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摘 要

随着MEMS技术逐渐发展成熟，新型的高精度、高灵敏度、微型化的加速度计一直是导航制导领域的重点研究方向之一。基于隧道磁阻效应(Tunneling Magnetoresistive Resistance, TMR)的隧道磁阻加速度计以其超高的灵敏度和更好的偏置稳定性等优异特性，在各类磁加速度计中拥有巨大优势。本文主要对隧道磁阻加速度计的整体系统和测控电路进行了仿真分析。

论文首先从隧道磁阻传感器的工作原理，隧道磁阻加速度计的基本结构和数学模型以及力矩器的基本原理和实现方式等方面阐述了隧道磁阻加速度计系统的基本原理。在现有研究的基础上，对隧道磁阻加速度计系统开展了包括微机械系统的参数优化、接口电路以及静电式力矩器的设计等关键部件的详细地仿真和分析工作。最后构建了隧道磁阻加速度计仿真系统，通过仿真结果，分析了微机械结构、力矩器以及PI控制器对系统稳态性能的影响。

关键词： 隧道磁阻加速度计，静电力矩器，接口电路

ABSTRACT

With the gradual development of MEMS technology, new high-precision, high-sensitivity, miniaturized accelerometers have always been one of the key research directions in the field of navigation guidance. Due to its superior sensitivity and better polarization stability, tunneling magnetoresistive accelerometer, based on tunneling magnetoresistance, has great advantages in various types of magnetic accelerometers. This paper mainly analyzes the overall system, measurement and control circuit of the tunneling magnetoresistive accelerometer.

Firstly, the basic principle of closed-loop tunneling magnetoresistive accelerometer system is expounded from the working principle of tunneling magnetoresistive accelerometer sensor, the mechanical structure and mathematical model of tunneling magnetoresistive accelerometer and the basic principle and implementation of electrostatic torquer. On the basis of existing research, the key components of the tunneling magnetoresistive accelerometer system including micro-

mechanical structure parameter optimization, interface circuit and electrostatic torquer design are simulated and analyzed in detail. Finally, tunneling magnetoresistive accelerometer simulation system is constructed. Through the simulation results, the effects of micromechanical structure, electrostatic torquer and PI controller on the steady state performance of the system are analyzed.

KEY WORDS: Tunneling Magnetoresistive Accelerometer, Electrostatic Torquer, Interface Circuit

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2研究意义 1

1.3隧道磁阻加速度计的研究现状 2

1.4主要工作和内容 5

第二章 隧道磁阻加速度计系统基本理论 6

2.1引言 6

2.2隧道磁阻传感器基本原理 6

2.1.1隧道磁阻效应 6

2.2.2隧道磁阻传感器检测原理 7

2.2.3隧道磁阻传感器的特点 7

2.3 隧道磁阻加速度计的基本结构及工作原理 8

2.3.1隧道磁阻加速度计的基本结构 8

2.3.2隧道磁阻加速度计的数学模型 9

2.4力矩器 11

2.5小结 12

第三章 隧道磁阻加速度计关键部件分析及仿真 13

3.1引言 13

3.2微机械结构的分析与仿真 13

3.3隧道磁阻加速度计接口电路设计与仿真 17

3.3.1隧道磁阻传感器电桥结构仿真分析 17

3.3.2接口电路的设计与仿真 20

3.4力矩器的设计及仿真 22

3.5小结 23

第四章 隧道磁阻加速度计系统设计与仿真 25

4.1引言 25

4.2 Simulink仿真 25

4.3隧道磁阻加速度计系统方案设计 26

4.4隧道磁阻加速度计系统仿真分析 28

4.4.1 PI控制器对系统性能的影响 29

4.4.2微机械结构对系统性能的影响 31

4.4.3力矩器对系统性能的影响 32

4.5小结 33

第五章 总结与展望 34

参考文献 35

致 谢 37

第一章 绪论

1.1引言

由于在传统的机电工艺基础上制造的传感器在体积、性能、价格等方面难以迎合军工、医疗、汽车、机械、消费电子等社会各界的需求，在上世纪90年代末，随着集成电路产业的蓬勃发展，这种通过微电子加工技术、集成电路技术将尺寸在毫米级别甚至是微米级别的电子元件和机械元件集成在一起的微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）^[1]，成为当今传感器技术发展的主流趋势。

微机电系统作为当今前沿技术之一，具有体积微型化、器件集成化、芯片智能化、生产批量化以及低功耗运行等无与伦比的优势。作为典型的多学科交叉的前沿技术，MEMS技术涉及到诸多自然科学和工程技术领域，包括电子、机械、光学、化学、医学、材料、能源等，其目标是通过系统的集成化和微型化来开发新型功能器件和系统^[2]。MEMS技术为航空航天、汽车工业、消费电子、生物医学等多领域带来了飞速发展，几乎在人们所接触到的所有领域中都拥有十分巨大的应用前景，并拓展出了一个全新的技术产业行业。

微机械加速度计作为MEMS技术的代表性器件之一，广泛地应用于导航制导、微重力测量、水声测量以及地震监测等各个方面^[3]。微机械加速度计利用众多物理效应，例如压电效应、电容、电感、热、光、谐振、隧道效应等，来感知元件内部单元的相对位移。随着MEMS技术逐渐发展成熟，新型的高精度、高灵敏度、微型化的加速度计一直是导航制导领域的重点研究方向之一。基于隧道磁阻效应(Tunneling Magnetoresistive Resistance, TMR)的隧道磁阻加速度计以其超高的灵敏度，良好的偏振稳定等特性，在各类磁加速度计中拥有巨大优势。

1.2研究意义

目前，磁传感器及其相关产品的拥有约有超过1000亿的巨大市场体量，并且仍保持每年在8%以上的增速。现今市场上的磁加速度计仍是基于霍尔效应、各向异性磁阻效应和巨磁阻效应开发的居多，但是这些磁加速度计的灵敏度、功耗、抗噪能力等现有的技术指标已达到瓶颈，为了适应更为复杂的环境下的加速度的测量，新型的更高灵敏度、更宽线性范围、稳定性更好的加速度计一直在探索之中。受到其他类型产品的启发，磁阻比大、线性度好、灵敏度高的隧道磁阻效应近年来才逐渐受到人们重视和看好^[4]。这种基于隧道磁阻效应的隧道磁阻加速度计克服了传统MEMS加速度计的缺点，但因为发展时间较短，实际产品应用依然较少。

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