CN107588763B - 隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置 - Google Patents

Abstract

一种隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置，主要结构由键合基板、支撑框架、质量块、驱动梁、检测梁、连接块、驱动磁体、检测磁体、隧道磁阻元件、信号线组成，在基板上设置驱动磁体、隧道磁阻元件，在支撑框架上设置质量块、驱动组合梁、检测组合梁，质量块由驱动质量块、检测质量块、中心质量块组成，驱动组合梁由驱动梁、连接块组成，检测组合梁由检测梁、连接块组成，在检测质量块上设置检测磁体并与基板上的隧道磁阻元件相对应，隧道磁阻元件为多层膜结构，对微弱磁场变化具有高灵敏特性，此装置结构设计合理、紧凑，正交耦合误差小，适合微型化。

Description

隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置

技术领域

本发明属于微惯性导航仪器测量仪器仪表零部件的技术领域，具体涉及一种隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置。

背景技术

陀螺是用于测量角速率的传感器，是惯性技术的核心器件之一，在现代工业控制、航空航天，国防军事，消费电子等领域发挥着重要作用。

对于微机械陀螺而言，正交误差是影响其性能的重要因素。未解耦结构的陀螺，质量块和固定端用一个二维弹性梁联系，单个质量块具有驱动和检测两个自由度，模态之间存在严重耦合；解耦式陀螺可分为单解耦和双解耦，单解耦结构陀螺仅解除了检测模态对驱动模态的耦合，驱动模态会影响检测模态；双级解耦结构陀螺，驱动模态不影响检测模态，检测模态不影响驱动模态，可消除两个模态之间的耦合误差，降低正交误差的影响，可提高角速度信号检测的精度。本发明以减少正交耦合误差为目的，通过合理巧妙的陀螺结构设计来减少正交耦合误差，从本质上降低了耦合误差对微陀螺的性能影响。

此外，本发明中微陀螺采用电磁驱动，隧道磁阻检测，电磁驱动具有稳定性好，且驱动幅值大等诸多优点，隧道磁阻检测是采用隧道磁阻效应，隧道磁阻效应具有“灵敏度高、微型化、容易检测”的优势，使我们产生了将隧道磁阻效应应用于陀螺结构检测的动机，以解决角速率信号检测的难题，预期可将微机械陀螺的检测灵敏度与电容式陀螺相比提高一到两个数量级。

通过对本领域资料查新，发现东南大学申请了“双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪”(申请号为201410362573.9)，其采用的是静电驱动，电容式检测，整体结构设计复杂，静电驱动位移小，检测时梳齿电压容易击穿，横向冲击时也会吸合失效，尤其是梳齿制造工艺精度要求极高，成品率较低。本专利设计了一种隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置，整体结构合理、紧凑、正交耦合误差小，检测精度高，该装置创新性的将电磁驱动、隧道磁阻检测应用到解耦式微陀螺中，在该技术领域还尚未见报道，是世界科技界予以探索的技术领域。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的不足，设计了一种基于隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置，使微陀螺正交耦合误差小，检测精度高。

本发明主要结构由：键合基板、支撑框架、驱动质量块、检测质量块、中心质量块、驱动组合梁、检测组合梁、驱动磁体、检测磁体、隧道磁阻元件、驱动导线、驱动反馈导线等组成，在键合基板65上部设置一凹槽78，凹槽78上部左、右两侧设置驱动磁体(66、67)，前、后两侧隧道磁阻元件(68、69)，支撑框架1设置在键合基板65上方，并粘结牢固，在支撑框架1前、后、左、右部设置座槽(22、24、21、23)，为驱动质量块(2、3)、检测质量块(4、5)提供运动空间，驱动质量块(2、3)设置在支撑框架1左、右部，通过驱动组合梁(7、8、11、12)与支撑框架1吻合连接，可在键合基板65上方做左、右方向移动，检测质量块(4、5)设置在支撑框架1前、后部，通过检测组合梁(13、14、17、18)与支撑框架1吻合连接，可在键合基板65上方做前、后方向移动，中心质量块6设置在支撑框架1中间位置，通过驱动组合梁(9、10)连接检测质量块(4、5)，通过检测组合梁(15、16)连接驱动质量块(2、3)，可在键合基板65上方做前、后、左、右方向移动。

所述键合基板65为方形，在键合基板65上部设置一凹槽78，凹槽78左、右部设置两个驱动磁体(66、67)，前、后部设置两个隧道磁阻元件(68、69)，两个驱动磁体(66、67)的长度远大于厚度，结构尺寸一致，为驱动质量块(2、3)上方沉积的驱动导线(57、58)提供稳定的磁场，两个隧道磁阻元件(68、69)结构尺寸一致，与上方检测质量块(4、5)沉积的检测磁体(19、20)相对应，具体位于检测磁体(19、20)所产生的高变化率磁场区域，且隧道磁阻元件(68、69)与检测磁体(19、20)可互换位置，隧道磁阻元件(68、69)为纳米多层膜结构，在半导体材料衬底层72上自上而下依次排布为顶电极层77、磁性自由层76、绝缘层75、磁性钉扎层74、底电极层73，当外界磁场发生变化时，隧道磁阻元件(68、69)的中隧穿电流发生改变，表现出剧烈阻值变化，通过顶电极层77和底电极层73引出信号线(70、71)并将所检测到的信号输出。

所述驱动质量块(2、3)数量有两个，结构尺寸一致，驱动质量块(2、3)前、后部设置驱动运动空间(45、46、49、50)，用于设置驱动组合梁(7、8、11、12)，驱动质量块(2、3)与驱动组合梁(7、8、11、12)厚度一致，驱动组合梁(7、8、11、12)用于连接驱动质量块(2、3)与支撑框架1，在驱动质量块(2、3)、驱动检测梁(7、8、11、12)上沉积有驱动导线(57、58)、驱动反馈导线(59、60)，在支撑框架1上沉积有驱动上电极61、驱动下电极62、驱动反馈上电极63、驱动反馈下电极64，以支撑框架1左部设置驱动质量块2为例，具体连接过程为支撑框架1上端的驱动上电极61、上端小连接块43、上端内侧驱动梁26、上端大连接块41、上端外侧驱动梁25、驱动质量块2、下端外侧驱动梁29、下端大连接块42、下端内侧驱动梁30、下端小连接块44、驱动下电极62，驱动导线(57、58)通过此过程连接驱动上电极61、驱动下电极62，驱动反馈导线(63、64)类似。

所述检测质量块(4、5)数量有两个，结构尺寸一致，检测质量块(4、5)左、右部设置检测运动空间(51、52、55、56)，用于设置检测组合梁(13、14、17、18)，检测质量块(4、5)与检测组合梁(13、14、17、18)厚度一致，检测组合梁(13、14、17、18)用于连接检测质量块(4、5)与支撑框架1，检测质量块(4、5)上方设置检测磁体(19、20)，检测质量块(4、5)的大小大于检测磁体(19、20)的大小，检测磁体(19、20)数量为两个，结构尺寸一致，可为永磁体、通电线圈等一切可产生磁场的装置。

所述中心质量块6数量为一个，在中心质量块6前、后部设置两个驱动运动空间(47、48)，左、右部设置两个检测运动空间(52、53)，驱动运动空间(47、48)大小一致，用于设置驱动组合梁(9、10)，检测运动空间(52、53)大小一致，用于设置检测组合梁(15、16)，在中心质量块6前、后部驱动运动空间(47、48)内设置驱动组合梁(9、10)，驱动组合梁(9、10)结构尺寸大小一致，与中心质量块6厚度一致，用于连接检测质量块(4、5)与中心质量块6，在中心质量块6左、右部检测运动空间(53、54)内设置检测组合梁(15、16)，检测组合梁(15、16)结构尺寸大小一致，与中心质量块6厚度一致，用于连接驱动质量块(2、3)与中心质量块6。

所述驱动组合梁(7、8、9、10、11、12)共六个，结构尺寸一致，分别设置在支撑框架1左侧驱动质量块2、中心质量块6、支撑框架1右侧驱动质量块3前、后部的驱动运动空间(45、46、47、48、49、50)内，驱动质量块(2、3)及中心质量块6前部设置的驱动组合梁(7、9、11)由驱动梁(25、26、27、28)、大连接块41、小连接块43组成，四根驱动梁(25、26、27、28)均与大连接块41连接，外侧两根驱动梁(25、28)用于连接质量块与大连接块41，内侧两个驱动梁(26、27)用于连接大连接块41与小连接块43；驱动质量块(2、3)及中心质量块6后部设置的驱动组合梁(8、10、12)由驱动梁(29、30、31、32)、大连接块42、小连接块44组成，四根驱动梁(29、30、31、32)均与大连接块42连接，外侧两根驱动梁(29、32)用于连接质量块与大连接块42，内侧两个驱动梁(30、31)用于连接大连接块42与小连接块44；驱动梁(25、26、27、28、29、30、31、32)为直梁结构，形状呈细长状，即驱动梁(25、26、27、28、29、30、31、32)的长度远大于它的宽度与厚度，在驱动运动空间(45、46、47、48、49、50)内平行排布。

所述检测组合梁(13、14、15、16、17、18)共六个，结构尺寸一致，分别设置在支撑框架1前部检测质量块4、中心质量块6、支撑框架1后部驱动质量块5左、右侧的检测运动空间(51、52、53、54、55、56)内，检测质量块(4、5)及中心质量块6左侧的检测组合梁(13、15、17)由四根检测梁(33、34、35、36)、大连接块41、小连接块43组成，四根检测梁(33、34、35、36)均与大连接块41连接，外侧两根检测梁(33、36)用于连接检测质量块(4、5)与大连接块41，内侧两个检测梁(34、35)用于连接大连接块41与小连接块43，检测质量块(4、5)及中心质量块6右侧的检测组合梁(14、16、18)由四根检测梁(37、38、39、40)、大连接块42、小连接块44组成，四根检测梁(37、38、39、40)均与大连接块42连接，外侧两根检测梁(37、40)用于连接检测质量块(4、5)与大连接块42，内侧两个检测梁(38、39)用于连接大连接块42与小连接块44，检测梁(33、34、35、36、37、38、39、40)为直梁结构，形状呈细长状，即检测梁(33、34、35、36、37、38、39、40)的长度远大于它的宽度与厚度，在检测运动空间(51、52、53、54、55、56)内平行排布。

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，此装置采用整体结构设计，以键合基板为载体，在支撑框架上设置有两个驱动质量块、两个检测质量块、一个中心质量块、六各驱动组合梁、六个检测组合梁，在基板凹槽上部设置结构一样的两个隧道磁阻元件，在检测质量块上设置检测磁体并与基板凹槽上部设置的隧道磁阻元件相对应，驱动组合梁由驱动梁、连接块组成，检测组合梁由检测梁、连接块组成，隧道磁阻元件为多层膜结构，对微弱磁场变化具有高灵敏特性，可有效提高解耦式微陀螺的检测精度，此装置结构设计合理、紧凑，正交耦合误差小，检测精度高，是十分理想的用于角速度测量得解耦式微陀螺装置。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的整体结构俯视图；

图3为本发明实施例的整体结构侧视图；

图4为本发明实施例的键合基板结构图；

图5为本发明实施例的键合基板俯视图；

图6为本发明实施例的支撑框架结构图；

图7为本发明实施例的支撑框架俯视图；

图8为本发明实施例的驱动质量块结构图；

图9为本发明实施例的驱动质量块俯视图；

图10为本发明实施例的驱动质量块及驱动组合梁结构图；

图11为本发明实施例的驱动质量块及驱动组合梁俯视图；

图12为本发明实施例的驱动质量块及驱动组合梁侧视图；

图13为本发明实施例的检测质量块结构图；

图14为本发明实施例的检测质量块俯视图；

图15为本发明实施例的检测质量块及检测组合梁结构图；

图16为本发明实施例的检测质量块及检测组合梁俯视图；

图17为本发明实施例的检测质量块及检测组合梁侧视图；

图18为本发明实施例的中心质量块结构图；

图19为本发明实施例的中心质量块俯视图；

图20为本发明实施例的中心质量块及组合梁结构图；

图21为本发明实施例的中心质量块及组合梁俯视图；

图22为本发明实施例的中心质量块及组合梁侧视图；

图23为本发明实施例的驱动质量块与驱动磁体结构图；

图24为本发明实施例的驱动质量块与驱动磁体剖视图；

图25为本发明实施例的检测磁体与隧道磁阻元件位置结构图；

图26为本发明实施例的检测磁体与隧道磁阻元件位置剖视图；

图27为本发明实施例的隧道磁阻元件纳米多层膜结构。

图中所示，附图标记清单如下：

1-支撑框架；2-驱动质量块；3-驱动质量块；4-检测质量块；5-检测质量块；6-中心质量块；7-驱动组合梁；8-驱动组合梁；9-驱动组合梁；10-驱动组合梁；11-驱动组合梁；12-驱动组合梁；13-检测组合梁；14-检测组合梁；15-检测组合梁；16-检测组合梁；17-检测组合梁；18-检测组合梁；19-检测磁体；20-检测磁体；21-座槽；22-座槽；23-座槽；24-座槽；25-驱动梁；26-驱动梁；27-驱动梁；28-驱动梁；29-驱动梁；30-驱动梁；31-驱动梁；32-驱动梁；33-检测梁；34-检测梁；35-检测梁；36-检测梁；37-检测梁；38-检测梁；39-检测梁；40-检测梁；41-大连接块；42-大连接块；43-小连接块；44-小连接块；45-驱动运动空间；46-驱动运动空间；47-驱动运动空间；48-驱动运动空间；49-驱动运动空间；50-驱动运动空间；51-检测运动空间；52-检测运动空间；53-检测运动空间；54-检测运动空间；55-检测运动空间；56-检测运动空间；57-驱动导线；58-驱动导线；59-驱动反馈导线；60-驱动反馈导线；61-驱动上电极；62-驱动下电极；63-驱动反馈上电极；64-驱动反馈下电极；65-键合基板；66-驱动磁体；67-驱动磁体；68-隧道磁阻元件；69-隧道磁阻元件；70-信号线；71-信号线；72-衬底层；73-底电极层；74-磁性钉扎层；75-绝缘层；76-磁性自由层；77-顶电极层；78-凹槽。

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。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2、3所示，为微陀螺整体结构图，一种隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置,包括:键合基板65、支撑框架1、驱动质量块(2、3)、检测质量块(4、5)、中心质量块6、驱动组合梁(7、8、9、10、11、12)、检测组合梁(13、14、15、16、17、18)、检测磁体(19、20)，在键合基板65上方设置支撑框架1，并粘结固牢，在支撑框架1前、后部设置检测质量块(4、5)，检测质量块(4、5)通过检测组合梁(13、14、17、18)与支撑框架1吻合连接，可在键合基板65上方做前、后移动，在支撑框架1左、右部设置驱动质量块(2、3)，驱动质量块(2、3)通过驱动组合梁(7、8、11、12)与支撑框架1吻合连接，可在键合基板65上方做左、右移动，在支撑框架1中间部分设置中心质量块6，中心质量块6通过两个检测组合梁(15、16)连接两个驱动质量块(2、3)，通过两个驱动组合梁(9、10)连接两个检测质量块(4、5)，可在键合基板65上方做前、后、左、右移动。

如图4、5所示，为键合基板结构图，键合基板65整体结构为方形，中间经工艺加工刻蚀有一凹槽78，凹槽78上部左、右两侧对称设置有两个驱动磁体(66、67)，驱动磁体(66、67)为长方体，其长度远大于它的厚度，具体位置与上方两个驱动质量块(2、3)相对应，凹槽78上部前、后两侧设置有两个隧道磁阻元件(68、69)，通过两个信号线(70、71)将隧道磁阻元件(68、69)所检测出的信号与外部处理电路连接，具体位置与上方检测质量块(4、5)设置的检测磁体(19、20)相对应。

如图6、7所示，为支撑框架结构图，支撑框架1外部整体结构为方形，设置在键合基板65上方并与键合基板65大小相同，在支撑框架1的前、后、左、右部分设置四个座槽(22、24、21、23)，四个座槽(22、24、21、23)用于设置两个检测质量块(4、5)和两个驱动质量块(2、3)，并为驱动质量块(2、3)和检测质量块(4、5)提供运动空间，支撑框架1为中空框架，在中间部分设置中心质量块6，通过驱动组合梁(9、10)、检测组合梁(15、16)分别与检测质量块连接(4、5)、驱动质量块(2、3)吻合连接。

如图8、9所示，为驱动质量块结构图，驱动质量块(2、3)数量有两个，结构尺寸一致，驱动质量块(2、3)前、后部设置驱动运动空间(45、46、49、50)，用于设置驱动组合梁(7、8、11、12)。

如图10、11、12所示，为驱动质量块与驱动组合梁结构图，驱动质量块(2、3)数量为两个，结构尺寸一致，驱动组合梁(7、8、9、10、11、12)数量为六个，结构尺寸一致，驱动质量块(2、3)与驱动组合梁(7、8、11、12)厚度一致，驱动组合梁(7、8、11、12)用于连接驱动质量块(2、3)与支撑框架1，驱动质量块(2、3)前部设置的驱动组合梁(7、11)由四根驱动梁(25、26、27、28)、大连接块41、小连接块43组成，驱动梁(25、26、27、28)为直梁结构，结构尺寸一致，形状呈细长状，即驱动梁(25、26、27、28)的长度远大于它的宽度与厚度，且相互平行排布驱动运动空间(45、49)内，四根驱动梁(25、26、27、28)均与大连接块41连接，外侧两根驱动梁(25、28)用于连接驱动质量块(2、3)与大连接块41，内侧两个驱动梁(26、27)用于连接大连接块41与小连接块43。驱动质量块(2、3)后部设置的驱动组合梁(8、12)由驱动梁(29、30、31、32)、大连接块42、小连接块44组成，驱动梁(29、30、31、32)为直梁结构，结构尺寸一致，形状呈细长状，即驱动梁(29、30、31、32)的长度远大于它的宽度与厚度，且相互平行排布驱动运动空间(46、50)内，四根驱动梁(29、30、31、32)均与大连接块42连接，外侧两根驱动梁(29、32)用于连接质量块与大连接块42，内侧两个驱动梁(30、31)用于连接大连接块42与小连接块44。

如图13、14所示，为检测质量块结构图，检测质量块(4、5)数量有两个，结构尺寸一致，检测质量块(4、5)左、右部设置检测运动空间(51、52、55、56)，用于设置检测组合梁(13、14、17、18)，检测质量块(4、5)上方设置检测磁体(19、20)，检测质量块(4、5)的大小大于检测磁体(19、20)的大小，检测磁体(19、20)数量为两个，结构尺寸一致，可为永磁体、通电线圈等一切可产生磁场的装置。

如图15、16、17所示，为检测质量块与检测组合梁结构图，检测质量块(4、5)数量为两个，结构尺寸一致，检测组合梁(13、14、15、16、17、18)数量为六个，结构尺寸一致，检测质量块(4、5)与检测组合梁(13、14、17、18)厚度一致，检测组合梁(13、14、17、18)用于连接检测质量块(3、4)与支撑框架1，检测质量块(4、5)左部的检测组合梁(13、17)由四根检测梁(33、34、35、36)、大连接块41、小连接块43组成，四根检测梁(33、34、35、36)为直梁结构，结构尺寸一致，形状呈细长状，即检测梁(33、34、35、36)的长度远大于它的宽度与厚度，在检测运动空间(51、55)内平行排布，四根检测梁(33、34、35、36)均与大连接块41连接，外侧两根检测梁(33、36)用于连接检测质量块(4、5)与大连接块41，内侧两个检测梁(34、35)用于连接大连接块41与小连接块43；检测质量块(4、5)右部的检测组合梁(14、18)由四根检测梁(37、38、39、40)、大连接块42、小连接块44组成，四根检测梁(37、38、39、40)为直梁结构，结构尺寸一致，形状呈细长状，即检测梁(37、38、39、40)的长度远大于它的宽度与厚度，在检测运动空间(52、56)内平行排布，四根检测梁(37、38、39、40)均与大连接块42连接，外侧两根检测梁(37、40)用于连接检测质量块(4、5)与大连接块42，内侧两个检测梁(38、39)用于连接大连接块42与小连接块44，且两个检测质量块(4、5)上设置有两个结构尺寸相同的检测磁体(19、20)，可提供稳定高变化率的磁场。

如图18、19所示，为中心质量块结构图，中心质量块6数量为一个，在中心质量块6前、后部设置两个驱动运动空间(47、48)，左、右部设置两个检测运动空间(53、54)，驱动运动空间(47、48)大小一致，用于设置驱动组合梁(9、10)，检测运动空间(53、54)大小一致，用于设置检测组合梁(15、16)。

如图20、21、22所示，为中心质量块与组合梁结构图，中心质量块6数量有一个，在中心质量块6前、后部驱动运动空间(47、48)设置驱动组合梁(9、10)，驱动组合梁(9、10)结构尺寸大小一致，与中心质量块6厚度一致，用于连接检测质量块(4、5)与中心质量块6，中心质量块6前部的驱动组合梁9由四根驱动梁(25、26、27、28)、大连接块41、小连接块43组成，驱动梁(25、26、27、28)为直梁结构，形状呈细长状，即驱动梁(25、26、27、28)的长度远大于它的宽度与厚度，在驱动运动空间47内平行排布，四根驱动梁(25、26、27、28)均与大连接块41连接，外侧两根驱动梁(25、28)用于连接中心质量块6与大连接块41，内侧两个驱动梁(26、27)用于连接大连接块41与小连接块43；中心质量块6后部设置的驱动组合梁10由驱动梁(29、30、31、32)、大连接块42、小连接块44组成，驱动梁(29、30、31、32)为直梁结构，结构尺寸一致，形状呈细长状，即驱动梁(29、30、31、32)的长度远大于它的宽度与厚度，且相互平行排布在驱动运动空间(45、46、47、48、49、50)内，四根驱动梁(29、30、31、32)均与大连接块42连接，外侧两根驱动梁(29、32)用于连接质量块与大连接块42，内侧两个驱动梁(30、31)用于连接大连接块42与小连接块44。

在中心质量块6左、右部检测运动空间(53、54)设置检测组合梁(15、16)，检测组合梁(15、16)结构尺寸大小一致，与中心质量块6厚度一致，用于连接驱动质量块(2、3)与中心质量块6，中心质量块6左部的检测组合梁15由四根检测梁(33、34、35、36)、大连接块41、小连接块43组成，四根检测梁(33、34、35、36)为直梁结构，形状呈细长状，即检测梁(33、34、35、36)的长度远大于它的宽度与厚度，在检测运动空间53内平行排布，四根检测梁(33、34、35、36)均与大连接块41连接，外侧两根检测梁(33、36)用于连接中心质量块6与大连接块41，内侧两个检测梁(34、35)用于连接大连接块41与小连接块43，中心质量块6右部的检测组合梁16由四根检测梁(37、38、39、40)、大连接块42、小连接块44组成，四根检测梁(37、38、39、40)为直梁结构，形状呈细长状，即检测梁(37、38、39、40)的长度远大于它的宽度与厚度，在检测运动空间54内平行排布，四根检测梁(37、38、39、40)均与大连接块42连接，外侧两根检测梁(37、40)用于连接中心质量块6与大连接块42，内侧两个检测梁(38、39)用于连接大连接块42与小连接块44。

如图23、24所示，为驱动质量块与驱动磁体结构图，以微陀螺左侧驱动质量块2为例，在键合基板凹槽78上部左、右两侧设置驱动磁体(66、67)，支撑框架1设置在键合基板65上，并连接固牢，支撑框架1左侧有一座槽21，用于设置驱动质量块2、驱动组合梁(7、8)，驱动质量块2前、后部通过驱动组合梁(7、8)与支撑框架1吻合连接，位置与下方的驱动磁体66相对应，在驱动质量块2、驱动组合梁(7、8)上沉积有驱动导线57、驱动反馈导线59，所述驱动磁体(66、67)为驱动质量块(2、3)上方沉积的驱动导线(57、58)提供稳定的磁场，在支撑框架上1沉积有驱动上电极61、驱动下电极62、驱动反馈上电极63、驱动反馈下电极64，具体连接过程为支撑框架1上端的驱动上电极61、上端小连接块43、上端内侧驱动梁26、上端大连接块41、上端外侧驱动梁25、驱动质量块2、下端外侧驱动梁29、下端大连接块42、下端内侧驱动梁30、下端小连接块44、驱动下电极62，驱动导线57通过此过程连接驱动上电极61、驱动下电极62，驱动反馈导线59类似；微陀螺右侧驱动质量块3结构与左侧驱动质量块2结构相同且对称布置。

如图25、26所示，为检测磁体与隧道磁阻元件结构图，以微陀螺前部的检测质量块4为例，在键合基板凹槽78上部设置隧道磁阻元件68，支撑框架1设置在键合基板65上方，并连接固牢，支撑框架1前部设置一座槽22，用于设置检测质量块4、检测组合梁(13、14)，检测质量块4左、右部通过检测组合梁(13、14)与支撑框架1吻合连接，检测质量块4上设置检测磁体19，与下方的隧道磁阻元件68相对应，隧道磁阻元件68具体位于检测磁体19所产生的高变化率磁场区域，且隧道磁阻元件68与检测磁体19可互换位置；微陀螺后部的检测质量块5结构与前部的检测质量块4结构相同且对称布置。

如图27所示，两个隧道磁阻元件(68、69)结构尺寸一致，隧道磁阻元件(68、69)为纳米多层膜结构，在半导体材料衬底层72上自上而下依次排布为顶电极层77、磁性自由层76、绝缘层75、磁性钉扎层74、底电极层73，当外界磁场发生变化时，隧道磁阻元件(68、69)的中隧穿电流发生改变，表现出剧烈阻值变化，通过顶电极层77和底电极层73引出的信号线(70、71)将检测信号输出。

发明原理

在电磁力Fe的驱动下微陀螺的驱动质量块带动中心质量块沿X轴方向作线性简谐振动，当检测到Z轴方向有角速率输入时，微陀螺因柯氏效应产生的柯氏力驱动中心质量块带动检测质量块沿Y轴做面内运动，检测质量块带动检测磁体与基板凹槽上部设置的隧道磁阻元件二者相对位置发生变化，使隧道磁阻元件敏感到磁场发生变化，磁场变化引起隧道磁阻元件中自旋电子隧穿几率变化而发生隧道磁阻效应，从而导致隧道磁阻元件的阻值发生剧烈变化，通过检测隧道磁阻元件电阻变化可实现Z轴角速率的检测。

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 (3)

1.一种隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置，其特征在于，包括：键合基板、支撑框架、驱动质量块、检测质量块、中心质量块、驱动组合梁、检测组合梁、驱动磁体、检测磁体、隧道磁阻元件、驱动导线、驱动反馈导线，在键合基板上部设置一凹槽，凹槽上部左、右两侧设置驱动磁体，前、后两侧设置隧道磁阻元件，支撑框架设置在键合基板上方，在支撑框架前、后、左、右部设置座槽，驱动质量块设置在支撑框架左、右部，通过驱动组合梁与支撑框架连接，检测质量块设置在支撑框架前、后部，通过检测组合梁与支撑框架连接，中心质量块设置在支撑框架中间位置，通过驱动组合梁连接检测质量块，通过检测组合梁连接驱动质量块；

所述中心质量块数量为一个，在中心质量块前、后部设置两个用于设置驱动组合梁的驱动运动空间，左、右部设置两个用于设置检测组合梁的检测运动空间，驱动运动空间大小一致，检测运动空间大小一致，在中心质量块前、后部驱动运动空间内设置驱动组合梁，驱动组合梁结构尺寸大小一致，与中心质量块厚度一致，用于连接检测质量块与中心质量块，在中心质量块左、右部检测运动空间内设置检测组合梁，检测组合梁结构尺寸大小一致，与中心质量块厚度一致，用于连接驱动质量块与中心质量块；

所述驱动组合梁共六个，结构尺寸一致，分别设置在支撑框架左侧驱动质量块、中心质量块、支撑框架右侧驱动质量块前、后部的驱动运动空间内，驱动质量块及中心质量块前部设置的驱动组合梁由驱动梁、大连接块、小连接块组成，四根驱动梁均与大连接块连接，外侧两根驱动梁用于连接质量块与大连接块，内侧两个驱动梁用于连接大连接块与小连接块；驱动质量块及中心质量块后部设置的驱动组合梁由驱动梁、大连接块、小连接块组成，四根驱动梁均与大连接块连接，外侧两根驱动梁用于连接质量块与大连接块，内侧两个驱动梁用于连接大连接块与小连接块；驱动梁为直梁结构，形状呈细长状，即驱动梁的长度远大于它的宽度与厚度，在驱动运动空间内平行排布；

所述检测组合梁共六个，结构尺寸一致，分别设置在支撑框架前部检测质量块、中心质量块、支撑框架后部驱动质量块左、右侧的检测运动空间内，检测质量块及中心质量块左侧的检测组合梁由四根检测梁、大连接块、小连接块组成，四根检测梁均与大连接块连接，外侧两根检测梁用于连接检测质量块与大连接块，内侧两个检测梁用于连接大连接块与小连接块，检测质量块及中心质量块右侧的检测组合梁由四根检测梁、大连接块、小连接块组成，四根检测梁均与大连接块连接，外侧两根检测梁用于连接检测质量块与大连接块，内侧两个检测梁用于连接大连接块与小连接块，检测梁为直梁结构，形状呈细长状，即检测梁的长度远大于它的宽度与厚度，在检测运动空间内平行排布。

2.根据权利要求1所述的隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置，其特征在于，在键合基板上部设置一凹槽，凹槽左、右部设置两个驱动磁体，前、后部设置两个隧道磁阻元件，两个驱动磁体的长度远大于厚度，结构尺寸一致，两个隧道磁阻元件结构尺寸一致，与上方检测质量块沉积的检测磁体相对应。

3.根据权利要求1所述的隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置，其特征在于，隧道磁阻元件为纳米多层膜结构，在半导体材料衬底层自上而下依次排布为顶电极层 、磁性自由层、绝缘层、磁性钉扎层、底电极层。