高灵敏低噪声隧道磁电阻位移式加速度计.pdf

论文题目：高灵敏低噪声隧道磁电阻位移式加速度计

专业：机械制造及其自动化

指导教师：王东方教授

摘要

加速度计广泛应用于车辆安全、便携设备、惯性导航等多种领域。近十年来，

国防军工、商业太空、元宇宙等新概念的崛起带动了加速度计在精密领域的快速

发展。然而，以电容式、压电式、压阻式为代表的传统商用加速度计逐渐难以满

足新需求。最近，各种新检测机理的加速度计如雨后春笋般冒尖，拥有着它们独

特的优势。其中，隧道磁电阻（TunnelMagnetoresistance，简称TMR）作为第

四代磁电阻，具有灵敏度高、量程广、能耗低、稳定性好等特点，已经占据了磁

头90%的市场。目前已有研究将隧道磁电阻结合于加速度计中，但实现的性能仍

有待提高。因此，开发一款高性能隧道磁电阻加速度计，对加速度计的发展和应

用具有重要的意义。

本研究提出了一种高性能隧道磁电阻加速度计，可实现高灵敏度、高分辨率、

低交叉轴干扰的加速度传感。基于π型悬臂梁和磁铁振动，提出了一种高性能

的加速度计结构。依据磁场理论和振动理论，建立了该加速度计的加速度-位移

-磁场-电阻信号转换理论模型，推导了加速度计输入-输出关系式，从理论和仿

真上证明其可以实现超高线性度的加速度传感。在调制降噪方面，阐明了调制-

解调原理，提出了基于磁铁的磁场调制方法。

分析了影响加速度计灵敏度的三大要素，提出了基于梁式结构的灵敏度增强

方案。构建了口型梁理论模型，基于梁的等效刚度推导了口型梁对灵敏度的增强

作用，建立了口型梁各个结构参数与灵敏度放大因子的关系式。通过仿真验正了

理论并绘制了口型梁各结构参数对灵敏度的影响曲线。在理论和仿真的基础上，

制造了隧道磁电阻加速度计原型机。设计并搭建了传感实验平台，验证了原型机

可以实现加速度的传感，其灵敏度为48mV/g。设计搭建了对比实验平台，使用不

同的梁结构进行传感，验证了其灵敏度增强的功能，得到了126mV/g的灵敏度。

进行了交叉轴干扰实验，验证了所提出的结构具有极小的交叉轴灵敏度。

分析了噪声对加速度计分辨率的影响，建立了调制降噪理论、定义了调制效

I

率，推导了调制效率与调制结构之间的关系式，阐明了调制结构的位移需与磁场

变化呈正比的设计原则。在理论的指导下，设计了100%调制效率的调制结构，并

在仿真模拟中得到了97%的调制效率，验证了理论的正确性。设计并搭建了具有

调制降噪的加速度传感实验平台，在实验中，原型机实现了87%的调制效率和

20μg/√Hz的分辨率。此外，将该理论应用于电流计等其他传感器中，证明了该

理论具有一定的适用性。

本研究针对现有隧道磁电阻加速度计灵敏度和分辨率的两大问题，为研究者

们在加速度计中挖掘隧道磁电阻高灵敏的优势和抑制高噪声的缺点提供了解决

思路和实验参考，有助于推动隧道磁电阻领域和加速度计领域的深化研究和广化

应用。

关键词：

隧道磁电阻，加速度计，高灵敏度，高分辨率，1/f噪声

II

DissertationTitle:ADisplacement-basedTMR-typeAccelerometerforAHigh

SensitivitywithALow1/fNoise

Major:MechanicalManufacturingandAutomation

Supervisor:ProfessorDongF.Wang

ABSTRACT

Accelerometersarewidelyappliedinconsumerelectronics,inertialconduction

andotherfields.Inthepastdecade,theriseofnewconceptsexamplespannational

defense,commercialspaceandmetaversefacilitatestheaccelerometersboomin

frontierareas.