基于隧道磁阻效应的加速度测量系统研究
发布时间：2021-03-11 19:38
加速度测量系统是用于敏感和测量运动载体在惯性空间中加速度大小的装置,广泛应用于惯性导航、汽车电子、智能控制、重力场和地震检测等领域。因此,对加速度测量系统的研究具有非常重要的现实意义和应用前景,也是目前研究的热点之一。随着微纳加工技术和新材料研究的不断发展,一种高灵敏隧道磁敏传感应运而生。如何利用高灵敏隧道磁敏传感实现高精度加速度测量是值得研究的内容。本文在充分研究隧道磁阻效应的基础上,依据加速度测量的原理,提出了基于隧道磁阻效应的加速度测量系统。本文在基于隧道磁阻效应的基础上,采用“力-磁-电”多物理场耦合结构实现加速度信号测量。在力场耦合方面,采用微悬臂梁结构实现加速度向机械位移的转换;在磁场耦合方面,磁场源置于微悬臂梁自由端,随微悬臂梁产生空间位置变化,实现位移到空间磁场的线性转换:在电场耦合方面,变化磁场经隧道磁阻敏感转换为阻值变化,通过磁阻构成的惠斯通全桥结构差分输出,再经低噪声信号处理电路实现信号读取。为了实现该系统的高精度测量,本文对力场耦合结构进行了力学参数数值解析计算和仿真验证,对磁场源进行了空间磁场分布建模与理论解析,对信号处理电路进行了功能设计、噪声模型建立与噪声...
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－４加州大学谐振式加速度计?
第一章绪论?基于隧道磁阻效应的加速度测量系统研究??在获得高灵敏度的同时可减少非敏感方向的干扰，可实现１１６２．４５?Ｖ／ｇ的灵敏度和??１．３２５卜ｉｇ的分辨率。??．ＳＣＳ?Ｐｒｏｏｆ?ｍａｓｓ?．?Ｔｉｐ??一一?＼?卜一?Ｉ??２ａＸｌＳ?今?＇?＇?Ｐｙｒｅｘ?７７４０?Ｇｌａｓｓ??－?Ｓｖｎｉｗｊｉ?ｉｈｔ／＞?■??ＰｉｒｔＨｉｆ?ｍａｎ?－￣－?＇??图１－１３浙江大学光电式加速度计?图１－１４北京大学隧道电流式加速度计??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１３?Ｏｐｔｉｃａｌ?ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ?ｐｒｏｐｏｓｅｄ?ｂｙ?Ｆｉｇｕｒｅ?１－１４?Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ?ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ?ｐｒｏｐｏｓｅｄ?ｂｙ??ｔｈｅ?Ｚｈｅｊｉａｎｇ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ?ｔｈｅ?Ｐｅｋｉｎｇ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ??隧道电流式加速度计具有高精度和低噪声的优势。北京大学２００７年提出的微机??械隧道式加速度计［２２］，其结构如图］－１４所示，采用玻璃基板结构，其中质量块悬挂??结构的低应力、结构层与基板之间较低的热不相容性，使得低频噪声显著降低，同时??采用三阶闭环系统以接近最佳的线性度和运行状态，可实现１００?Ｈｚ带宽下±１０?ｇ的量??程和０．０１５?ｍｇ／Ｈｚａ５的分辨率。??磁阻式加速度计近２年在国内开始得到重视［２３，２４］。东南大学２０１９年提出的隧道??磁阻式加速度计，其结构如图１－１５所示，基于三层堆栈式结构，顶层集成了隧道磁??阻传感器，中间层由质量块、永磁体和梁构成，当外界输入加速度，安装于质量块上??的永磁体产生位移进而导致空间磁场变化，底层集成了反馈电极实现静电力平衡，可??
其中，ｆ为阻尼比，为固有频率，可得到式（２－６）??义⑴?Ｉ?…、???＝—?７?（２－６）??ｄ?⑴?＋２ｗｎｇｓ＋?Ｈ＇／??根据式（２－６）可以看出，质暈块质量的提升会使力学结构谐振频率降低，较低??的谐振频率会限制幵环结构的系统带宽，怛“加速度一位移”响应灵敏度增人。??２．２基于隧道磁阻效应的磁敏感技术??。由顶以电极Ｗ??磁矩方向?Ｉ?．丨由以??＾?ｔ随道势垒尼??幻狀、此？?－?■?：＾肺扎反??钉扎Ｕ反铁磁层??磁挪，］底层电极层??图２－２磁隧道结结构示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?２－２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｔｕｎｎｅｌ?ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ??隧道磁阻传感器的基本组成单元是基于隧道磁阻效应的磁性材料隧道结（ＭＴＪ?）。??磁性材料隧道结的详细结构原理图如图２－２所示，包含：顶层电极层、ｄ由层、隧道??势垒层、钉扎层（被钉扎层、反铁磁层）、底层电极层，由ｒ？结构的各层厚度小ｒｉ〇〇??ｎｍ，因此磁性材料隧道结被称为薄膜结构。顶层电极戻与Ｕ由层岜接接触，底层电??极层与反铁磁层直接接触，顶层电极层和底层电极戻采用的是丨丨：．磁件．材料，具有良好??的导电性以实现电磁信号的交互。??１１??
【参考文献】：
期刊论文
[1]石英挠性加速度计表头力矩器噪声模型研究[J]. 刚煜,王永建,赵鹏,贺慧勇,唐立军. 传感器与微系统. 2018(03)
[2]基于隧道磁电阻（TMR）效应的齿轮传感器设计与性能[J]. 黎琦,刘明峰,白建民,王颖,曹江伟,魏福林,杨正. 磁性材料及器件. 2014(05)
[3]瑞利法在耦合系统振动固有频率计算中的应用[J]. 廖剑晖,贺寅彪. 机械工程师. 2014(07)
[4]磁介质饱和磁化强度对高梯度磁选机磁场性能的影响[J]. 郑霞裕,李茂林,崔瑞,郭娜娜,颜亚梅,张仁丙. 金属矿山. 2013(08)
[5]基于Euler-Bernoulli方程微悬臂梁弛豫分析[J]. 彭首军,王文芳,龚胜平. 西安工业大学学报. 2012(07)
[6]加深对麦克斯韦方程组的理解[J]. 赵凤娇. 科技与企业. 2011(10)
[7]为什么用磁偶极子模型而非磁畴模型研究磁性检测原理[J]. 仲维畅. 无损检测. 2006(02)
[8]力边界条件对瑞利-李兹法求梁固有频率的影响[J]. 范志毅,任勇生,刘立厚,石嵘. 上海工程技术大学学报. 2005(01)
[9]永磁体空间磁场的分析计算及其在永磁磁力轴承中的应用[J]. 汤双清,陈习坤,唐波. 大学物理. 2005(03)
[10]变截面悬臂梁大挠度分析与计算[J]. 江五贵,李禾,谢亚清,扶名福. 南昌大学学报(工科版). 1998(03)
博士论文
[1]磁道钉磁场特性试验研究[D]. 曹辉.武汉理工大学 2007
[2]飞轮电池磁悬浮支承系统理论及应用研究[D]. 汤双清.华中科技大学 2004
硕士论文
[1]永磁体空间磁场分布规律及其在传感器中的应用[D]. 李鑫.南京师范大学 2015
[2]基于磁性隧道结的齿轮传感器研究[D]. 黎琦.兰州大学 2014
[3]微机械电容式加速度计自动标定及性能参数测试系统的研究[D]. 耿赛柳.苏州大学 2013
[4]微悬臂梁机电系统的动力学特性研究[D]. 武洁.上海交通大学 2012
[5]高精度电容式微机械加速度计系统的研究与设计[D]. 许乐.浙江大学 2010
本文编号：3076978
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－４加州大学谐振式加速度计?
第一章绪论?基于隧道磁阻效应的加速度测量系统研究??在获得高灵敏度的同时可减少非敏感方向的干扰，可实现１１６２．４５?Ｖ／ｇ的灵敏度和??１．３２５卜ｉｇ的分辨率。??．ＳＣＳ?Ｐｒｏｏｆ?ｍａｓｓ?．?Ｔｉｐ??一一?＼?卜一?Ｉ??２ａＸｌＳ?今?＇?＇?Ｐｙｒｅｘ?７７４０?Ｇｌａｓｓ??－?Ｓｖｎｉｗｊｉ?ｉｈｔ／＞?■??ＰｉｒｔＨｉｆ?ｍａｎ?－￣－?＇??图１－１３浙江大学光电式加速度计?图１－１４北京大学隧道电流式加速度计??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１３?Ｏｐｔｉｃａｌ?ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ?ｐｒｏｐｏｓｅｄ?ｂｙ?Ｆｉｇｕｒｅ?１－１４?Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ?ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ?ｐｒｏｐｏｓｅｄ?ｂｙ??ｔｈｅ?Ｚｈｅｊｉａｎｇ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ?ｔｈｅ?Ｐｅｋｉｎｇ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ??隧道电流式加速度计具有高精度和低噪声的优势。北京大学２００７年提出的微机??械隧道式加速度计［２２］，其结构如图］－１４所示，采用玻璃基板结构，其中质量块悬挂??结构的低应力、结构层与基板之间较低的热不相容性，使得低频噪声显著降低，同时??采用三阶闭环系统以接近最佳的线性度和运行状态，可实现１００?Ｈｚ带宽下±１０?ｇ的量??程和０．０１５?ｍｇ／Ｈｚａ５的分辨率。??磁阻式加速度计近２年在国内开始得到重视［２３，２４］。东南大学２０１９年提出的隧道??磁阻式加速度计，其结构如图１－１５所示，基于三层堆栈式结构，顶层集成了隧道磁??阻传感器，中间层由质量块、永磁体和梁构成，当外界输入加速度，安装于质量块上??的永磁体产生位移进而导致空间磁场变化，底层集成了反馈电极实现静电力平衡，可??
其中，ｆ为阻尼比，为固有频率，可得到式（２－６）??义⑴?Ｉ?…、???＝—?７?（２－６）??ｄ?⑴?＋２ｗｎｇｓ＋?Ｈ＇／??根据式（２－６）可以看出，质暈块质量的提升会使力学结构谐振频率降低，较低??的谐振频率会限制幵环结构的系统带宽，怛“加速度一位移”响应灵敏度增人。??２．２基于隧道磁阻效应的磁敏感技术??。由顶以电极Ｗ??磁矩方向?Ｉ?．丨由以??＾?ｔ随道势垒尼??幻狀、此？?－?■?：＾肺扎反??钉扎Ｕ反铁磁层??磁挪，］底层电极层??图２－２磁隧道结结构示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?２－２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｔｕｎｎｅｌ?ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ??隧道磁阻传感器的基本组成单元是基于隧道磁阻效应的磁性材料隧道结（ＭＴＪ?）。??磁性材料隧道结的详细结构原理图如图２－２所示，包含：顶层电极层、ｄ由层、隧道??势垒层、钉扎层（被钉扎层、反铁磁层）、底层电极层，由ｒ？结构的各层厚度小ｒｉ〇〇??ｎｍ，因此磁性材料隧道结被称为薄膜结构。顶层电极戻与Ｕ由层岜接接触，底层电??极层与反铁磁层直接接触，顶层电极层和底层电极戻采用的是丨丨：．磁件．材料，具有良好??的导电性以实现电磁信号的交互。??１１??
【参考文献】：
期刊论文
[1]石英挠性加速度计表头力矩器噪声模型研究[J]. 刚煜,王永建,赵鹏,贺慧勇,唐立军. 传感器与微系统. 2018(03)
[2]基于隧道磁电阻（TMR）效应的齿轮传感器设计与性能[J]. 黎琦,刘明峰,白建民,王颖,曹江伟,魏福林,杨正. 磁性材料及器件. 2014(05)
[3]瑞利法在耦合系统振动固有频率计算中的应用[J]. 廖剑晖,贺寅彪. 机械工程师. 2014(07)
[4]磁介质饱和磁化强度对高梯度磁选机磁场性能的影响[J]. 郑霞裕,李茂林,崔瑞,郭娜娜,颜亚梅,张仁丙. 金属矿山. 2013(08)
[5]基于Euler-Bernoulli方程微悬臂梁弛豫分析[J]. 彭首军,王文芳,龚胜平. 西安工业大学学报. 2012(07)
[6]加深对麦克斯韦方程组的理解[J]. 赵凤娇. 科技与企业. 2011(10)
[7]为什么用磁偶极子模型而非磁畴模型研究磁性检测原理[J]. 仲维畅. 无损检测. 2006(02)
[8]力边界条件对瑞利-李兹法求梁固有频率的影响[J]. 范志毅,任勇生,刘立厚,石嵘. 上海工程技术大学学报. 2005(01)
[9]永磁体空间磁场的分析计算及其在永磁磁力轴承中的应用[J]. 汤双清,陈习坤,唐波. 大学物理. 2005(03)
[10]变截面悬臂梁大挠度分析与计算[J]. 江五贵,李禾,谢亚清,扶名福. 南昌大学学报(工科版). 1998(03)
博士论文
[1]磁道钉磁场特性试验研究[D]. 曹辉.武汉理工大学 2007
[2]飞轮电池磁悬浮支承系统理论及应用研究[D]. 汤双清.华中科技大学 2004
硕士论文
[1]永磁体空间磁场分布规律及其在传感器中的应用[D]. 李鑫.南京师范大学 2015
[2]基于磁性隧道结的齿轮传感器研究[D]. 黎琦.兰州大学 2014
[3]微机械电容式加速度计自动标定及性能参数测试系统的研究[D]. 耿赛柳.苏州大学 2013
[4]微悬臂梁机电系统的动力学特性研究[D]. 武洁.上海交通大学 2012
[5]高精度电容式微机械加速度计系统的研究与设计[D]. 许乐.浙江大学 2010
本文编号：3076978
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