CN110879059B - 基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微陀螺技术领域，具体涉及一种基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置及方法，底层结构包括支撑基板和隧道磁阻元件，支撑基板的中心处设有方形凹槽，方形凹槽的中心固定有隧道磁阻元件，中层结构包括压电陶瓷，压电陶瓷采用中空结构，压电陶瓷固定在支撑基板上，上层结构包括陀螺结构外框、回折型正交梁、质量块、磁膜阵列，陀螺结构外框的内侧面连接有回折型正交梁，质量块通过回折型正交梁连接在陀螺结构外框的中心，磁膜阵列键合在质量块上，磁膜阵列设置在隧道磁阻元件的正上方。本发明通过压电陶瓷驱动器产生驱动谐振，具有结构简单，加工方便，幅度稳定性好、精度高等优点。本发明用于角速度的检测。

Description

基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置及方法

技术领域

本发明属于微陀螺技术领域，具体涉及一种基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置及方法。

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，消费电子领域发挥着重要作用。目前，微机械陀螺常用的驱动方式有静电式、压电式、电磁式等，检测方式有压阻式、压电式、电容式、共振隧穿式、电子隧道式等。就驱动方式而言，陀螺驱动大都依赖于驱动梁结构，驱动幅值较小，精度不易保证且易发生失稳效应。对于检测方式，压阻效应检测，灵敏度较低，温度系数大，因而限制了检测精度的进一步提高；压电效应检测的灵敏度易漂移，归零慢，不宜连续测试；电容检测采用梳齿结构，位移分辨率较高，但梳齿制造工艺精度要求极高，成品率较低；共振隧穿效应的灵敏度较硅压阻效应高一个数量级，但测试得到的检测灵敏度较低，存在的问题是偏置电压容易因陀螺驱动而漂移，导致陀螺不能稳定工作；电子隧道效应式器件制造工艺极其复杂，检测电路也相对较难实现，成品率低，难以正常工作，不利于集成，特别是很难控制隧道结隧尖和电极板之间的距离在纳米级，无法保障传感器正常工作。隧道磁阻效应具有灵敏度高、微型化、容易检测的优势，可用于角速度信号检测难题。

发明内容

针对上述微陀螺灵敏度低、易漂移、成品率低的技术问题，本发明提供了一种结构简单、灵敏度高、可靠性好、寿命长、制作成本低的基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置，包括底层结构、中层结构、上层结构，所述底层结构包括支撑基板和隧道磁阻元件，所述支撑基板的中心处设有方形凹槽，所述方形凹槽的中心固定有隧道磁阻元件，所述中层结构包括压电陶瓷，所述压电陶瓷压电驱动的宽带宽，有利于根据驱动方向幅频特性改变驱动频率，易于陀螺模态匹配，且可更加外界环境实时修正驱动频率和幅值，所述压电陶瓷采用中空结构，所述压电陶瓷固定在支撑基板上，所述压电陶瓷可以产生大幅度高精度的驱动谐振，通过底层结构与压电陶瓷之间固定连接，使得驱动频率幅值更大、精度更高、更易于控制和加工，所述上层结构包括陀螺结构外框、回折型正交梁、质量块、磁膜阵列，所述陀螺结构外框的内侧面连接有回折型正交梁，所述质量块通过回折型正交梁连接在陀螺结构外框的中心，所述磁膜阵列键合在质量块上，所述磁膜阵列产生的磁场在水平方向呈高变换率的正弦波，并且在竖直方向几乎无磁场变化，提高了哥氏力检测的灵敏度，所述磁膜阵列设置在隧道磁阻元件的正上方。

所述回折型正交梁包括第一检测梁、第二检测梁和检测梁连接块，所述第一检测梁的端部通过检测梁连接块与第二检测梁的端部固定连接。

所述磁膜阵列横向排布，所述磁膜阵列包括至少两个磁膜，每个磁膜内录有磁信号，所述磁信号的极性首尾相接，所述磁信号的磁场在水平方向呈正弦波变换。

所述隧道磁阻元件包括有磁阻桥路、电源，所述磁阻桥路有两个，两个磁阻桥路之间并联连接，所述磁阻桥路包括负相关磁阻结R1、正相关磁阻结R2，所述负相关磁阻结R1与正相关磁阻结R2串联连接，所述电源并联连接在磁阻结的两端。

基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺的控制方法，包括下列步骤：

S1、定义质量块的法向方向为Z方向，定义磁膜的磁极方向为X方向，依据右手定则建立XYZ坐标系；

S2、在压电陶瓷的驱动下，质量块沿着Z轴做往复运动；

S3、当X轴有角速率输入时，回折型正交梁发生形变，质量块在Z轴有驱动谐振的情况下受哥氏力影响沿着Y轴方向做面内往复运动；

S4、质量块带动上方的磁膜阵列运动，磁膜阵列和下方的隧道磁阻元件之间相对位置发生变化；

S5、磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件发生隧道磁阻效应；

S6、对隧道磁阻输出电压进行计算，通过电压的变化量从而可以计算出隧道磁阻电阻阻值变化，从而可以计算出X轴方向输入角速率的大小。

所述S6中计算隧道磁阻输出电压的计算公式为：

V_out＝V_a-V_b

所述V_out为输出电压，所述V_a、V_b为分别为两个磁阻桥路的电压。

所述S6中计算隧道磁阻元件位移距离的方法为：根据输出电压V_out和磁阻元件位移的距离x的关系公式求出磁阻元件位移的距离x，其中输出电压V_out和磁阻元件位移的距离x的关系公式为：

所述V₀为输入电压，所述A为调制深度，所述d为磁阻桥路距离，所述W为磁栅内的磁信号周期，所述x为磁阻元件位移的距离，所述负相关磁阻结的阻值R₁＝R₀-KB，所述正相关磁阻结的阻值R₂＝R₀+KB，所述磁阻结的阻值仅随磁场强度B的变化而变化，所述R₀、K是表示磁阻结相关性的两个定值。

所述S6中计算出X轴方向输入角速率大小的方法为：根据微机械陀螺的工作原理，简化其动力学方程，将检测梁当做有阻尼的无质量弹簧，形成弹簧—质量块—阻尼系统在周期性外力作用下的振动行为，得出其动力学方程描述：

所述m为检测质量，所述k、c分别是检测模态的弹性系数、阻尼力系数，所述z为压电陶瓷产生的驱动位移，由于压电陶瓷驱动幅度可根据输入电压值调节，可得压电陶瓷驱动幅值，故可推出输入角速率Ω的值。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明通过压电陶瓷驱动器产生驱动谐振，由压电陶瓷实现陀螺离面驱动，由隧道磁阻效应实现面内检测，有利于根据驱动方向幅频特性改变驱动频率，易于陀螺模态匹配，且可根据外界环境实时修正驱动频率和幅值，具有结构简单，加工方便，幅度稳定性好、精度高等优点。并且本发明通过隧道磁阻效应检测原理，并且利用磁膜阵列产生水平方向高变化率磁场，极大地提高了检测精度，并且不需要外加激励，具有结构简单、灵敏度高、可靠性好，寿命长、制作成本低，功耗低等优点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明压电陶瓷结构的结构示意图；

图3为本发明磁膜阵列的俯视图；

图4为本发明磁膜阵列内磁信号示意图；

图5为本发明隧道磁阻元件的内部桥路图；

其中：1为支撑基板，2为隧道磁阻元件，3为方形凹槽，4为压电陶瓷，5为陀螺结构外框，6为回折型正交梁，7为质量块，8为磁膜阵列，21为电源，61为第一检测梁，62为第二检测梁，63为检测梁连接块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置，如图1所示，包括底层结构、中层结构、上层结构，底层结构包括支撑基板1和隧道磁阻元件2，支撑基板1的中心处设有方形凹槽3，方形凹槽3的中心固定有隧道磁阻元件2，中层结构包括压电陶瓷4，如图2所示，压电陶瓷4采用中空结构，压电陶瓷4频率稳定性好，精度高、适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，是极为优越的频率控制装置，且压电陶瓷4压电驱动的宽带宽，有利于根据驱动方向幅频特性改变驱动频率，易于陀螺模态匹配，且可更加外界环境实时修正驱动频率和幅值，压电陶瓷4固定在支撑基板1上，压电陶瓷4可以产生大幅度高精度的驱动谐振，通过底层结构与压电陶瓷4之间固定连接，使得驱动频率幅值更大、精度更高、更易于控制和加工。上层结构包括陀螺结构外框5、回折型正交梁6、质量块7、磁膜阵列8，陀螺结构外框5的内侧面连接有回折型正交梁6，质量块7通过回折型正交梁6连接在陀螺结构外框5的中心，磁膜阵列8键合在质量块7上，磁膜阵列8产生的磁场在水平方向呈高变换率的正弦波，并且在竖直方向几乎无磁场变化，提高了哥氏力检测的灵敏度，磁膜阵列8设置在隧道磁阻元件2的正上方。

进一步，如图3所示，回折型正交梁6包括第一检测梁61、第二检测梁62和检测梁连接块63，第一检测梁61的端部通过检测梁连接块63与第二检测梁62的端部固定连接。回折型正交梁6减小了正交梁的总长度，避免了工艺残余应力导致断梁的缺陷。

进一步，如图4所示，磁膜阵列8横向排布，磁膜阵列8包括至少两个磁膜，每个磁膜内录有磁信号，磁信号的极性首尾相接，在N、N重叠处为正的最强，在S、S重叠处为负的最强。该磁信号使得磁场在水平方向呈正弦波变换，在竖直方向几乎无磁场变化，从而在水平方向产生高变化率的磁场，实现对水平方向加速度的独立检测。而磁膜阵列横向排布，使得水平方向呈正弦波变化的磁场强度大大加强。

进一步，如图5所示，隧道磁阻元件2包括有磁阻桥路、电源21，磁阻桥路有两个，两个磁阻桥路之间并联连接，磁阻桥路包括负相关磁阻结R1、正相关磁阻结R2，负相关磁阻结R1与正相关磁阻结R2串联连接，电源21并联连接在磁阻结的两端。

基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺的控制方法，包括下列步骤：

S1、定义质量块的法向方向为Z方向，定义磁膜的磁极方向为X方向，依据右手定则建立XYZ坐标系；

S2、在压电陶瓷的驱动下，质量块沿着Z轴做往复运动；

S3、当X轴有角速率输入时，回折型正交梁发生形变，质量块在Z轴有驱动谐振的情况下受哥氏力影响沿着Y轴方向做面内往复运动；

S4、质量块带动上方的磁膜阵列运动，磁膜阵列和下方的隧道磁阻元件之间相对位置发生变化；

S5、磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件发生隧道磁阻效应；

S6、对隧道磁阻输出电压进行计算，通过电压的变化量从而可以计算出隧道磁阻电阻阻值变化，从而可以计算出X轴方向输入角速率的大小。

S6中计算隧道磁阻输出电压的计算公式为：

V_out＝V_a-V_b

其中V_out为输出电压，V_a、V_b为分别为两个磁阻桥路的电压。

进一步，S6中计算隧道磁阻元件位移距离的方法为：根据输出电压V_out和磁阻元件位移的距离x的关系公式求出磁阻元件位移的距离x，其中输出电压V_out和磁阻元件位移的距离x的关系公式为：

其中V₀为输入电压，A为调制深度，d为磁阻桥路距离，W为磁栅内的磁信号周期，x为磁阻元件位移的距离，负相关磁阻结的阻值R₁＝R₀-KB，正相关磁阻结的阻值R₂＝R₀+KB，磁阻结的阻值仅随磁场强度B的变化而变化，R₀、K是表示磁阻结相关性的两个定值。

所述S6中计算出X轴方向输入角速率大小的方法为：根据微机械陀螺的工作原理，简化其动力学方程，将检测梁当做有阻尼的无质量弹簧，形成弹簧—质量块—阻尼系统在周期性外力作用下的振动行为，得出其动力学方程描述：

其中m为检测质量，k、c分别是检测模态的弹性系数、阻尼力系数，z为压电陶瓷产生的驱动位移，由于压电陶瓷驱动幅度可根据输入电压值调节，可得压电陶瓷驱动幅值，故可推出输入角速率Ω的值。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置，其特征在于：包括底层结构、中层结构、上层结构，所述底层结构包括支撑基板(1)和隧道磁阻元件(2)，所述支撑基板(1)的中心处设有方形凹槽(3)，所述方形凹槽(3)的中心固定有隧道磁阻元件(2)，所述中层结构包括压电陶瓷(4)，所述压电陶瓷(4)压电驱动的宽带宽，有利于根据驱动方向幅频特性改变驱动频率，易于陀螺模态匹配，且可根据外界环境实时修正驱动频率和幅值，所述压电陶瓷(4)采用中空结构，所述压电陶瓷(4)固定在支撑基板(1)上，所述压电陶瓷(4)可以产生大幅度高精度的驱动谐振，通过底层结构与压电陶瓷(4)之间固定连接，使得驱动频率幅值更大、精度更高、更易于控制和加工，所述上层结构包括陀螺结构外框(5)、回折型正交梁(6)、质量块(7)、磁膜阵列(8)，所述陀螺结构外框(5)的内侧面连接有回折型正交梁(6)，所述质量块(7)通过回折型正交梁(6)连接在陀螺结构外框(5)的中心，所述磁膜阵列(8)键合在质量块(7)上，所述磁膜阵列(8)产生的磁场在水平方向呈高变换率的正弦波，并且在竖直方向几乎无磁场变化，提高了哥氏力检测的灵敏度，所述磁膜阵列(8)设置在隧道磁阻元件(2)的正上方。

2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置，其特征在于：所述回折型正交梁(6)包括第一检测梁(61)、第二检测梁(62)和检测梁连接块(63)，所述第一检测梁(61)的端部通过检测梁连接块(63)与第二检测梁(62)的端部固定连接。

3.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置，其特征在于：所述磁膜阵列(8)横向排布，所述磁膜阵列(8)包括至少两个磁膜，每个磁膜内录有磁信号，所述磁信号的极性首尾相接，所述磁信号的磁场在水平方向呈正弦波变换。

4.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置，其特征在于：所述隧道磁阻元件(2)包括有磁阻桥路、电源(21)，所述磁阻桥路有两个，两个磁阻桥路之间并联连接，所述磁阻桥路包括负相关磁阻结R1、正相关磁阻结R2，所述负相关磁阻结R1与正相关磁阻结R2串联连接，所述电源(21)并联连接在磁阻结的两端。

5.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置的控制方法，其特征在于：包括下列步骤：

S1、定义质量块的法向方向为Z方向，定义磁膜的磁极方向为X方向，依据右手定则建立XYZ坐标系；

S2、在压电陶瓷的驱动下，质量块沿着Z轴做往复运动；

S3、当X轴有角速率输入时，回折型正交梁发生形变，质量块在Z轴有驱动谐振的情况下受哥氏力影响沿着Y轴方向做面内往复运动；

S4、质量块带动上方的磁膜阵列运动，磁膜阵列和下方的隧道磁阻元件之间相对位置发生变化；

S5、磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件发生隧道磁阻效应；

S6、对隧道磁阻输出电压进行计算，通过电压的变化量从而可以计算出隧道磁阻电阻阻值变化，从而可以计算出X轴方向输入角速率的大小。

6.根据权利要求5所述的基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置的控制方法，其特征在于：所述S6中计算隧道磁阻输出电压的计算公式为：

V_out＝V_a-V_b

所述V_out为输出电压，所述V_a、V_b为分别为两个磁阻桥路的电压。

7.根据权利要求5所述的基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置的控制方法，其特征在于：所述S6中计算隧道磁阻元件位移距离的方法为：根据输出电压V_out和磁阻元件位移的距离x的关系公式求出磁阻元件位移的距离x，其中输出电压V_out和磁阻元件位移的距离x的关系公式为：

所述V₀为输入电压，所述A为调制深度，所述d为磁阻桥路距离，所述W为磁栅内相邻的N、S极之间的距离，即磁栅内磁信号周期的1/2，所述x为磁阻元件位移的距离，所述负相关磁阻结的阻值R₁＝R₀-KB，所述正相关磁阻结的阻值R₂＝R₀+KB，所述磁阻结的阻值仅随磁场强度B的变化而变化，所述R₀、K是表示磁阻结相关性的两个定值。

8.根据权利要求5所述的基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置的控制方法，其特征在于：所述S6中计算出X轴方向输入角速率大小的方法为：根据微机械陀螺的工作原理，简化其动力学方程，将检测梁当做有阻尼的无质量弹簧，形成弹簧—质量块—阻尼系统在周期性外力作用下的振动行为，得出其动力学方程描述：

所述m为检测质量，所述k、c分别是检测模态的弹性系数、阻尼力系数，所述z为压电陶瓷产生的驱动位移，由于压电陶瓷驱动幅度可根据输入电压值调节，可得压电陶瓷驱动幅值，故可推出输入角速率Ω的值。

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