CN105180914B - 一种面内检测的高q值隧道磁阻效应的微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微惯性导航技术领域，具体涉及一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺。所述微机械陀螺包括嵌放有永磁体的基板及置于基板上侧的陀螺敏感机构；所述陀螺敏感机构包括一降低驱动方向及检测方向信号耦合影响的分体式质量块结构；所述分体式质量块结构包括一内质量块及一外质量块，所述内质量块与外质量块通过检测梁连接。本发明将隧道磁阻效应检测与陀螺哥氏效应相结合，结构简单、合理、紧凑，适合于微小型化。

Description

一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺

技术领域

本发明涉及微惯性导航技术领域，具体涉及一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺。

背景技术

目前，微机械陀螺常用的检测方式是压阻式、电容式、压电式和隧道效应式等，其中前两种共同的特点是：其灵敏度提高均依赖于结构刚度的减小，高灵敏度伴随着小量程、低过载，并且电容式的在小型化应用中也比较容易出现吸合和击穿等问题。此外，随着传感器尺寸的减小，其有效的敏感区域也随之减小，其灵敏度和分辨率等指标也明显降低，已经达到或接近其灵敏感知的极限，因而限制了检测灵敏度的进一步提高。压电效应传感器的灵敏度易漂移，需要经常校正，归零慢，不宜连续测试。隧道效应微机电传感器，制造工艺复杂，检测电路也相对较难实现，成品率低，不利于集成。因此，应用于中高灵敏的新效应敏感器件研究需求迫切。

微机械陀螺通过真空封装的方法可以提高其品质因数，进而提高微陀螺的灵敏度，而真空封装成本昂贵，并且目前国内真空封装技术尚未成熟，真空腔内真空度保持时间较短，限制了微机械陀螺的性能提升。

发明内容

本发明为了解决现有微机械陀螺结构难以实现常压下高灵敏检测的问题，提供了一种基于隧道磁阻效应的高Q值面内检测微陀螺。

一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺，所述微机械陀螺包括嵌放有永磁体的基板及置于基板上侧的陀螺敏感机构。

进一步地，所述陀螺敏感机构包括一降低驱动方向及检测方向信号耦合影响的分体式质量块结构。

进一步地，所述分体式质量块结构包括一内质量块及一外质量块，所述内质量块与外质量块通过检测梁连接。

进一步地，所述陀螺敏感机构还包括支撑框体、驱动梁及隧道磁阻器件。

进一步地，所述外质量块设置在所述支撑框体内侧，所述内质量块设置在外质量块内侧，所述隧道磁阻器件设置在内质量块中心处；

所述外质量块通过驱动梁与所述支撑框体连接。

进一步地，所述支撑框体整体呈方形，所述驱动梁垂直于所述方形一侧边，所述检测梁垂直所述驱动梁。

进一步地，所述陀螺敏感机构上以内质量块中心点处垂直驱动梁的方向为X轴，以内质量块中心点处垂直X轴的方向为Y轴，由X轴向中心线与Y轴向中心线将陀螺敏感机构划分得到的四象限区域，在所述四象限区域内所述内质量块分别开设有用于设置检测梁的检测梁置梁槽，且所述检测梁置梁槽以相邻象限间的分界线对称设置；在所述四象限区域内所述外质量块分别开设有用于设置驱动梁的驱动梁置梁槽，且所述驱动梁置梁槽以相邻象限间的分界线对称设置。

进一步地，所述隧道磁阻器件连接一信号引出线，所述外质量块上设置有反馈导线及驱动导线，所述支撑框体上设置有引线焊盘，所述反馈导线与驱动导线均经沿驱动梁设置的连接导线与引线焊盘连接。

进一步地，所述基板中心区域嵌放有检测磁体，在所述检测磁体两侧嵌设有两个驱动磁体，所述检测磁体与隧道磁阻器件位置对应，所述驱动磁体与驱动置梁槽位置对应，所述基板上侧设置有一垫衬框体，所述陀螺敏感机构设置在所述垫衬框体上侧，所述垫衬框体与所述基板组合设置构成一凹槽，所述检测磁体及驱动磁体均置于所述凹槽内。

本发明将隧道磁阻效应检测与陀螺哥氏效应相结合，结构简单、合理、紧凑，适合于微小型化。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为陀螺基板的结构示意图；

图3为本发明实施例的整体结构主视图；

图4为图1中A处的放大图；

图5为陀螺敏感机构的俯视图。

图中：1-隧道磁阻器件；2-内质量块；3-外质量块；4-检测梁；5-驱动梁；6-支撑框体；7-信号引出线；8-驱动导线；9-反馈导线；10-引线焊盘；11-驱动梁置梁槽；12-检测梁置梁槽；13-检测磁体；14-驱动磁体；15-垫衬框体；16-基板；17-陀螺敏感机构。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接 ；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、2所示，本发明提供的基于隧道磁阻效应的面内检测高Q值微陀螺结构，包括基板16、陀螺敏感机构17。

所述基板16中心区域嵌放有检测磁体13，在所述检测磁体13两侧嵌设有两个驱动磁体14，所述基板16上侧设置有一垫衬框体15，所述陀螺敏感机构17设置在所述垫衬框体15上侧，所述垫衬框体15与所述基板16组合设置构成一凹槽，所述检测磁体13及驱动磁体14均置于所述凹槽内。

所述陀螺敏感机构17包括支撑框体6、检测梁4、驱动梁5、内质量块2、外质量块3及隧道磁阻器件1；所述支撑框体6通过驱动梁5连接外质量块3，所述外质量块3通过检测梁4连接内质量块2，所述内质量块2上侧面中心处设置有隧道磁阻器件1。

具体为所述陀螺敏感机构17上表面为方形，所述外质量块3置于所述支撑框体6内侧，所述内质量块2置于所述外质量块3内侧，连接外质量块3及支撑框体6的驱动梁5垂直于所述陀螺敏感机构17方形面的一侧边，并所述连接外质量块3及内质量块2的检测梁4与所述驱动梁5垂直；

如图3、图4、图5所示，设定以内质量块2中心点处垂直驱动梁的方向为X轴，以内质量块2中心点处垂直X轴的方向为Y轴，所述内质量块2上由X轴向中心线与Y轴向中心线划分得到的四象限区域内分别开设有用于设置检测梁的检测梁置梁槽12，且内质量块2上相邻象限内的用于设置检测梁的置梁槽12以相邻象限间的分界线-内质量块2的X轴向中心线或Y轴向中心线为对称轴对称设置，所述外质量块3上由X轴向中心线与Y轴向中心线划分得到的四象限区域内分别开设有用于设置驱动梁的驱动梁置梁槽11，且外质量块3上相邻象限内的驱动梁置梁槽11以相邻象限间的分界线-外质量块3的X轴向中心线或Y轴向中心线为对称轴对称设置。

所述隧道磁阻器件1产生的电学变化量通过信号引出线7引出；所述外质量块3上设置有反馈导线9、及驱动导线8，所述反馈导线9及驱动导线8连接到引线焊盘10；具体为反馈导线9与驱动导线8的两端经沿驱动梁5设置的连接导线与支撑框体6上相应的引线焊盘10连接。

本发明中：基于隧道磁阻效应的微机械陀螺结构，包括基板、陀螺敏感机构；所述基板上嵌放有提供匀强驱动磁场的驱动永磁体、提供非匀强检测磁场的检测永磁体；所述陀螺敏感机构包含支撑框体、通过驱动梁架设于支撑框体中央的质量块，所述质量块由内质量块、外质量块构成，内/外质量块上由X轴向中心线与Y轴向中心线划分得到的四象限区域内分别开设有用于设置梁结构的置梁槽，且内/外质量块上相邻象限内的置梁槽以相邻象限间的分界线-内/外质量块的X轴向中心线或Y轴向中心线为对称轴对称设置；驱动梁的两端分别与外质量块、支撑框体连接，且驱动梁与外质量的X轴向中心线呈垂直关系；检测梁的两端分别与内质量块、外质量块连接固定，且检测梁与内质量块的Y轴向中心线呈垂直关系；外质量块上设置有一组由反馈导线与驱动导线构成的导线组，且导线组中的反馈导线与驱动导线对称设置与外质量块Y轴向上正对的驱动梁置梁槽的两侧；反馈导线与驱动导线的两端经沿驱动梁设置的连接导线与支撑框体上相应的引线焊盘连接；内质量块中央位置布有隧道磁阻器件，信号引出线一端连接隧道磁阻器件经沿检测梁将电流信号引出，末端经驱动梁与支撑框体表面的引线焊盘连接。

陀螺敏感机构处于驱动永磁铁的匀强磁场中，在外质量块上驱动导线两端施加交流偏压，依据法拉第电磁感应定律，外质量块上的驱动导线受到交变安培力作用，使质量块以安培力的交变频率在X轴驱动方向上线性简谐振动；当内质量块敏感到绕Z轴方向有角速度输入，由于哥氏力作用，内质量块将会在Y轴检测方向上产生运动；内质量块的运动带动内质量块上的隧道磁阻器件运动，在检测永磁体产生的非匀强磁场作用下，隧道磁阻器件远离或者靠近检测磁体，距离的变化导致磁阻器件敏感到的磁场发生变化，进而引起磁敏电阻阻值的变化，将微弱的力学信号转变为较强的电学信号。内质量块在X轴驱动方向、Y轴检测方向上产生运动时，主要阻尼类型为滑膜阻尼，在其他条件相同时，滑膜阻尼比离面检测方式受到的压膜阻尼低近2个数量级，而Q值与阻尼成反比例关系，阻尼设计值小，可以有效增大微陀螺结构的Q值。

另外，质量块上反馈导线的作用是构建反馈电路，依据反馈导线切割磁感线产生动生电动势，实时监测质量块的运动状态，进而判断其工作频率等参数；将反馈导线切割磁感线产生的动生电动势经过一些电路（如信号隔离电路、频率筛选电路、增益控制电路和功率放大电路）后作用于驱动导线，实现陀螺的闭环驱动电路。这样做的优点在于：1、针对由于加工工艺的不一致性，而导致陀螺敏感机构的结构、共振频率存在差异这一状况，闭环驱动电路可以使陀螺的频率、幅值自由地选择到其最佳状态；2、针对不同工作环境下测量精度、量程、带宽等方面的不同需要，可以通过调整反馈电路的参数来满足。

与现有技术相比，本发明采用隧道磁阻检测方式，在内质量块中央位置布置隧道磁阻器件，由哥氏力引起的内质量块简谐振动会带动隧道磁阻器件做简谐振动，远离或靠近检测磁场，使隧道磁阻器件的电学特性发生变化，根据隧道磁阻阻值的变化量即可得到角速度的大小。隧道磁阻检测，比电容式检测方式易于实现，检测原理简单，不需要复杂的梳齿结构，工艺易实现；采用非匀强磁场作为检测磁场，实现磁场对由柯氏力引起的微陀螺检测梁的变形量具有高的分辨率，位移变化引起磁场变化，进而导致磁阻阻值的变化，利用隧道磁阻对磁场的高灵敏特性，可以实现微弱柯氏信号的高灵敏度检测，另外，采用驱动磁体与检测磁体分离设计的方式，可以有效避免驱动磁场信号与检测磁场信号间的耦合干扰；采用内、外两个质量块的设计可以大大减少驱动方向与检测方向的相互影响，适合器件的微小型化和陀螺的正交解耦；在质量块上增设构建反馈电流的反馈导线，用于实时监控质量块的运动状态，对施加在驱动导线上的交变电压调整提供依据，使微陀螺整体达到工作最佳状态。

本发明将隧道磁阻效应检测与陀螺哥氏效应相结合，结构简单、合理、紧凑，适合于微小型化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺，其特征在于，所述微机械陀螺包括嵌放有永磁体的基板及置于基板上侧的陀螺敏感机构，所述基板的中心区域嵌放有检测磁体，在所述检测磁体两侧嵌设有两个驱动磁体。

2.根据权利要求1所述的一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺，其特征在于，所述陀螺敏感机构包括一降低驱动方向及检测方向信号耦合影响的分体式质量块结构。

3.根据权利要求2所述的一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺，其特征在于，所述分体式质量块结构包括一内质量块及一外质量块，所述内质量块与外质量块通过检测梁连接。

4.根据权利要求3所述的一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺，其特征在于，所述陀螺敏感机构还包括支撑框体、驱动梁及隧道磁阻器件。

5.根据权利要求4所述的一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺，其特征在于，所述外质量块设置在所述支撑框体内侧，所述内质量块设置在外质量块内侧，所述隧道磁阻器件设置在内质量块中心处；

所述外质量块通过驱动梁与所述支撑框体连接。

6.根据权利要求5所述的一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺，其特征在于，所述支撑框体整体呈方形，所述驱动梁垂直于所述方形一侧边，所述检测梁垂直所述驱动梁。

7.根据权利要求6所述的一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺，其特征在于，所述陀螺敏感机构上以内质量块中心点处垂直驱动梁的方向为X轴，以内质量块中心点处垂直X轴的方向为Y轴，由X轴向中心线与Y轴向中心线将陀螺敏感机构划分得到的四象限区域，在所述四象限区域内所述内质量块分别开设有用于设置检测梁的检测梁置梁槽，且所述检测梁置梁槽以相邻象限间的分界线对称设置；在所述四象限区域内所述外质量块分别开设有用于设置驱动梁的驱动梁置梁槽，且所述驱动梁置梁槽以相邻象限间的分界线对称设置。

8.根据权利要求5所述的一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺，其特征在于，所述隧道磁阻器件连接一信号引出线，所述外质量块上设置有反馈导线及驱动导线，所述支撑框体上设置有引线焊盘，所述反馈导线与驱动导线均经沿驱动梁设置的连接导线与引线焊盘连接。

9.根据权利要求7所述的一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应的微机械陀螺，其特征在于，所述检测磁体与隧道磁阻器件位置对应，所述驱动磁体与驱动置梁槽位置对应，所述基板上侧设置有一垫衬框体，所述陀螺敏感机构设置在所述垫衬框体上侧，所述垫衬框体与所述基板组合设置构成一凹槽，所述检测磁体及驱动磁体均置于所述凹槽内，内质量块的运动带动内质量块上的隧道磁阻器件运动，在检测永磁体产生的非匀强磁场作用下，隧道磁阻器件远离或靠近检测磁体，距离的变化导致磁阻器件敏感到磁场发生变化，进而引起磁敏电阻阻值的变化，将微弱的力学信号转变为较强的电学信号。