十三、二十四固定梳齿结构29-1、29-2分别对称分布在所述十二可动梳齿结构12-2的左右两侧；第二十五、二十六固定梳齿结构30-1、30-2分别对称分布在所述十三可动梳齿结构12-3的左右两侧；第二十七、二十八固定梳齿结构31-1、31-2分别对称分布在所述十四可动梳齿结构12-4的左右两侧；质量块9右方固定的第二十九、三十固定梳齿结构32-1、32-2分别对称分布在所述第十五可动梳齿结构13-1的左右两侧；第三十一、三十二固定梳齿结构33-1、33-2分别对称分布在所述第十六可动梳齿结构13-2的左右两侧；第三十三、三十四固定梳齿结构34-1、34-2分别对称分布在所述第十七可动梳齿结构13-3的左右两侧；第三十五、三十六固定梳齿结构35-1、35-2分别对称分布在所述第十八可动梳齿结构13-4的左右两侧；
第二十一、二十二梳齿结构28-1、28-2分别对称分布于第十五可动梳齿结构13-1；形成一个完整的主体结构。
如图3所示：所述永磁体结构1位于质量块9的中心位置，锚点结构3由位于质量块9上方的第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十固定长梁38-1、38-2、39-1、39-2、40-1、40-2、41-1、41-2、42-1、42-2；位于质量块9下方的第十一、十二、十三、十四、十五、十六、十七、十八、十九、二十固定长梁43-1、43-2、44-1、44-2、45-1、45-2、46-1、46-2、47-1、47-2；位于质量块9左方的第二十一、二十二、二十三、二十四、二十五、二十六、二十七、二十八固定长梁48-1、48-2、49-1、49-2、50-1、50-2、51-1、51-2；位于质量块9右方的第二十九、三十、三十一、三十二、三十三、三十四、三十五、三十六固定长梁52-1、52-2、53-1、53-2、54-1、54-2、55-1、55-2；上方U型梁36和下方U型梁37构成一个统一整体。
如图4所示，金属层结构4位于玻璃基底5中心位置，且金属层结构4由质量块金属结构56-1、第一、二、三、四连接金属结构56-2、56-4、56-6、56-8、第一、二、三、四弹性梁金属结构56-3、56-5、56-7、56-9；质量块9上方的第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十梳齿金属结构57-1、58-1、57-2、58-2、57-3、58-3、57-4、58-4、57-5、58-5；质量块9下方第十一、十二、十三、十四、十五、十六、十七、十八、十九、二十梳齿金属结构59-1、60-1、59-2、60-2、59-3、60-3、59-4、60-4、59-5、60-5；质量块9左方的第二十一、二十二、二十三、二十四、二十五、二十六、二十七、二十八梳齿金属结构61-1、62-1、61-2、62-2、61-3、62-3、61-4、62-4；质量块9右方的第二十九、三十、三十一、三十二、三十三、三十四、三十五、三十六梳齿金属结构63-1、64-1、63-2、64-2、63-3、64-3、63-4、64-4；第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十电极65、66、67、68、69、70、71、72、73、74构成；
其中，质量块金属结构56-1、第一、二、三、四连接金属结构56-2、56-4、56-6、56-8；第一、二、三、四弹性梁金属结构56-3、56-5、56-7、56-9通过导线连接至第五、十电极69、74，质量块9上方的梳齿金属结构57-1、57-2、57-3、57-4、57-5通过导线连接至第一电极65，质量块9上方的第二、四、六、八、十梳齿金属结构58-1、58-2、58-3、58-4、58-5通过导线连接至第二电极66，质量块9下方的梳齿金属结构十一、十三、十五、十七、十九59-1、59-2、59-3、59-4、59-5通过导线连接至第三电极67，质量块9下方的第十二、十四、十六、十八、二十梳齿金属结构60-1、60-2、60-3、60-4、60-5通过导线连接至第四电极68，质量块9左方的第二十一、二十三、二十五、二十七梳齿金属结构61-1、61-2、61-3、61-4通过导线连接至第六电极70，质量块9左方的第二十二、二十四、二十六、二十八梳齿金属结构62-1、62-2、62-3、62-4通过导线连接至第七电极71，质量块9右方的第二十九、三十一、三十三、三十五梳齿金属结构63-1、63-2、63-3、63-4通过导线连接至第八电极72，质量块9右方的第三十、三十二、三十四、三十六梳齿金属结构64-1、64-2、64-3、64-4通过导线连接至第九电极73，从而构成一个统一整体。
如图5所示，所述基板结构6为长方形结构，左侧隧道磁阻传感器7和右侧隧道磁阻传感器8也为长方形结构，且关于基板结构6心左右对称分布，用以检测相反水平方向的磁场强度，从而构成一个统一整体。
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。