【摘 要】
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加速度传感器作为一种重要且被广泛应用的传感器,于近十几年中在尺寸、性能等方面得到了极大的提升。然而在许多精密检测领域,以电容式、压电式、压阻式等为代表的传统加速度传感器仍然难以满足感测需求,且这几类加速度传感器在传感机理、结构设计、制造工艺等方面已相对固化,进一步提升其性能非常困难。与此同时,隧道磁电阻(Tunnel Magneto Resistance,TMR)作为一种新式磁电阻,具有磁阻变化率
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加速度传感器作为一种重要且被广泛应用的传感器,于近十几年中在尺寸、性能等方面得到了极大的提升。然而在许多精密检测领域,以电容式、压电式、压阻式等为代表的传统加速度传感器仍然难以满足感测需求,且这几类加速度传感器在传感机理、结构设计、制造工艺等方面已相对固化,进一步提升其性能非常困难。与此同时,隧道磁电阻(Tunnel Magneto Resistance,TMR)作为一种新式磁电阻,具有磁阻变化率高、线性范围大、功耗低等特点。相比于电容、压电、压阻等传统传感原理,利用隧道磁电阻进行传感有成本低、灵敏度高的独特优势。因此,开发低成本、高性能的隧道磁电阻加速度传感器,具有非常高的研究潜力和市场空间。本研究提出了一种新型隧道磁电阻加速度传感器,可实现低1/f噪声的加速度传感。首先,提出了一种新的集成加速度传感和调制降噪的传感器结构设计。依据振动理论和磁场理论,建立了该加速度传感器的力-磁-电耦合理论模型;基于该理论模型,利用仿真明确了输入加速度-磁铁位移-磁场变化-输出电压的物理量转化关系,从理论上证明其可以实现加速度的传感。在调制降噪方面,深入分析了调制-解调原理,提出了基于高频谐振软磁薄膜产生磁场偏置的磁场调制方法,通过理论和仿真证明其可实现低频信号到高频信号的调制,即1/f噪声的降低。在理论和仿真分析的基础上,对本研究所提出的隧道磁电阻加速度传感器进行了实验研究。设计并搭建了实验平台,分别进行了无调制加速度传感实验和有调制加速度传感实验。在无调制加速度传感实验中,初步证明了加速度传感器原型机可以进行加速度传感,且其灵敏度为8.2m V/g。在有调制加速度传感实验中,进行了不同材料的多组对比调制实验,明确了高频谐振软磁薄膜的调制能力;且发现通过调制,可将如1.5Hz、3.5Hz和7Hz的低频加速度所产生的信号分别调制为187.5Hz/190.5Hz,185.5Hz/192.5Hz,182Hz/196Hz的高频信号。通过功率谱密度分析明确观察到了1/f噪声的降低,可以将隧道磁电阻的1/f噪声至少降低10倍;且通过制造更高谐振频率的谐振器,有潜力进一步降低1/f噪声至更低水平。最后对实验中出现的多余信号进行了分析,发现了零漂误差和调制误差对于传感结果的影响,并为下一步的工作提出了研究的方向。本研究针对现有隧道磁电阻加速度传感器的研究中1/f噪声较高的问题,提出了一种新的隧道磁电阻加速度传感器结构设计和磁场调制方法,可以实现低1/f噪声加速度传感,为隧道磁电阻加速度传感器的设计和其性能的提升提供了新的思路,将极大地有助于隧道磁电阻传感器的实际应用和进一步发展。
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