CN204730842U - 一种基于隧道磁阻效应的微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于隧道磁阻效应的微机械陀螺结构装置，主要结构包括：基板、垫衬框体，垫衬框体设在基板上方并与基板相连接；永磁体，永磁体设在基板与垫衬框体组合形成的矩形凹槽的中心位置；和微陀螺角速率敏感体，微陀螺角速率敏感体设在垫衬框体的上方并与垫衬框体相连接，且微陀螺角速率敏感体包括：对应设在矩形凹槽上方的灵敏测量体，灵敏测量体上表面设有隧道磁敏电阻且隧道磁敏电阻与永磁体位置对应。隧道磁敏电阻可随灵敏测量体沿垂直于所述永磁体上表面的方向振动。根据本实用新型的微机械陀螺采用整体结构设计，结构合理、紧凑，检测电路简单，使用方便、可靠性好、适合微型化。

Description

一种基于隧道磁阻效应的微机械陀螺

技术领域

本实用新型涉及微惯性导航技术相关领域，具体而言，涉及一种基于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电容式和压阻式，压阻式是基于高掺杂硅的压阻效应原理实现的，高掺杂硅形成的压敏器件对温度有较强的依赖性，其由压敏器件组成的电桥检测电路也会因温度变化引起灵敏度漂移；电容式精度的提高是利用增大电容面积，由于器件的微小型化，其精度因有效电容面积的缩小而难以提高。

微机械陀螺对角速度的测量是靠检测装置实现力电转换来完成的，其灵敏度、分辨率是十分重要的，由于陀螺仪微型化和集成化，检测的敏感区域随之减小，故而使检测的灵敏度、分辨率等指标已达到敏感区域检测的极限状态，从而限制了陀螺仪检测精度的进一步提高，很难满足现代军事、民用装备的需要。

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，由于在磁性钉扎层和磁性自由层之间的电流通过基于电子的隧穿效应，因此称这一多层膜结构称为磁性隧道结(MTJ,MagneticTunnel Junction)。这种磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下，其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层(磁性钉扎层和磁性自由层)磁化强度的相对取向。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，因此称为隧道磁电阻效应(TMR,TunnelingMagnetoresistance)。也就是说TMR磁传感器是利用磁场的变化来引起磁电阻变化，另一方面，我们可以通过观测TMR磁传感器的电阻变化来测量外磁场的变化。

实际的TMR器件及其制造工艺要远比以上三层膜结构复杂，但是就磁性传感器的应用来讲，我们可以认为TMR传感器就是一个电阻，只是TMR传感器的电阻值随外加磁场值的变化，其阻值发生改变，并且这种改变对于氧化铝Al₂O₃可达30～50％，对于氧化镁MgO可达200％，因此其输出相当可观，灵敏度非常高。正是由于TMR的这些优点，TMR已经在硬盘磁头这一对工作稳定性等各项性能要求极高的高精技术领域取代GMR磁头，因此TMR的性能已经经受了最为严格的考验.而随着TMR磁性传感器的大规模应用，其优异的性能将随着其产业化的发展，而渗透到传感器行业方面和应用领域，为很多传感器应用领域提供全新的技术解决方案。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种微机械陀螺，该微机械陀螺为基于隧道磁阻效应的微机械陀螺，可以提高微机械陀螺的检测精度。

本实用新型提供了一种微机械陀螺，其包括：

一种基于隧道磁阻效应的微机械陀螺，包括：键合基体、永磁体及微陀螺角速度敏感体，所述键合基体几何中心处具有一凹槽，所述永磁体设置在上述凹槽中心位置；所述微陀螺角速度敏感体设置在永磁体相反于键合基体的一侧，并所述微陀螺角速度敏感体固定在键合基体上；

所述微陀螺角速度敏感体包括对应设置在凹槽上方的灵敏测量体，所述灵敏测量体上表面设有隧道磁敏电阻、通孔及置梁槽，所述隧道磁敏电阻位于灵敏测量体上表面中心，并与永磁体位置对应，所述通孔及置梁槽均匀布置在隧道磁敏电阻四周；

所述的隧道磁敏电阻为多层膜结构，所述隧道磁敏电阻包括半导体材料衬底层上依次排布的第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层。

进一步地，所述键合基体包括基板及垫层框体，所述垫层框体为方形中空框体，所述垫层框体下侧与基板键合连接并且共同形成方形凹槽；所述的永磁体为多层结构。

进一步地，所述微陀螺角速率敏感体进一步包括：

定齿电极正极，所述的定齿电极正极为两个，分别置于垫衬框体左、右边框的上表面并粘结牢固，并且该正极上表面设定齿，并粘结牢固；

定齿电极负极，所述的定齿电极负极为灵敏测量体左、右两侧动齿的电极，所述定齿电极负极与定齿电极正极在同一平面，置于垫衬框体前、后边框上表面，粘结牢固，并且定齿电极负极的上表面设固定座，并粘结牢固；

组合梁，所述的组合梁由驱动梁、检测梁、连接块构成，用于连接固定座和灵敏测量体。

进一步地，所述的定齿电极正极上设有定齿的基座；所述的定齿电极负极上设有所述的固定座，固定座有前、后两个，分别置于两个定齿电极负极上表面，并通过组合梁与灵敏测量体相连接；所述灵敏测量体上表面的隧道磁敏电阻通过隧道磁敏电阻引出线与隧道磁敏电阻引线焊盘相连；所述灵敏测量体上表面两侧对称位置设有两根反馈导线，反馈导线端部经组合梁与固定座上表面的反馈导线引线焊盘相连接；固定座与组合梁相连接部位的上表面设有隧道磁敏电阻引线焊盘和反馈导线引线焊盘。

进一步地，所述的灵敏测量体为方形；所述的灵敏测量体前、后对称位置分别通过组合梁与固定座相连接；所述置梁槽设置在灵敏测量体的四角处，在所述灵敏测量体上设有隧道磁敏电阻及其引出线分布处分别设置通孔。

进一步地，所述的定齿与所述灵敏测量体两侧边缘的动齿交叉吻合。

进一步地，所述的组合梁呈回折形，驱动梁和检测梁通过连接块相连接，组合梁中形驱动梁的厚度与灵敏测量体的厚度相同，检测梁的厚度小于两侧形驱动梁。

根据本实用新型实施例的微机械陀螺，采用整体结构设计，结构设计紧凑合理，既能充分利用空间，又能抑制驱动对检测的影响，适合器件的自解耦和微型化。灵敏测量体上表面设有隧道磁敏电阻，其正对于基体上表面相应区域制作的永磁体，在微弱的磁场变化下隧道磁敏电阻的阻值会发生剧烈变化，该变化可以将微机械陀螺的灵敏度提高1-2个数量级。本设计的另一特点：由于此处永磁体作用是为隧道磁敏电阻提供稳定的非均匀磁场，因此，在铁磁性薄膜产生磁场效果不佳或稳定性不易控制的情况下可以考虑利用外置永磁体对铁磁性薄膜加以代替。除以上特点外，该微陀螺角速率敏感体的检测电路设计简单、使用方便、可靠性好，适合微型化。同时，本实用新型所应用计算公式计算获得的阻尼高度接近实际值，提高了微机械陀螺的准确度。

附图说明

图1为本实用新型微机械陀螺的整体结构图；

图2为本实用新型微机械陀螺的基体与垫衬框体组合体的立体结构图

图3为本实用新型实施例的整体结构的主视图；

图4为本实用新型实施例的微陀螺角速率敏感体立体结构图；

图5为本实用新型实施例的灵敏测量体的主视图；

图6为本实用新型实施例的基体与垫衬框体组合体的平面结构图；

图7为本实用新型实施例的组合梁立体结构图；

图8为本实用新型实施例的组合梁的三视图；

图9为本实用新型实施例的固定梳齿结构立体图；

图10为本实用新型实施例的隧道磁敏电阻基本结构图；

图中所示，附图标记清单如下：

1、基板，2、垫衬框体，3、灵敏测量体，4、永磁体，5、驱动梁，6、检测梁，7、连接块，8、定齿，9、微陀螺角速度敏感体9，21、方形凹槽，30、隧道磁敏电阻，31、通孔，32、支撑体，33、定齿支撑体，34、引出线，35、反馈导线，36、梳齿，37、动齿，38、组合梁，39、定齿电极正极，310、定齿电极负极，311、隧道磁敏电阻引线焊盘，312、反馈导线引线焊盘，313、置梁槽，314、动齿运动空间，41、衬底层，42、第一铁磁层，43、绝缘层，44、第二铁磁层。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，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，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

以下结合附图对本实用新型做进一步说明：

如图1-2所示，根据本实用新型的实施例的微机械陀螺，包括：基板1，垫衬框体2，永磁体4和微陀螺角速率敏感体。

具体而言，可以以基板1为载体，例如基板1可以由半导体材料制成，基板1中心位置设有用以提供非均匀磁场的永磁体4；并且基板1上设有方形中空垫衬框体2，该垫衬框体2与基板1共同形成可为灵敏测量体3提供运动空间的方形凹槽21，然后再在此凹槽中制作永磁体4。

微陀螺角速率敏感体可以设在垫衬框体2之上并与垫衬框体2粘结牢固，且微陀螺角速率敏感体包括对应设在方形凹槽21上方的灵敏测量体3。灵敏测量体3上表面设有隧道磁敏电阻6作为敏感部件，且隧道磁敏电阻6与永磁体4位置对应。隧道磁敏电阻6可随灵敏测量体3沿垂直于所述永磁体4上表面的方向振动。

根据本实用新型实施例的微机械陀螺，采用整体结构设计，结构设计合理紧凑，既能充分利用空间，又能抑制驱动对检测的影响，适合器件的自解耦和微型化。灵敏测量体3上表面制作有隧道磁敏电阻6，其正对于基板1上表面的永磁体4，在微弱的磁场变化下隧道磁敏电阻6的阻值会发生剧烈变化，该变化可将微机械陀螺的灵敏度提高1-2个数量级，此装置的检测电路设计简单、使用方便、可靠性好，适合微型化。

如图3所示，微陀螺角速率敏感体包括：灵敏测量体3、支撑体32、定齿5、隧道磁敏电阻6、隧道磁敏电阻引出线34、隧道磁敏电阻引线焊盘311、动齿9、反馈导线35、反馈导线引线焊盘312、定齿电机负极310、定齿电机正极39、组合梁38。

具体而言，定齿电机正极39可以为两个分别设在垫衬框体2左、右两侧边框上表面之上，并粘结牢固，并且两个定齿电机正极39上表面分别设有定齿5，并粘结牢固；定齿电机负极310为灵敏测量体3左、右两侧驱动梳齿的电极，可以为前、后两个，分别设在垫衬框体2前、后边框上表面之上，并粘结牢固，并且定齿电机负极310上表面分别设有支撑体32，并粘结牢固；灵敏测量体3可以通过组合梁38与固定座相连接；隧道磁敏电阻6为两根，可以设置在灵敏测量体3上表面的中间位置，且隧道磁敏电阻6呈形，二者结构相同交叉分布，且整体正对于基板1上表面制作的永磁体4；隧道磁敏电阻引出线34将隧道磁敏电阻6引出，末端经由回折形组合梁38与支撑体32上表面的隧道磁敏电阻引线焊盘311相连接；反馈导线35对称分布于灵敏测量体3的上表面，末端经由组合梁38与支撑体32上表面的反馈导线引线焊盘312相连接；动齿37均匀分布于灵敏测量体3的左、右两侧边缘，且与定齿5交叉吻合。

如图4-6所示，灵敏测量体3呈方形，通过组合梁38连接于支撑体32的内侧四角部位，正好内嵌于垫衬框体2与基板1形成的组合体方形凹槽21的中央位置。灵敏测量体3可以用半导体材料制作，在组合梁38的支撑下，灵敏测量体3可在垫衬框体2与基板1形成的组合体方形凹槽21中沿前、后、左、右、上、下方向自由振动。

所述基板与垫衬框体的组合体包括：垫衬框体2、基板1、永磁体4。垫衬框体2为方形框体，前后边框与梳齿电极负极以及固定座宽度相同，垫衬框体2的厚度视微陀螺角速率敏感体的检测量程和阻尼系数确定，基板1中间位置与灵敏测量体3上隧道磁敏电阻6正对处设有永磁体4，永磁体4的形状和面积根据隧道磁敏电阻6对磁场强度的强弱及分布需要情况而定。

如图7-8所示，组合梁38包括：驱动梁5、检测梁6、连接块7。组合梁38端部为连接块7，在连接块7的左右部对称设置有驱动梁5，在两驱动梁5之间为检测梁6，检测梁6端部接连接块7，三者为一体结构。驱动梁5与连接块7厚度相同，检测梁6的厚度小于驱动梁5和连接块7，连接块7、驱动梁5的厚度与灵敏测量体3的厚度相同。保证检测梁6在Z轴方向上的总刚度也远远小于驱动梁5在Z轴方向上的总刚度，可以实现微陀螺角速率敏感体在驱动方向、即X轴方向和检测方向、即Z轴方向上的自解耦。优选的，所述的组合梁呈回折形，驱动梁和检测梁通过连接块相连接，组合梁中形驱动梁的厚度与灵敏测量体的厚度相同，检测梁的厚度小于两侧形驱动梁。

如图9所示，定齿8包括：定齿支撑体33、梳齿36、动齿运动空间314，定齿支撑体33键合于定齿电机正极39之上，定齿8的一侧等间距设置梳齿36，梳齿36之间为动齿运动空间314，梳齿36、动齿运动空间314与灵敏测量体3上的动齿37交叉关联，定齿8与灵敏测量体的厚度相同。

如图10所示，隧道磁敏电阻30包括在半导体材料衬底层41(灵敏测量体3的上表面)上依次排布第一铁磁层42、绝缘层43、第二铁磁层44。需要说明的是，上述的隧道磁敏电阻30采用分子束外延技术设计制作，分子束外延是一种在半导体晶片上生长高质量的晶体薄膜的技术，在真空条件下，按晶体结构排列一层一层的生长在半导体材料衬底层41上，并形成纳米级膜层，逐层淀积，在沉积过程中，需要严格控制成膜的质量、厚度，以避免成膜的质量和厚度影响微机械陀螺的检测精度和灵敏度。

另外，根据本实用新型的永磁体4可以为多层结构。由此，可以更好地和隧道磁敏电阻30配合使用，所述永磁体4可以包括在基板1的上表面依次排布的多层铁磁材料纳米膜制作而成。需要说明的是，上述的永磁体4可以采用通过分子束外延设计制作的，分子束外延是一种在半导体晶片上生长高质量的晶体薄膜，在真空条件下，按晶体结构排列一层一层地生长在基板1上，并形成纳米级膜层，逐层淀积，在沉积过程中，需要严格控制成膜的质量、厚度，以避免成膜的质量和厚度影响微机械陀螺的检测精度和灵敏度。另外，由于此处永磁体4作用是为隧道磁敏电阻30提供稳定的非均匀磁场，因此，在永磁体4产生磁场效果不佳或稳定性不易控制的情况下可以考虑利用外置永磁体对永磁体4加以代替。

灵敏测量体3在动齿37的驱动作用力下，沿X轴方向做线性简谐振动，当陀螺仪在Y轴方向上有角速度输入时，由于哥氏力的作用，灵敏测量体3将在Z轴方向上产生进动。因间距发生变化，由基板1上表面的永磁体4产生的磁场在灵敏测量体3上隧道磁敏电阻30位置处的强度会增大或减小。磁场强度的变化引起隧道磁阻效应使隧道磁敏电阻30的阻值发生剧烈的变化。这样就可把一个微弱的哥氏力信号转化为一个较强的电学信号，通过对该信号的处理就可以检测出Y轴方向输入角速度的大小。

本实用新型中，所述通孔为边长为a的正方形通孔，所述灵敏测量体的上、下两侧面为边长L的正方形，所述通孔及灵敏测量体的厚度均为H；并正方形面积S的取值范围为3000um*3000um～4000um*4000um，所述通孔为正方形通孔，并通孔面积S_n的取值范围为75um*75um～100um*100um，所述置梁槽为长方矩形，并面积S₁取值范围700um*480um～1000um*650um。

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实用新型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实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于隧道磁阻效应的微机械陀螺，其特征在于，包括：键合基体、永磁体及微陀螺角速度敏感体，所述键合基体几何中心处具有一凹槽，所述永磁体设置在上述凹槽中心位置；所述微陀螺角速度敏感体设置在永磁体相反于键合基体的一侧，并所述微陀螺角速度敏感体固定在键合基体上；

所述微陀螺角速度敏感体包括对应设置在凹槽上方的灵敏测量体，所述灵敏测量体上表面设有隧道磁敏电阻、通孔及置梁槽，所述隧道磁敏电阻位于灵敏测量体上表面中心，并与永磁体位置对应，所述通孔及置梁槽均匀布置在隧道磁敏电阻四周；

所述隧道磁敏电阻包括半导体材料衬底层上依次排布的第一铁磁层、绝缘层及第二铁磁层。

2.根据权利要求1所述的微机械陀螺，其特征在于，所述键合基体包括基板及垫层框体，所述垫层框体为方形中空框体，所述垫层框体下侧与基板键合连接并且共同形成方形凹槽；所述的永磁体为多层结构。

3.根据权利要求2所述的微机械陀螺，其特征在于，所述微陀螺角速率敏感体进一步包括：

定齿电极正极，所述的定齿电极正极为两个，分别置于垫衬框体左、右边框的上表面并粘结牢固，并且该正极上表面设定齿，并粘结牢固；

定齿电极负极，所述的定齿电极负极为灵敏测量体左、右两侧动齿的电极，所述定齿电极负极与定齿电极正极在同一平面，置于垫衬 框体前、后边框上表面，粘结牢固，并且定齿电极负极的上表面设固定座，并粘结牢固；

组合梁，所述的组合梁由驱动梁、检测梁、连接块构成，用于连接固定座和灵敏测量体。

4.根据权利要求3所述的微机械陀螺，其特征在于，所述的定齿电极正极上设有定齿的基座；所述的定齿电极负极上设有所述的固定座，固定座有前、后两个，分别置于两个定齿电极负极上表面，并通过组合梁与灵敏测量体相连接；所述灵敏测量体上表面的隧道磁敏电阻通过隧道磁敏电阻引出线与隧道磁敏电阻引线焊盘相连；所述灵敏测量体上表面两侧对称位置设有两根反馈导线，反馈导线端部经组合梁与固定座上表面的反馈导线引线焊盘相连接；固定座与组合梁相连接部位的上表面设有隧道磁敏电阻引线焊盘和反馈导线引线焊盘。

5.根据权利要求3所述的微机械陀螺，其特征在于，所述的灵敏测量体为方形；所述的灵敏测量体前、后对称位置分别通过组合梁与固定座相连接；所述置梁槽设置在灵敏测量体的四角处，在所述灵敏测量体上设有隧道磁敏电阻及其引出线分布处分别设置通孔。

6.根据权利要求3所述的微机械陀螺，其特征在于，所述的定齿与所述灵敏测量体两侧边缘的动齿交叉吻合。

7.根据权利要求3所述的微机械陀螺，其特征在于，所述的组合梁呈回折形，驱动梁和检测梁通过连接块相连接，组合梁中驱动梁的厚度与灵敏测量体的厚度相同，检测梁的厚度小于两侧驱动梁。