【摘 要】
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加速度计是与MEMS技术结合最为成熟、分类最广泛的传感器之一,MEMS加速度计主要有电容式、压阻式、压电式、隧道电流式、谐振式、热对流式等等。而最近几年随着TMR应用的研究兴起,新型TMR式加速度计开始进入MEMS加速度计的研究领域。这种新型的加速度计以TMR为信号转换结构,通过不同的方式产生磁场,并通过质量块调制磁场,从而将加速度信号转化为磁场信号,再转化为电信号,能够将TMR器件的高阻值变化率
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加速度计是与MEMS技术结合最为成熟、分类最广泛的传感器之一,MEMS加速度计主要有电容式、压阻式、压电式、隧道电流式、谐振式、热对流式等等。而最近几年随着TMR应用的研究兴起,新型TMR式加速度计开始进入MEMS加速度计的研究领域。这种新型的加速度计以TMR为信号转换结构,通过不同的方式产生磁场,并通过质量块调制磁场,从而将加速度信号转化为磁场信号,再转化为电信号,能够将TMR器件的高阻值变化率应用在加速度计上,提高传统加速度计的信号转换效率,从而提升精度,在高精度加速度计领域里有广阔研究前景。国内外一些机构研制了基于GMR/TMR信号转换结构的位移/加速度计,而励磁结构多采用永磁体,然而现有研究的共同弊端在于永磁体的励磁效果会随时间衰减,且设计灵活度小。为利用TMR作为转换结构的优势,又避免采用永磁体作为励磁结构所产生的弊端,本文研究并设计了一种利用励磁线圈产生磁场,并在质量块上固定软磁薄膜用以调制磁场的新式TMR式加速度计。这种新式TMR加速度计可以通过调整励磁线圈通入的电流轻松改变TMR所在的磁场环境,且能够通过线圈的形状合理设置磁场分布,同时还能通过励磁频率的变化减小TMR的噪声,优化加速度计稳定性。本文首先介绍了加速度计及磁传感器的发展历史,阐释了TMR作为加速度计的信号转换结构的优势。然后对整个TMR磁加速度计相关理论基础进行研究,包括线圈的励磁特性分析、质量块-挠性结构的力学分析、软磁薄膜调制磁场的可行性分析等。接着使用Maxwell作为有限元仿真工具对励磁结构和调制结构进行了设计,以求结构在工艺允许的情况下调制效率尽可能高。再使用ANSYS Workbench作为有限元仿真工具进行辅助设计机械层的挠性结构,以实现磁调制结构的空间位移。最后对整个制作出的TMR磁加速度计样机进行各项测试,包括励磁电流试验、标度因数与量程试验和稳定性试验等。样机灵敏度能够达到24.5m V/g,量程为±2.5g,零偏稳定性(1σ)为8.324×10-5g,实验证明这种结构设计具有优越性,且有广阔研究前途。
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