隧道磁阻加速度计系统仿真研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

材料的电阻会因外加磁场而增加或减少，电阻的变化量称为磁阻（Magnetoresistance）。物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、各向异性磁阻（AMR）、隧道磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。其中，各向异性磁阻（AMR）器件，巨磁阻（CMR）器件，隧道磁阻（TMR）器件和霍尔器件统称为固态磁敏元件。固态磁敏元件是对磁信号或者是对能够转变为磁信号的那些信号参数敏感的元件，具有把磁学物理量转换为电信号的功能。随着科学技术水平的不断提高，磁敏元件在信息产业、工业自动化、能源电力、交通运输、电力电子技术、家用电器、医疗设备等行业得到了快速普及和发展，特别是在测量和控制领域已经越来越成为不可或缺的产品。在固态磁敏元件中，又以霍尔器件的应用最为广泛。但是随着测量环境的日益复杂，测量设备对灵敏度，精度和工作温度范围等性能产生了越来越高的要求，如果继续选择霍尔器件，则需要更为复杂的补偿电路。表1是各种磁敏元件部分性能的对比，由表可知，以隧道磁阻（TMR）器件为代表的磁阻元件无疑具有更大优势。

表1 磁敏元件性能对比

图1是埃因霍温工业大学的Phan等人提出的一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的双轴加速度计，采用磁阻（MR）传感器作为检测方法，传感器的检测质量块是一种填充有永磁体粉末的聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，在横向加速度下，质量块会产生微小位移并被一组磁阻（MR）传感器精确感测。

图1 在施加横向加速度情况下结构的顶视图（a）和侧视图（b）

该款加速度计整体呈蘑菇型，上半部分（蘑菇盖）采用锶/钡-铁氧体微粒填充，下半部分（蘑菇杆）采用纯聚二甲基硅氧烷（PDMS）填充，在制造过程中，同时采取压缩处理，采用浓度为50wt%的锶/钡-铁氧体粉末可得到最佳的磁体聚合物结构，且剩余磁感应强度可达44mT。 在针对外部磁场干扰方面，其采用两个正交参考磁阻传感器置于径向传感器桥X和Y的外部，通过校正算法，成功消除地磁场和传感器信号偏移的影响。该装置的灵敏度为0.32mV/（V g），5赫兹时的噪声密度为35。但是聚二甲基硅氧烷（PDMS）等弹性体材料固有的一个缺点是会随时间产生轻微的蠕变，Phan等人对此提出两种实时蠕变校正算法并验证成功，使得由蠕变引起的误差从3%减低到0.08%。

美国Pacesetter公司在一项专利中提出了用于植入式磁阻位置传感器（如图2所示），主要用于心脏刺激设备中，该传感器被植入患者体内，随患者的肢体运动和身体位置而移动，并向控制器提供指示患者运动和位置的信号，该信号通过植入的心脏刺激设备中的处理器用于调节治疗性电刺激的输送。该装置中的磁阻传感器是由巨磁阻（GMR）材料制成，安装在基板上，永磁体位于可弯曲的柔性悬臂梁上，悬臂梁连接到基板上。患者的运动使传感器的基板随之移动，导致悬臂梁的弯曲和振动，随之导致永磁体相对于磁阻传感器移动，进而使磁阻传感器的电阻改变。但文献中并未给出该装置的具体实现方案。

图2 植入式心脏刺激装置示意图（左）与磁阻位置传感器侧视图（右）

NASA的奥利瓦斯等人提出一种用于加速度计、压力计、温度传感器等的超灵敏位移传感器件，主要是由溅射沉积多层的磁阻或巨磁阻传感器组成，通过感测由可移动微结构上的硬磁膜的位移引起的磁阻场传感器周围的局部磁场的变化来检测位移。其中的可移动微结构包括膜、悬臂梁、桥等，并利用这种微机械结构实现了磁阻构造和间隙控制。同样，新加坡的索尼精密工程中心使用一种基于悬臂梁MEMS磁阻器件来测量加速度、振荡力、气压等信息（如图3所示），文献中指出，磁化构件可以安装在可移动构件上，使得磁体随可动构件的运动而移动，从而产生磁电耦合磁场 ；或者磁化构件可以相对于磁电材料固定，可移动构件（包括非永久性磁性材料）安装在磁化构件和传感器之间，以响应所施加的相对于磁电材料的振荡电信号而移动。

图3 基于悬臂梁的MEMS磁阻器件俯视图（左）与侧视图（右）

为了提高MEMS加速度计的灵敏度、带宽、动态范围等性能，通常会引入静电反馈回路。中科院地质与地球物理研究所的陶呈瑶等人针对微加速度计接口电路的Sigma;-Delta;数字反馈系统，提出了一种基于脉宽调制( PWM) 的力反馈回路方案，Sigma;-Delta;调制电路如图4所示，加速度计整体Simulink模型如图5所示。借助 PWM 本身特点，后端加上模拟低通滤波器，能将 PWM

波( 数字信号) 转换为平滑的模拟电压信号，实现静电力负反馈回路。此方案对模拟滤波器要求较低，且方案简单，成本低，并能以较低复杂度的电路实现高精度模拟信号输出。

图4 微加速度计的机电混合Sigma;Delta;调制电路

图5 加速度的Simulink模型

参考文献

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资料编号：[180454]

文献综述（或调研报告）：

材料的电阻会因外加磁场而增加或减少，电阻的变化量称为磁阻（Magnetoresistance）。物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、各向异性磁阻（AMR）、隧道磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。其中，各向异性磁阻（AMR）器件，巨磁阻（CMR）器件，隧道磁阻（TMR）器件和霍尔器件统称为固态磁敏元件。固态磁敏元件是对磁信号或者是对能够转变为磁信号的那些信号参数敏感的元件，具有把磁学物理量转换为电信号的功能。随着科学技术水平的不断提高，磁敏元件在信息产业、工业自动化、能源电力、交通运输、电力电子技术、家用电器、医疗设备等行业得到了快速普及和发展，特别是在测量和控制领域已经越来越成为不可或缺的产品。在固态磁敏元件中，又以霍尔器件的应用最为广泛。但是随着测量环境的日益复杂，测量设备对灵敏度，精度和工作温度范围等性能产生了越来越高的要求，如果继续选择霍尔器件，则需要更为复杂的补偿电路。表1是各种磁敏元件部分性能的对比，由表可知，以隧道磁阻（TMR）器件为代表的磁阻元件无疑具有更大优势。

表1 磁敏元件性能对比