加速度计是用于测量运动物体加速度的装置,在航天航空、地震监测、石油勘探等领域有着广泛应用。材料噪声和环境温度等因素制约着硅基微机电(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)加速度计精度的提高。探寻新材料、新器件、新工艺的途径来进一步研究高精度加速度测量技术具有重要的意义。微纳技术在不断发展,特别在磁敏器件领域,高灵敏隧道磁阻(Tunneling Magnetoresistance,TMR)传感技术的研制成功,为研制高精度加速度计提供了一条重要而有效的途径。基于TMR高灵敏特性,通过“力-磁-电”多物理场耦合来实现高精度加速度测量,包括:悬臂梁实现加速度到位移的变化,放置于悬臂梁上的磁场源将悬臂梁位置变化转换为磁场变化,再由TMR器件感知磁场,通过TMR处理电路输出电压,进而获得加速度信号。如何将加速度变化转换为TMR敏感所需的线性的磁场变化,是该系统中的核心问题。本文研究加速度测量系统对磁场分布的要求,设计用于TMR敏感的空间高灵敏线性磁场。首先采用永磁体材料设计磁场源,对圆柱和方形永磁体磁场进行理论分析与仿真,总结磁体空间线性磁场灵敏度、线性区宽度与磁体尺寸、材料、空间位置等因素的关系,优化设计出钛铁硼N42圆柱永磁体作为系统磁场源,可满足TMR2104敏感需求,采用该磁场源的系统样机实现了加速度测量功能。其次,为了消除TMR低频噪声对系统检测精度的影响,设计励磁线圈产生空间交变磁场,使TMR工作在低噪声的kHz频率处;为进一步提升系统灵敏度,优化设计了工字型磁芯和磁场聚集器,提高空间磁场灵敏度,交变磁场幅度可满足TMR2104敏感需求。实验结果表明,采用永磁体的系统样机在0～0.5g量程下,其灵敏度可达1076.29mV/g,线性度为1.49%。采用线圈的系统样机在0～1.6g量程内灵敏度达21.18mV/g,线性度为3.81%,磁调制后系统噪声从178.94μg√Hz(@1Hz)降为15.11μg/√Hz(@1Hz)。综合以上结果,本文所设计的静磁场和交变磁场分布与实验结果基本吻合,系统样机实现了加速度测量功能,且线圈的交变场应用降低了 TMR低频噪声。本研究成果为进一步研制高精度TMR加速度测量系统提供了理论支撑。