CN110966999A - 一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺 - Google Patents

Abstract

一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，主要结构由键合基板、支撑框架、敏感质量块、正交梁、驱动梁、检测梁、连接块、悬臂梁、驱动磁体、检测磁体、隧道磁阻元件、信号线组成；在键合基板凹槽上设置驱动磁体、隧道磁阻元件，隧道磁阻元件设置于键合基板凹槽上并与敏感质量块上方的检测磁体相对应，对微弱磁场变化具有高灵敏特性，此陀螺中X轴陀螺和Y轴陀螺采用离面检测，Z轴陀螺采用面内检测，此陀螺结构设计合理、简单，体积小，集成度高，可靠性好、适合微型化。

Description

一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺

技术领域

本发明属微惯性导航的技术领域，具体涉及一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺。

背景技术

微机械陀螺是一种用于测量角速度的传感器，是惯性技术的核心器件之一，在现代航空航天、工业控制、消费电子、国防军事等领域发挥着重要作用。

目前，三轴陀螺大都是采用单轴陀螺分立集成，分立集成三轴陀螺具有设计简单的优点，但显露出体积大、集成度低、噪声大，尤其是起动时间慢和可靠性不高的问题；单片集成三轴陀螺工艺加工困难，但具有体积小、集成度高、噪声低等优势。随着MEMS技术的不断提高，测量全空间角速度的单片集成三轴陀螺将成为发展的必然趋势，应用于惯性制导系统中可以减小陀螺体积、降低测量误差，进而提高陀螺的检测精度。

此外，微机械陀螺常用的检测方式有压阻式、压电式、电容式、共振隧穿式、电子隧道效应式等，其中压阻效应检测，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，需要经常校正，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，电容结构适用于MEMS工艺加工，但随着进一步微型化，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，制约该方向的发展；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。因此，急需开展新效应检测原理的结构研究。

隧道磁阻效应基于电子的自旋效应，在磁性钉扎层和磁性自由层中间间隔有绝缘体或半导体的非磁层的磁性多层膜结构，当磁性自由层在外场的作用下，其磁化强度方向改变，而钉扎层的磁化方向不变，此时两个磁性层的磁化强度相对取向发生改变，则可在横跨绝缘层的的磁性隧道结上观测到大的电阻变化，这一物理效应正是基于电子在绝缘层的隧穿效应，因此称为隧道磁阻效应，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单片三轴陀螺结构检测的动机，以解决角速度信号检测的难题，该技术领域还未出现相关产品。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计了一种电磁驱动、用隧道磁阻元件检测的单片集成三轴陀螺，可解决现有分立集成陀螺体积大、集成度低、噪声大、可靠性不高的问题。

技术方案

一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，所述单片集成三轴陀螺包括键合基板、支撑框架、X轴陀螺敏感质量块、Y轴陀螺敏感质量块、Z轴陀螺敏感质量块、第一隧道磁阻元件、第二隧道磁阻元件、第三隧道磁阻元件；

在所述键合基板上设置至少三个用于提供运动空间的凹槽，在凹槽内对称设置所述第一隧道磁阻元件、第二隧道磁阻元件、第三隧道磁阻元件，构成单片集成三轴陀螺；

在所述键合基板上方设置支撑框架，在支撑框架上中间设置Z轴陀螺敏感质量块，并在Z轴陀螺敏感质量块的两侧位置分别设置X轴陀螺敏感质量块、及Y轴陀螺敏感质量块。

进一步地，在第一隧道磁阻元件的两侧对称设置X轴陀螺第一驱动磁体、X轴陀螺第二驱动磁体，并粘结固牢；

在第二隧道磁阻元件的两侧对称设置Y轴陀螺第一驱动磁体、Y轴陀螺第二驱动磁体，并粘结固牢；

在第三隧道磁阻元件的两侧对称设置Z轴陀螺第一驱动磁体、Z轴陀螺第二驱动磁体，并粘结固牢。

进一步地，在X轴陀螺敏感质量块两侧设置第一正交梁、第二正交梁、第三正交梁、第四正交梁并与支撑框架吻合连接；

在Y轴陀螺敏感质量块两侧设置第五正交梁、第八正交梁、第六正交梁、第七正交梁并与支撑框架吻合连接；

在Z轴陀螺敏感质量块前、后部设置第一驱动组合梁、第四驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁并与支撑框架吻合连接。

进一步地，在第一隧道磁阻元件两侧对称设置X轴陀螺第一信号线两侧、X轴陀螺第二信号线，在第二隧道磁阻元件对称设置Y轴陀螺第一信号线、Y轴陀螺第二信号线，在第三隧道磁阻元件后部对称设置Z轴陀螺第一信号线、Z轴陀螺第二信号线。

进一步地，在所述支撑框架上对称分布设置第一座槽、第二座槽、第三座槽，在第一座槽中设置X轴陀螺敏感质量块、第一正交梁、第二正交梁、第三正交梁、第四正交梁，并通过各正交梁与支撑框架吻合连接；

在第二座槽中设置Y轴陀螺敏感质量块、第五正交梁、第六正交梁、第七正交梁、第八正交梁，并通过各正交梁与支撑框架吻合连接；

在第三座槽中设置Z轴陀螺敏感质量块、第一驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁、第四驱动组合梁、第一检测组合梁、第二检测组合梁、第三检测组合梁、第四检测组合梁，并通过各驱动组合梁与支撑框架吻合连接。

进一步地，所述第一正交梁、第二正交梁、第三正交梁、第四正交梁均为正交梁结构，所述正交梁设置于X轴陀螺的四个边角处，正交梁由X轴陀螺第一驱动梁、X轴陀螺第二驱动梁、X轴陀螺检测梁和X轴连接块组成，所述X轴陀螺第一驱动梁、X轴陀螺第二驱动梁呈细长梁结构，宽度小于其长度，且与X轴连接块和X轴陀螺敏感质量块连接；

所述X轴陀螺检测梁呈扁平梁结构，厚度小于其宽度，且与X轴连接块和支撑框架相连；所述X轴连接块为长方体，厚度与X轴陀螺敏感质量块厚度一致，用于连接X轴陀螺第一驱动梁、X轴陀螺第二驱动梁与X轴陀螺检测梁。

进一步地，所述第一驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁、第四驱动组合梁均为驱动组合梁结构，所述驱动组合梁设置于Z轴陀螺驱动机构的四个边角，各驱动组合梁由Z轴陀螺第一驱动梁、Z轴陀螺第二驱动梁和Z轴陀螺驱动连接块组成，在Z轴陀螺驱动连接块的两侧设置Z轴陀螺第一驱动梁和Z轴陀螺第二驱动梁，且同一个连接块左右两侧设置的两个驱动梁相互平行，所述Z轴陀螺驱动连接块呈“T”形，厚度与各驱动梁和各敏感质量块的厚度一致，Z轴陀螺驱动连接块用于连接Z轴陀螺第一驱动梁、Z轴陀螺第二驱动梁和支撑框架，所述Z轴陀螺第一驱动梁、Z轴陀螺第二驱动梁呈“细长梁”结构，即梁的长度大于它的宽度，用于连接Z轴陀螺驱动机构和Z轴陀螺驱动连接块。

进一步地，所述第一检测组合梁、第二检测组合梁、第三检测组合梁、第四检测组合梁都为检测组合梁结构，所述检测组合梁设置于Z轴陀螺敏感质量块的四个边角，各检测组合梁由Z轴陀螺第一检测梁、Z轴陀螺第二检测梁和Z轴陀螺检测连接块组成，在Z轴陀螺检测连接块的左、右两侧设置Z轴陀螺第一检测梁和Z轴陀螺第二检测梁，且同一个连接块左右两侧设置的两个检测梁相互平行，所述Z轴陀螺检测连接块呈“T”形，厚度与各检测梁和各敏感质量块的厚度一致，Z轴陀螺检测连接块用于连接Z轴陀螺第一检测梁、Z轴陀螺第二检测梁和Z轴陀螺驱动机构，所述Z轴陀螺第一检测梁、Z轴陀螺第二检测梁呈“细长梁”结构，即梁的长度大于它的宽度，用于连接Z轴陀螺敏感质量块和Z轴陀螺检测连接块。

进一步地，所述X轴陀螺上端两侧分别设置X轴陀螺第一电极，X轴陀螺下端两侧分别设置X轴陀螺第二电极；

所述X轴陀螺驱动反馈电极靠近所述X轴陀螺第二电极上方设置，所述X轴陀螺第一驱动导线连接两端的X轴陀螺第一电极，所述X轴陀螺第二驱动导线连接两端的X轴陀螺第二电极，所述X轴陀螺驱动反馈导线连接两端的X轴陀螺驱动反馈电极；

所述Y轴陀螺两侧分别设置所述Y轴陀螺第一电极，所述Y轴陀螺下端两侧分别设置Y轴陀螺第二电极，所述Y轴陀螺驱动反馈电极靠近所述Y轴陀螺第一电极设置，所述Y轴陀螺第一驱动导线连接两端的Y轴陀螺第一电极，所述Y轴陀螺第二驱动导线连接两端的Y轴陀螺第二电极，所述Y轴陀螺驱动反馈导线连接两端的Y轴陀螺驱动反馈电极；

所述Z轴陀螺上端两侧分别设置Z轴陀螺第一电极，所述Z轴陀螺下端两侧分别设置所述Z轴陀螺第二电极，所述Z轴陀螺驱动反馈电极靠近所述Z轴陀螺第一电极设置，所述Z轴陀螺第一驱动导线连接两端的Z轴陀螺第一电极，所述Z轴陀螺第二驱动导线连接两端的Z轴陀螺第二电极，所述Z轴陀螺驱动反馈导线连接两端的Z轴陀螺驱动反馈电极。

进一步地，所述第一隧道磁阻元件、第二隧道磁阻元件、第三隧道磁阻元件分别设置于凹槽的右部、左部、中部，各隧道磁阻元件为多层纳米膜结构；

所述多层纳米膜结构包括衬底层、磁性自由层、绝缘层、磁性钉扎层、顶电极层和底电极层，在顶电极层和底电极层设置X轴陀螺第一信号线、X轴陀螺第二信号线、Y轴陀螺第一信号线、Y轴陀螺第二信号线、Z轴陀螺第一信号线、Z轴陀螺第二信号线，通过X轴陀螺第一信号线、X轴陀螺第二信号线、Y轴陀螺第一信号线、Y轴陀螺第二信号线、Z轴陀螺第一信号线、Z轴陀螺第二信号线将第一隧道磁阻元件、第二隧道磁阻元件、第三隧道磁阻元件所检测出的信号与外部处理电路连接。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，此陀螺是采用整体结构设计，以键合基板为载体，在支撑框架左、中、右对称设置Y轴陀螺、Z轴陀螺、X轴陀螺，并与支撑框架吻合连接，在凹槽左、中、右对称位置设置结构一样的三个隧道磁阻元件，在敏感质量块上设置检测磁体，并与凹槽上部设置的隧道磁阻一一对应，驱动组合梁由驱动梁和连接块组成，检测组合梁由检测梁和连接块组成，隧道磁阻元件由衬底层、磁性自由层、绝缘层、磁性钉扎层、顶电极层、底电极层组成，此陀螺结构整体体积小、集成度高、制作成本低、使用方便、可靠性好，适合微型化。

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为整体结构示意图；

图2为整体结构俯视图；

图3为整体结构前视图；

图4为键合基板结构图；

图5为键合基板俯视图；

图6为支撑框架结构图；

图7为支撑框架俯视图；

图8为X轴陀螺结构图

图9为X轴陀螺俯视图

图10为X轴陀螺正交梁结构图

图11为X轴陀螺正交梁俯视图

图12为X轴陀螺正交梁前视图

图13为X轴陀螺敏感质量块结构图

图14为X轴陀螺敏感质量块俯视图

图15为Y轴陀螺结构图

图16为Y轴陀螺俯视图

图17为Y轴陀螺正交梁结构图

图18为Y轴陀螺正交梁俯视图

图19为Y轴陀螺正交梁前视图

图20为Y轴陀螺敏感质量块结构图

图21为Y轴陀螺敏感质量块俯视图

图22为Z轴陀螺结构图

图23为Z轴陀螺俯视图

图24为Z轴陀螺驱动机构结构图

图25为Z轴陀螺驱动机构俯视图

图26为Z轴陀螺驱动梁结构图

图27为Z轴陀螺驱动梁俯视图

图28为Z轴陀螺驱动梁前视图

图29为Z轴陀螺检测机构结构图

图30为Z轴陀螺检测机构俯视图

图31为Z轴陀螺检测梁结构图

图32为Z轴陀螺检测梁俯视图

图33为Z轴陀螺检测梁侧视图

图34为检测磁体与隧道磁阻元件位置剖视图

图35为检测磁体与隧道磁阻元件位置正视图

图36为陀螺导线和电极示意图

图37为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-X轴陀螺敏感质量块；3-Y轴陀螺敏感质量块；4-Z轴陀螺敏感质量块；5-第一正交梁；6-第二正交梁；7-第三正交梁；8-第四正交梁；9-第五正交梁；10-第六正交梁；11-第七正交梁；12-第八正交梁；13-第一驱动组合梁；14-第二驱动组合梁；15-第三驱动组合梁；16-第四驱动组合梁；17-第一检测组合梁；18-第二检测组合梁；19-第三检测组合梁；20-第四检测组合梁；21-第一检测磁体；22-第二检测磁体；23-第三检测磁体；24-第一座槽；25-第二座槽；26-第三座槽；27-X轴陀螺第一驱动梁；28-X轴陀螺第二驱动梁；29-X轴陀螺检测梁；30-X轴连接块；31-Y轴陀螺第一驱动梁；32-Y轴陀螺第二驱动梁；33-Y轴陀螺检测梁；34-Y轴陀螺连接块；35-Z轴陀螺第一驱动梁；36-Z轴陀螺第二驱动梁；37-Z轴陀螺驱动连接块；38-Z轴陀螺第一检测梁；39-Z轴陀螺第二检测梁；40-Z轴陀螺检测连接块；41-X轴陀螺第一运动空间；42-X轴陀螺第二运动空间；43-X轴陀螺第三运动空间；44-X轴陀螺第四运动空间；45-Y轴陀螺第一运动空间；46-Y轴陀螺第二运动空间；47-Y轴陀螺第三运动空间；48-Y轴陀螺第四运动空间；49-键合基板；50-X轴陀螺第一驱动磁体；51-X轴陀螺第二驱动磁体；52-Y轴陀螺第一驱动磁体；53-Y轴陀螺第二驱动磁体；54-Z轴陀螺第一驱动磁体；55-Z轴陀螺第二驱动磁体；56-第一隧道磁阻元件；57-第二隧道磁阻元件；58-第三隧道磁阻元件；59-X轴陀螺第一信号线；60-X轴陀螺第二信号线；61-Y轴陀螺第一信号线；62-Y轴陀螺第二信号线；63-Z轴陀螺第一信号线；64-Z轴陀螺第二信号线；65-X轴陀螺第一驱动导线；66-X轴陀螺第二驱动导线；67-X轴陀螺驱动反馈导线；68-X轴陀螺第一驱动电极；69-X轴陀螺第二驱动电极；70-X轴陀螺驱动反馈电极；71-Y轴陀螺第一驱动导线；72-Y轴陀螺第二驱动导线；73-Y轴陀螺驱动反馈导线；74-Y轴陀螺第一驱动电极；75-Y轴陀螺第二驱动电极；76-Y轴陀螺驱动反馈电极；77-Z轴陀螺第一驱动导线；78-Z轴陀螺第二驱动导线；79-Z轴陀螺驱动反馈导线；80-Z轴陀螺第一驱动电极；81-Z轴陀螺第二驱动电极；82-Z轴陀螺驱动反馈电极；83-衬底层；84-底电极层；85-磁性钉扎层；86-绝缘层；87-磁性自由层；88-顶电极层；89-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，为本发明实施例的结构示意图，所述单片集成三轴陀螺包括键合基板49、支撑框架1、X轴陀螺敏感质量块2、Y轴陀螺敏感质量块3、Z轴陀螺敏感质量块4、第一正交梁5、第二正交梁6、第三正交梁7、第四正交梁8、第五正交梁9、第六正交梁10、第七正交梁11、第八正交梁12、第一驱动组合梁13、第二驱动组合梁14、第三驱动组合梁15、第四驱动组合梁16、第一检测组合梁17、第二检测组合梁18、第三检测组合梁19、第四检测组合梁20、X轴陀螺第一驱动磁体50、X轴陀螺第二驱动磁体51、Y轴陀螺第一驱动磁体52、Y轴陀螺第一驱动磁体53、Z轴陀螺第一驱动磁体54、Z轴陀螺第一驱动磁体55、第一检测磁体21、第二检测磁体22、第三检测磁体23、第一隧道磁阻元件56、第二隧道磁阻元件57、第三隧道磁阻元件58、X轴陀螺第一信号线59、X轴陀螺第二信号线60、Y轴陀螺第一信号线61、Y轴陀螺第二信号线62、Z轴陀螺第一信号线63、Z轴陀螺第二信号线64组成，在键合基板49上方设置支撑框架1，并粘结固牢，在支撑框架1的左、中、右三个位置设置Y轴陀螺敏感质量块3、Z轴陀螺敏感质量块4、X轴陀螺敏感质量块2，在X轴陀螺敏感质量块2左、右部设置第一正交梁5、第二正交梁6、第三正交梁7、第四正交梁8并与支撑框架1吻合连接，在Y轴陀螺敏感质量块3前、后部设置第五正交梁9、第八正交梁12、第六正交梁10、第七正交梁11并与支撑框架1吻合连接，在Z轴陀螺敏感质量块4前、后部设置第一驱动组合梁13、第四驱动组合梁16、第二驱动组合梁14、第三驱动组合梁15并与支撑框架1吻合连接，在Z轴陀螺敏感质量块4左、右部设置第一检测组合梁17、第二检测组合梁18、第三检测组合梁19、第四检测组合梁20并与Z轴陀螺驱动机构吻合连接，在X轴陀螺敏感质量块2、Y轴陀螺敏感质量块3、Z轴陀螺敏感质量块4的上方中间位置设置第一检测磁体21、第二检测磁体22、第三检测磁体23，并粘结固牢。

如图4、5所示，为键合基板结构图，键合基板49整体结构为矩形，由半导体材料制成，中间经工艺加工刻蚀有一矩形凹槽89，在凹槽89的左、中、右部对称设置第二隧道磁阻元件57、第三隧道磁阻元件58、第一隧道磁阻元件56，并粘结固牢，且凹槽89的深度大于各隧道磁阻元件的厚度，在第一隧道磁阻元件56的前、后部对称设置X轴陀螺第一驱动磁体50、X轴陀螺第二驱动磁体51，并粘结固牢，在第二隧道磁阻元件57的左、右部对称设置Y轴陀螺第一驱动磁体52、Y轴陀螺第二驱动磁体53，并粘结固牢，在第三隧道磁阻元件58的左、右部对称设置Z轴陀螺第一驱动磁体54、Z轴陀螺第二驱动磁体55，并粘结固牢，在第一隧道磁阻元件56右部对称设置X轴陀螺第一信号线59、X轴陀螺第二信号线60，在第二隧道磁阻元件57后部对称设置Y轴陀螺第一信号线61、Y轴陀螺第二信号线62，在第三隧道磁阻元件58后部对称设置Z轴陀螺第一信号线63、Z轴陀螺第二信号线64，X轴陀螺第一信号线59、X轴陀螺第二信号线60、Y轴陀螺第一信号线61、Y轴陀螺第二信号线62、Z轴陀螺第一信号线63、Z轴陀螺第二信号线64均为金线，用于将各隧道磁阻检测出的信号引出。

如图6、7所示，为支撑框架结构图，支撑框架1位于键合基板49上，与键合基板49长宽尺寸一致，在支撑框架1的左、中、右部设置第二座槽25、第三座槽26、第一座槽24，呈方形槽，在第一座槽24中设置X轴陀螺敏感质量块2、第一正交梁5、第二正交梁6、第三正交梁7、第四正交梁8，并通过各正交梁与支撑框架1吻合连接，在第二座槽25中设置Y轴陀螺敏感质量块3、第五正交梁9、第六正交梁10、第七正交梁11、第八正交梁12，并通过各正交梁与支撑框架1吻合连接，在第三座槽26中设置Z轴陀螺敏感质量块4、第一驱动组合梁13、第二驱动组合梁14、第三驱动组合梁15、第四驱动组合梁16、第一检测组合梁17、第二检测组合梁18、第三检测组合梁19、第四检测组合梁20，并通过各驱动组合梁与支撑框架1吻合连接。

如图8、9所示，为X轴陀螺结构图，所述X轴陀螺由X轴陀螺敏感质量块2、第一正交梁5、第二正交梁6、第三正交梁7、第四正交梁8组成，在X轴陀螺敏感质量块2上方中间位置设置第一检测磁体21，所述第一正交梁5、第二正交梁6、第三正交梁7、第四正交梁8，共4个，结构尺寸一样，设置于所述X轴陀螺的四个边角处。

如图10、11、12所示，为X轴陀螺正交梁结构图，所述正交梁由X轴陀螺第一驱动梁27、X轴陀螺第二驱动梁28、X轴陀螺检测梁29和X轴陀螺连接块30组成，所述X轴陀螺第一驱动梁27、X轴陀螺第二驱动梁28呈细长梁结构，宽度远小于其长度，且与X轴陀螺连接块30和X轴陀螺敏感质量块2连接，所述X轴陀螺检测梁29呈扁平梁结构，厚度远小于其宽度，且与X轴陀螺连接块30和支撑框架1相连；所述X轴陀螺连接块30为长方体，厚度与X轴陀螺敏感质量块2厚度一致，用于连接X轴陀螺第一驱动梁27、X轴陀螺第二驱动梁28与X轴陀螺检测梁29。

如图13、14所示，为X轴陀螺敏感质量块结构图，在X轴陀螺敏感质量块2的左、右两侧对称设置X轴陀螺第一运动空间41、X轴陀螺第二运动空间42、X轴陀螺第三运动空间43、X轴陀螺第四运动空间44，X轴陀螺第一运动空间41、X轴陀螺第二运动空间42、X轴陀螺第三运动空间43、X轴陀螺第四运动空间44用于设置第一正交梁5、第二正交梁6、第三正交梁7、第四正交梁8。

如图15、16所示，为Y轴陀螺结构图，所述Y轴陀螺由Y轴陀螺敏感质量块3、第五正交梁9、第六正交梁10、第七正交梁11、第八正交梁12组成，在Y轴陀螺敏感质量块3上方中间位置设置第二检测磁体22，所述第五正交梁9、第六正交梁10、第七正交梁11、第八正交梁12，共4个，结构尺寸一样，设置于所述Y轴陀螺的四个边角处。

如图17、18、19所示，为Y轴陀螺正交梁结构图，所述正交梁由Y轴陀螺第一驱动梁31、Y轴陀螺第二驱动梁32、Y轴陀螺检测梁33和Y轴陀螺连接块34组成，所述Y轴陀螺第一驱动梁31、Y轴陀螺第二驱动梁32呈细长梁结构，宽度远小于其长度，且与Y轴陀螺连接块34和Y轴陀螺敏感质量块3连接，所述Y轴陀螺检测梁33呈扁平梁结构，厚度远小于其宽度，且与Y轴陀螺连接块34和支撑框架1相连；所述Y轴陀螺连接块34为长方体，厚度与Y轴陀螺敏感质量块3厚度一致，用于连接Y轴陀螺第一驱动梁31、Y轴陀螺第二驱动梁32与Y轴陀螺检测梁33。

如图20、21所示，为Y轴陀螺敏感质量块结构图，在Y轴陀螺敏感质量块3的前、后两侧对称设置Y轴陀螺第一运动空间45、Y轴陀螺第四运动空间48、Y轴陀螺第二运动空间46、Y轴陀螺第三运动空间47，Y轴陀螺第一运动空间45、Y轴陀螺第二运动空间46、Y轴陀螺第三运动空间47、Y轴陀螺第四运动空间48用于设置第五正交梁9、第六正交梁10、第七正交梁11、第八正交梁12。

如图22、23所示，为Z轴陀螺结构图，所述Z轴陀螺由Z轴陀螺敏感质量块4、第一驱动组合梁13、第二驱动组合梁14、第三驱动组合梁15、第四驱动组合梁16、第一检测组合梁17、第二检测组合梁18、第三检测组合梁19、第四检测组合梁20组成，在Z轴陀螺敏感质量块4上方中间位置设置第三检测磁体23，所述第一驱动组合梁13、第二驱动组合梁14、第三驱动组合梁15、第四驱动组合梁16，共4个，结构尺寸一样，设置于所述Z轴陀螺的四个边角处，所述第一检测组合梁17、第二检测组合梁18、第三检测组合梁19、第四检测组合梁20，共四个，结构尺寸一样，对称设置于Z轴陀螺敏感质量块的前、后部。

如图24、25所示，为Z轴陀螺驱动机构结构图，所述Z轴陀螺驱动机构由第一驱动组合梁13、第二驱动组合梁14、第三驱动组合梁15、第四驱动组合梁16组成，设置于Z轴陀螺驱动机构四个边角处。

如图26、27、28所示，为Z轴陀螺驱动梁结构图，第一驱动组合梁13、第二驱动组合梁14、第三驱动组合梁15、第四驱动组合梁16，共4个，结构尺寸一样，所述驱动组合梁设置于Z轴陀螺驱动机构的四个边角，各驱动组合梁由Z轴陀螺第一驱动梁35、Z轴陀螺第二驱动梁36和Z轴陀螺驱动连接块37组成，在Z轴陀螺驱动连接块37的左、右两侧设置Z轴陀螺第一驱动梁35和Z轴陀螺第二驱动梁36，且同一个连接块左右两侧设置的两个驱动梁相互平行，所述Z轴陀螺驱动连接块37呈“T”形，厚度与各驱动梁和各敏感质量块的厚度一致，Z轴陀螺驱动连接块37用于连接Z轴陀螺第一驱动梁35、Z轴陀螺第二驱动梁36和支撑框架1，所述Z轴陀螺第一驱动梁35、Z轴陀螺第二驱动梁36呈“细长梁”结构，即梁的长度远大于它的宽度，用于连接Z轴陀螺驱动机构和Z轴陀螺驱动连接块37。

如图29、30所示，为Z轴陀螺检测机构结构图，所述Z轴陀螺检测机构由Z轴陀螺敏感质量块4、第一检测组合梁17、第二检测组合梁18、第三检测组合梁19、第四检测组合梁20组成，第一检测组合梁17、第二检测组合梁18、第三检测组合梁19、第四检测组合梁20对称设置于Z轴陀螺敏感质量块4前、后部。

如图31、32、33所示，为Z轴陀螺检测梁结构图，第一检测组合梁17、第二检测组合梁18、第三检测组合梁19、第四检测组合梁20，共4个，结构尺寸一样，所述检测组合梁设置于Z轴陀螺敏感质量块4的四个边角，各检测组合梁由Z轴陀螺第一检测梁38、Z轴陀螺第二检测梁39和Z轴陀螺检测连接块40组成，在Z轴陀螺检测连接块40的左、右两侧设置Z轴陀螺第一检测梁38和Z轴陀螺第二检测梁39，且同一个连接块左右两侧设置的两个检测梁相互平行，所述Z轴陀螺检测连接块40呈“T”形，厚度与各检测梁和各敏感质量块的厚度一致，Z轴陀螺检测连接块40用于连接Z轴陀螺第一检测梁38、Z轴陀螺第二检测梁39和Z轴陀螺驱动机构，所述Z轴陀螺第一检测梁38、Z轴陀螺第二检测梁39呈“细长梁”结构，即梁的长度远大于它的宽度，用于连接Z轴陀螺敏感质量块4和Z轴陀螺检测连接块40。

如图34、35所示，为检测磁体与隧道磁阻元件位置图，在X轴陀螺敏感质量块2、Y轴陀螺敏感质量块3、Z轴陀螺敏感质量块4上方分别设置第一检测磁体21、第二检测磁体22、第三检测磁体23，并与下方键合基板49上部设置的第一隧道磁阻元件56、第二隧道磁阻元件57、第三隧道磁阻元件58相对应，具体以X轴陀螺敏感质量块2为例，在X陀螺敏感质量块2的上方中间位置设置第一检测磁体21，通过第一正交梁5、第二正交梁6、第三正交梁7、第四正交梁8与支撑框架1连接，并粘结固牢，在凹槽89右部设置有第一隧道磁阻元件56，第一隧道磁阻元件56位于凹槽X轴上，并与X轴陀螺敏感质量块2上方设置的第一检测磁体21相对应，第一隧道磁阻元件56具体位于第一检测磁体21产生的高磁场变化率区域，且第一检测磁体21可与第一隧道磁阻元件56互换位置。

如图36所示，为陀螺导线和电极示意图，电极包含驱动电极、驱动反馈电极，电极成对存在，导线包含驱动导线、驱动反馈导线，所述X轴陀螺第一电极68分别设置在所述X轴陀螺上端的左右两侧，所述X轴陀螺第二电极69分别设置在所述X轴陀螺下端的左右两侧，所述X轴陀螺驱动反馈电极70靠近所述X轴陀螺第二电极69设置，所述X轴陀螺第一驱动导线65连接两端的X轴陀螺第一电极68，所述X轴陀螺第二驱动导线66连接两端的X轴陀螺第二电极69，所述X轴陀螺驱动反馈导线67连接两端的X轴陀螺驱动反馈电极70。所述Y轴陀螺第一电极74分别设置在所述Y轴陀螺左侧的上下两端，所述Y轴陀螺第二电极75分别设置在所述Y轴陀螺右侧的上下两端，所述Y轴陀螺驱动反馈电极76靠近所述Y轴陀螺第一电极74设置，所述Y轴陀螺第一驱动导线71连接两端的Y轴陀螺第一电极74，所述Y轴陀螺第二驱动导线72连接两端的Y轴陀螺第二电极75，所述Y轴陀螺驱动反馈导线73连接两端的Y轴陀螺驱动反馈电极76。所述Z轴陀螺第一电极80分别设置在所述Z轴陀螺左侧的上下两端，所述Z轴陀螺第二电极81分别设置在所述Z轴陀螺右侧的上下两端，所述Z轴陀螺驱动反馈电极82靠近所述Z轴陀螺第一电极80设置，所述Z轴陀螺第一驱动导线77连接两端的Z轴陀螺第一电极80，所述Z轴陀螺第二驱动导线78连接两端的Z轴陀螺第二电极81，所述Z轴陀螺驱动反馈导线79连接两端的Z轴陀螺驱动反馈电极82。

如图37所示，为隧道磁阻元件纳米多层膜结构，在半导体材料衬底层83上自上而下依次排布为顶电极层88、磁性自由层87、绝缘层86、磁性钉扎层85、底电极层84，当外界磁场发生变化时，第一隧道磁阻元件56、第二隧道磁阻元件57、第三隧道磁阻元件58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88和底电极层84将检测信号输出。

发明原理

X轴陀螺属于离面检测单轴陀螺，微陀螺结构放置在由驱动磁体产生的匀强磁场中，在驱动导线上加载交变驱动电流，产生交变洛伦兹力，X轴陀螺敏感质量块在该驱动力的作用下沿Y轴方向往复振动，当受到X轴方向的角速度输入时，X轴陀螺敏感质量块在柯氏力的作用下沿Z轴方向运动，X轴陀螺敏感质量块带动第一检测磁体在第一隧道磁阻元件上方做平行移动，使第一隧道磁敏电阻敏感到的磁场发生相对较大变化，磁场变化引起第一隧道磁敏电阻中自旋相关的隧穿电流发生变化，从而导致第一隧道磁敏电阻的阻值发生剧烈变化，通过测量阻值变化能够实现X轴角速度的检测。

Y轴陀螺属于离面检测单轴陀螺，微陀螺结构放置在由驱动磁体产生的匀强磁场中，在驱动导线上加载交变驱动电流，产生交变洛伦兹力，Y轴陀螺敏感质量块在该驱动力的作用下沿X轴方向往复振动，当受到Y轴方向的角速度输入时，Y轴陀螺敏感质量块在柯氏力的作用下沿Z轴方向运动，Y轴陀螺敏感质量块带动第二检测磁体在第二隧道磁阻元件上方做平行移动，使第二隧道磁敏电阻敏感到的磁场发生相对较大变化，磁场变化引起第二隧道磁敏电阻中自旋相关的隧穿电流发生变化，从而导致第二隧道磁敏电阻的阻值发生剧烈变化，通过测量阻值变化能够实现Y轴角速度的检测。

Z轴陀螺属于面内检测单轴陀螺，微陀螺结构放置在由驱动磁体产生的匀强磁场中，在驱动导线上加载交变驱动电流，产生交变洛伦兹力，Z轴陀螺陀螺驱动机构在该驱动力的作用下沿X轴方向往复振动，当受到Z轴方向的角速度输入时，Z轴陀螺检测机构在柯氏力的作用下沿Y轴方向运动，Z轴陀螺敏感质量块带动第三检测磁体在第三隧道磁阻元件上方做平行移动，使第三隧道磁敏电阻敏感到的磁场发生相对较大变化，磁场变化引起第三隧道磁敏电阻中自旋相关的隧穿电流发生变化，从而导致第三隧道磁敏电阻的阻值发生剧烈变化，通过测量阻值变化能够实现Z轴角速度的检测。

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 (10)

1.一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，其特征在于，所述单片集成三轴陀螺包括键合基板、支撑框架、X轴陀螺敏感质量块、Y轴陀螺敏感质量块、Z轴陀螺敏感质量块、第一隧道磁阻元件、第二隧道磁阻元件、第三隧道磁阻元件；

在所述键合基板上设置至少三个用于提供运动空间的凹槽，在凹槽内对称设置所述第一隧道磁阻元件、第二隧道磁阻元件、第三隧道磁阻元件，构成单片集成三轴陀螺；

在所述键合基板上方设置支撑框架，在支撑框架上中间设置Z轴陀螺敏感质量块，并在Z轴陀螺敏感质量块的两侧位置分别设置X轴陀螺敏感质量块、及Y轴陀螺敏感质量块。

2.根据权利要求1所述一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，其特征在于，在第一隧道磁阻元件的两侧对称设置X轴陀螺第一驱动磁体、X轴陀螺第二驱动磁体，并粘结固牢；

在第二隧道磁阻元件的两侧对称设置Y轴陀螺第一驱动磁体、Y轴陀螺第二驱动磁体，并粘结固牢；

在第三隧道磁阻元件的两侧对称设置Z轴陀螺第一驱动磁体、Z轴陀螺第二驱动磁体，并粘结固牢。

3.根据权利要求1所述一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，其特征在于，在X轴陀螺敏感质量块两侧设置第一正交梁、第二正交梁、第三正交梁、第四正交梁并与支撑框架吻合连接；

在Y轴陀螺敏感质量块两侧设置第五正交梁、第八正交梁、第六正交梁、第七正交梁并与支撑框架吻合连接；

在Z轴陀螺敏感质量块前、后部设置第一驱动组合梁、第四驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁并与支撑框架吻合连接。

4.根据权利要求1所述一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，其特征在于，在第一隧道磁阻元件两侧对称设置X轴陀螺第一信号线两侧、X轴陀螺第二信号线，在第二隧道磁阻元件对称设置Y轴陀螺第一信号线、Y轴陀螺第二信号线，在第三隧道磁阻元件后部对称设置Z轴陀螺第一信号线、Z轴陀螺第二信号线。

5.根据权利要求1所述一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，其特征在于，在所述支撑框架上对称分布设置第一座槽、第二座槽、第三座槽，在第一座槽中设置X轴陀螺敏感质量块、第一正交梁、第二正交梁、第三正交梁、第四正交梁，并通过各正交梁与支撑框架吻合连接；

在第二座槽中设置Y轴陀螺敏感质量块、第五正交梁、第六正交梁、第七正交梁、第八正交梁，并通过各正交梁与支撑框架吻合连接；

在第三座槽中设置Z轴陀螺敏感质量块、第一驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁、第四驱动组合梁、第一检测组合梁、第二检测组合梁、第三检测组合梁、第四检测组合梁，并通过各驱动组合梁与支撑框架吻合连接。

6.根据权利要求5所述一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，其特征在于，所述第一正交梁、第二正交梁、第三正交梁、第四正交梁均为正交梁结构，所述正交梁设置于X轴陀螺的四个边角处，正交梁由X轴陀螺第一驱动梁、X轴陀螺第二驱动梁、X轴陀螺检测梁和X轴连接块组成，所述X轴陀螺第一驱动梁、X轴陀螺第二驱动梁呈细长梁结构，宽度小于其长度，且与X轴连接块和X轴陀螺敏感质量块连接；

所述X轴陀螺检测梁呈扁平梁结构，厚度小于其宽度，且与X轴连接块和支撑框架相连；所述X轴连接块为长方体，厚度与X轴陀螺敏感质量块厚度一致，用于连接X轴陀螺第一驱动梁、X轴陀螺第二驱动梁与X轴陀螺检测梁。

7.根据权利要求5所述一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，其特征在于，所述第一驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁、第四驱动组合梁均为驱动组合梁结构，所述驱动组合梁设置于Z轴陀螺驱动机构的四个边角，各驱动组合梁由Z轴陀螺第一驱动梁、Z轴陀螺第二驱动梁和Z轴陀螺驱动连接块组成，在Z轴陀螺驱动连接块的两侧设置Z轴陀螺第一驱动梁和Z轴陀螺第二驱动梁，且同一个连接块左右两侧设置的两个驱动梁相互平行，所述Z轴陀螺驱动连接块呈“T”形，厚度与各驱动梁和各敏感质量块的厚度一致，Z轴陀螺驱动连接块用于连接Z轴陀螺第一驱动梁、Z轴陀螺第二驱动梁和支撑框架，所述Z轴陀螺第一驱动梁、Z轴陀螺第二驱动梁呈“细长梁”结构，即梁的长度大于它的宽度，用于连接Z轴陀螺驱动机构和Z轴陀螺驱动连接块。

8.根据权利要求5所述一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，其特征在于，所述第一检测组合梁、第二检测组合梁、第三检测组合梁、第四检测组合梁都为检测组合梁结构，所述检测组合梁设置于Z轴陀螺敏感质量块的四个边角，各检测组合梁由Z轴陀螺第一检测梁、Z轴陀螺第二检测梁和Z轴陀螺检测连接块组成，在Z轴陀螺检测连接块的左、右两侧设置Z轴陀螺第一检测梁和Z轴陀螺第二检测梁，且同一个连接块左右两侧设置的两个检测梁相互平行，所述Z轴陀螺检测连接块呈“T”形，厚度与各检测梁和各敏感质量块的厚度一致，Z轴陀螺检测连接块用于连接Z轴陀螺第一检测梁、Z轴陀螺第二检测梁和Z轴陀螺驱动机构，所述Z轴陀螺第一检测梁、Z轴陀螺第二检测梁呈“细长梁”结构，即梁的长度大于它的宽度，用于连接Z轴陀螺敏感质量块和Z轴陀螺检测连接块。

9.根据权利要求6所述一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，其特征在于，所述X轴陀螺上端两侧分别设置X轴陀螺第一电极，X轴陀螺下端两侧分别设置X轴陀螺第二电极；

所述X轴陀螺驱动反馈电极靠近所述X轴陀螺第二电极上方设置，所述X轴陀螺第一驱动导线连接两端的X轴陀螺第一电极，所述X轴陀螺第二驱动导线连接两端的X轴陀螺第二电极，所述X轴陀螺驱动反馈导线连接两端的X轴陀螺驱动反馈电极；

所述Y轴陀螺两侧分别设置所述Y轴陀螺第一电极，所述Y轴陀螺下端两侧分别设置Y轴陀螺第二电极，所述Y轴陀螺驱动反馈电极靠近所述Y轴陀螺第一电极设置，所述Y轴陀螺第一驱动导线连接两端的Y轴陀螺第一电极，所述Y轴陀螺第二驱动导线连接两端的Y轴陀螺第二电极，所述Y轴陀螺驱动反馈导线连接两端的Y轴陀螺驱动反馈电极；

所述Z轴陀螺上端两侧分别设置Z轴陀螺第一电极，所述Z轴陀螺下端两侧分别设置所述Z轴陀螺第二电极，所述Z轴陀螺驱动反馈电极靠近所述Z轴陀螺第一电极设置，所述Z轴陀螺第一驱动导线连接两端的Z轴陀螺第一电极，所述Z轴陀螺第二驱动导线连接两端的Z轴陀螺第二电极，所述Z轴陀螺驱动反馈导线连接两端的Z轴陀螺驱动反馈电极。

10.根据权利要求1所述一种基于隧道磁阻检测的单片集成三轴陀螺，其特征在于，所述第一隧道磁阻元件、第二隧道磁阻元件、第三隧道磁阻元件分别设置于凹槽的右部、左部、中部，各隧道磁阻元件为多层纳米膜结构；

所述多层纳米膜结构包括衬底层、磁性自由层、绝缘层、磁性钉扎层、顶电极层和底电极层，在顶电极层和底电极层设置X轴陀螺第一信号线、X轴陀螺第二信号线、Y轴陀螺第一信号线、Y轴陀螺第二信号线、Z轴陀螺第一信号线、Z轴陀螺第二信号线，通过X轴陀螺第一信号线、X轴陀螺第二信号线、Y轴陀螺第一信号线、Y轴陀螺第二信号线、Z轴陀螺第一信号线、Z轴陀螺第二信号线将第一隧道磁阻元件、第二隧道磁阻元件、第三隧道磁阻元件所检测出的信号与外部处理电路连接。

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