电磁驱动式隧道磁阻面内检测微陀螺装置的制作方法

本实用新型属微惯性导航的测量仪表零部件技术领域,具体涉及一种电磁驱动式隧道磁阻面内检测微陀螺装置。

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。

根据原理不同，将陀螺分为机械转子陀螺、光学陀螺和微机械陀螺等。目前，机械转子陀螺和光学陀螺精度较高，在航空航天及国防军事等领域中发挥了重要的作用，但结构工艺复杂、体积较大、价格昂贵。而微机械陀螺是二十世纪八十年代初发展起来的军民两用高新技术，与传统的陀螺相比，它具有体积小、功耗低、成本低、易批量化生产、灵敏度高、抗过载能力强、动态范围大和可集成性好等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，总体性能大幅提升，符合产品信息化发展方向，因此在民用消费领域和现代国防领域具有广泛的应用前景，越来越受到人们的关注。

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、电子隧道效应式等。对于驱动方式，静电驱动虽具有稳定性好的优点，但其驱动幅值小，且易发生失稳效应；压电驱动具有精度高、误差小的优点，但其对陀螺结构设计要求高，不易加工制作；电磁驱动具有稳定性好，且驱动幅值大等诸多优点。对于检测方式，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，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。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，使申请人产生了将隧道磁阻效应应用于陀螺结构检测的动机，以解决角速度信号检测的难题，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，在该技术领域还未出现相关产品。

通过对本领域资料查新，查到三个在先申请的文件，分别为对比文件1“一种基于隧道磁阻效应的微机械陀螺”(申请号为 201510043522.4)，对比文件2“基于纳米膜量子隧穿效应的电磁驱动陀螺仪”(申请号为200910075586.7)，对比文件3“一种面内检测的高Q值隧道磁阻效应微机械陀螺”(申请号为201520822683.9)。

针对对比文件1，采用的是静电驱动，隧道磁阻检测；静电驱动时，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，导致成品率较低；针对对比文件2，采用的是电磁驱动，纳米膜隧穿效应检测，发现纳米膜隧穿器件制造工艺极其复杂，检测电路相对较难实现，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；针对对比文件3，采用的是电磁驱动，隧道磁阻检测，但它梁结构为直梁式，本次采用梁结构为回折梁，相比之下，本次设计的梁结构不容易因加工产生损坏，可得到高的成品率，所设计的梁结构驱动和检测频率更容易匹配，在驱动和检测方向上容易得到较大的振动幅值，同时通过有效的设计梁的长宽比和间隙，得到最佳的陀螺性能；

基于以上问题本实用新型提出采用电磁驱动，隧道磁阻检测的微陀螺装置，设计优势在于驱动时采用电磁驱动，可提供的驱动位移远大于静电力所提供的，驱动模态和检测模态频率更容易匹配，检测时采用具有高灵敏特性的隧道磁阻元件实现对柯氏效应产生的微位移检测，其梁结构设计为回折梁结构，使驱动和检测频率更容易匹配，可提升微陀螺的性能。

为进一步提升微陀螺的检测精度，在检测磁体上沉积聚磁单元，具有聚磁效果，可实现增强局部磁场强度从而提高磁场变化率，形成一种稳定高变化率的磁场，使隧道磁阻元件可检测到更加微弱的柯氏力，进而提高微陀螺的检测精度，该装置整体结构合理简单，检测精度高。

技术实现要素：

本实用新型为了克服背景技术的不足，设计了一种电磁驱动式隧道磁阻面内检测微陀螺装置，通过对微陀螺整体结构设计、同时采用电磁驱动，隧道磁阻检测，利用基于隧道磁阻效应制成的隧道磁阻元件对微弱磁场具有高灵敏特性，进而实现微陀螺的微弱柯氏力检测，可将微陀螺的检测精度提高一至两个数量级。

本实用新型具体方案如下：

一种电磁驱动式隧道磁阻面内检测微陀螺装置,由键合基板、支撑框架、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、驱动质量块、检测质量块、第一驱动磁体、第二驱动磁体、检测磁体、隧道磁阻元件、第一驱动电极、第二驱动电极、驱动反馈电极、检测电极、第一驱动导线、第二驱动导线、驱动反馈导线、信号检测导线组成，所述支撑框架设置于键合基板上方，支撑框架通过所述第一驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁、第四驱动组合梁连接驱动质量块，驱动质量块通过所述第一检测组合梁、第二检测组合梁、第三检测组合梁、第四检测组合梁连接检测质量块，隧道磁阻元件设置在检测质量块上表面中心位置。

进一步的，所述键合基板中心有一个凹槽，凹槽内置有第一驱动磁体、第二驱动磁体和一个检测磁体，凹槽的深度大于所述第一驱动磁体、第二驱动磁体和检测磁体的厚度，所述第一驱动磁体、第二驱动磁体分别设置在键合基板左右两侧，所述第一驱动磁体、第二驱动磁体整体结构为长方体，其长宽远大于厚度，所述检测磁体包括永磁体、通电线圈、光控磁体，所述检测磁体设置在键合基板中心位置，所述检测磁体上方沉积有聚磁单元,所述聚磁单元形状可为三角形、正方形。

进一步的，所述支撑框架大小与键合基板一致，用于支撑驱动质量块和检测质量块，所述驱动质量块设置在检测质量块外侧，所述驱动质量块通过所述第一驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁、第四驱动组合梁与外部支撑框架连接，所述检测质量块设置在支撑框架中心位置，通过所述第一检测组合梁、第二检测组合梁、第三检测组合梁、第四检测组合梁与驱动质量块连接。

进一步的，所述第一驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁、第四驱动组合梁分别设置在所述驱动质量块的四个边角处，所述第一驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁、第四驱动组合梁结构尺寸完全相同，均由第一驱动梁、第二驱动梁和驱动梁连接块组成，所述第一驱动梁、第二驱动梁用于连接驱动质量块和驱动梁连接块，驱动梁连接块用于连接所述第一驱动梁、第二驱动梁和支撑框架。

进一步的，所述第一驱动梁、第二驱动梁为细长梁结构，即梁的长度远大于它的宽度，且第一驱动梁、第二驱动梁分别位于驱动梁连接块两侧并相互平行，驱动梁连接块整体呈“T”形，所述第一驱动梁、第二驱动梁厚度驱动梁连接块厚度相同。

进一步的，所述第一检测组合梁、第二检测组合梁、第三检测组合梁、第四检测组合梁分别设置在所述检测质量块上靠近边角处，所述第一检测组合梁、第二检测组合梁、第三检测组合梁、第四检测组合梁结构尺寸完全相同，均由第一检测梁、第二检测梁和检测梁连接块组成，所述第一检测梁、第二检测梁用于连接检测质量块和检测梁连接块，检测梁连接块用于连接所述第一检测梁、第二检测梁和驱动质量块。

进一步的，所述第一检测梁、第二检测梁为细长梁结构，即梁的长度远大于它的宽度，且第一检测梁、第二检测梁分别位于检测梁连接块两侧并相互平行，检测梁连接块整体呈“T”形，所述第一检测梁、第二检测梁厚度与检测梁连接块厚度相同。

进一步的，所述第一驱动电极分别设置在所述支撑框架一端的上下两侧，所述第二驱动电极分别设置在所述支撑框架相反于所述第一驱动电极一端的上下两侧，所述驱动反馈电极靠近所述第一驱动电极设置，所述检测电极靠近所述第二驱动电极设置，所述第一驱动导线连接两端的第一驱动电极，所述第二驱动导线连接两端的第二驱动电极，所述驱动反馈导线连接两端驱动反馈电极，所述信号检测导线从隧道磁阻元件引出，连接两个检测电极。

进一步的，所述隧道磁阻元件结构为纳米多层膜结构，为在衬底层上自上而下依次排布的顶电极层、磁性自由层、绝缘层、磁性钉扎层、底电极层。

有益效果

本实用新型有益效果在于解决了现有微机械陀螺驱动能力弱，微弱柯氏力难以检测的问题，提供了一种电磁驱动式隧道磁阻面内检测的陀螺装置。所设计的面内检测微机械陀螺相比于离面检测的微机械陀螺具有阻尼效应小、精度高等优势。本实用新型微机械陀螺采用的驱动方式为电磁驱动，可提供的驱动振幅远远大于静电驱动所提供的，目的是使微陀螺在柯氏效应下产生较大的柯氏力，进而在检测方向上产生大幅值稳幅振荡，同时采用具有高灵敏特性的隧道磁阻效应进行检测，提高微陀螺检测精度。本实用新型微陀螺在检测磁体上沉积高磁导率软磁材料，具有聚磁效果，实现增强局部磁场强度从而提高磁场变化率，形成一种稳定高变化率的磁场，当隧道磁阻元件敏感到的磁场发生变化，在微弱的磁场变化下隧道磁阻元件的阻值会发生剧烈变化，该变化可将所设计的微陀螺的检测精度提高一至两个数量级。本实用新型微机械陀螺结构设计合理、接口电路简单、检测精度高，可解决角速率信号检测的难题。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型整体结构俯视图；

图3为本实用新型键合基板结构图；

图4本实用新型键合基板俯视图；

图5为支撑框架结构图；

图6为微陀螺质量块示意图；

图7为微陀螺驱动质量块结构图；

图8为微陀螺驱动质量块俯视图；

图9为微陀螺驱动组合梁示意图；

图10为微陀螺驱动组合梁俯视图；

图11为微陀螺检测质量块结构图；

图12为微陀螺检测质量块俯视图；

图13为微陀螺检测组合梁示意图；

图14为微陀螺检测组合梁俯视图；

图15为微陀螺电极和导线示意图；

图16为隧道磁阻纳米多层膜结构示意图。

图中所示，附图标记清单如下：

1-键合基板；2-第一驱动磁体；3-第二驱动磁体；4-检测磁体； 5-支撑框架；6-驱动质量块；7-检测质量块；8-隧道磁阻元件；9- 第一驱动组合梁；10-第二驱动组合梁；11-第三驱动组合梁；12-第四驱动组合梁；13-第一驱动梁；14-第二驱动梁；15-驱动梁连接块； 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-第一检测梁；21-第二检测梁；22-检测梁连接块；23-第一驱动导线；24-第二驱动导线；25-驱动反馈导线；26- 信号检测导线；27-第一驱动电极；28-第二驱动电极；29-驱动反馈电极；30-检测电极；31-衬底层；32-磁性自由层；33-绝缘层；34- 磁性钉扎层；35-顶电极层；36-底电极层；37-聚磁单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明，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表示相同或类似的原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。

在本实用新型中，需要解释的是，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1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述本实用新型，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”应做广义解释，例如：可以固定连接，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；可以是直接连接，也可以是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，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、3、4所示，一种电磁驱动式隧道磁阻面内检测微陀螺装置,由键合基板1、支撑框架5、第一驱动组合梁9、第二驱动组合梁10、第三驱动组合梁11、第四驱动组合梁12、第一检测组合梁 16、第二检测组合梁17、第三检测组合梁18、第四检测组合梁19、驱动质量块6、检测质量块7、第一驱动磁体2、第二驱动磁体3、检测磁体4、隧道磁阻元件8、第一驱动电极27、第二驱动电极28、驱动反馈电极29、检测电极30、第一驱动导线23、第二驱动导线24、驱动反馈导线25、信号检测导线26组成，支撑框架5设置于键合基板1上方，支撑框架5通过所述第一驱动组合梁9、第二驱动组合梁 10、第三驱动组合梁11、第四驱动组合梁12连接驱动质量块6，驱动质量块6通过所述第一检测组合梁16、第二检测组合梁17、第三检测组合梁18、第四检测组合梁19连接检测质量块7，隧道磁阻元件8设置在检测质量块7上表面中心位置。

键合基板1整体为方形，键合基板1中心有一个方形凹槽，内置有第一驱动磁体2、第二驱动磁体3和一个检测磁体4，凹槽的深度大于所述第一驱动磁体2、第二驱动磁体3和检测磁体4的厚度，所述第一驱动磁体2、第二驱动磁体3分别设置在键合基板1左右两侧，整体结构为长方体，它的长宽远大于厚度，检测磁体4可以为永磁体、通电线圈、光控磁体等一切可产生磁场的装置，所述检测磁体4设置在键合基板1中心位置，检测磁体4上方沉积有聚磁单元37,可由工艺加工刻蚀得到，所述聚磁单元37形状可为三角形、正方形，具有聚磁效果。

如图5、6所示，支撑框架5外部结构为方形，大小与键合基板 1一致，用于支撑驱动质量块6和检测质量块7，驱动质量块6设置在检测质量块7外侧，通过所述第一驱动组合梁9、第二驱动组合梁 10、第三驱动组合梁11、第四驱动组合梁12与外部支撑框架5连接，检测质量块7设置在支撑框架5中心位置，通过所述第一检测组合梁 16、第二检测组合梁17、第三检测组合梁18、第四检测组合梁19与驱动质量块6连接。

如图7、8所示，驱动质量块6分别通过第一驱动组合梁9、第二驱动组合梁10、第三驱动组合梁11、第四驱动组合梁12与支撑框架5连接，所述第一驱动组合梁9、第二驱动组合梁10、第三驱动组合梁11、第四驱动组合梁12分别设置在所述驱动质量块6的四个边角处，所述第一驱动组合梁9、第二驱动组合梁10、第三驱动组合梁 11、第四驱动组合梁12结构尺寸完全相同，由第一驱动梁13、第二驱动梁14和驱动梁连接块15组成，所述第一驱动梁13、第二驱动梁14用于连接驱动质量块6和驱动梁连接块15，驱动梁连接块15 用于连接所述第一驱动梁13、第二驱动梁14和支撑框架5；当微陀螺受到驱动力作用时，驱动梁连接块15连接在支撑框架5上起固定作用不发生运动，所述第一驱动梁13、第二驱动梁14在驱动方向上刚度小，易发生弯曲，致使驱动质量块6和检测质量块7在驱动方向受驱动力发生稳幅振荡。

如图9、10所示，所述第一驱动组合梁9、第二驱动组合梁10、第三驱动组合梁11、第四驱动组合梁12主要由两个结构尺寸完全相同的第一驱动梁13、第二驱动梁14和驱动梁连接块15组成，所述第一驱动梁13、第二驱动梁14为细长梁结构，即梁的长度远大于它的宽度，且第一驱动梁13、第二驱动梁14分别位于驱动梁连接块15 两侧并相互平行，驱动梁连接块15整体呈“T”形，所述第一驱动梁 13、第二驱动梁14厚度驱动梁连接块15厚度相同。

如图11、12所示，检测质量块7通过所述第一检测组合梁16、第二检测组合梁17、第三检测组合梁18、第四检测组合梁19与驱动质量块6连接，所述第一检测组合梁16、第二检测组合梁17、第三检测组合梁18、第四检测组合梁19分别设置在所述检测质量块7上靠近边角处，所述第一检测组合梁16、第二检测组合梁17、第三检测组合梁18、第四检测组合梁19结构尺寸完全相同，由所述第一检测梁20、第二检测梁21和检测梁连接块22组成，所述第一检测梁 20、第二检测梁21用于连接检测质量块7和检测梁连接块22，检测梁连接块22用于连接所述第一检测梁20、第二检测梁21和驱动质量块6；当有Z轴角速率输入时，由于柯氏效应，检测质量块7在检测方向上发生稳幅振荡，所述第一检测梁20、第二检测梁21发生弯曲，检测梁连接块22连接驱动质量块6起固定作用。

如图13、14所示，所述第一检测组合梁16、第二检测组合梁17、第三检测组合梁18、第四检测组合梁19主要由两个结构尺寸完全相同的第一检测梁20、第二检测梁21和检测梁连接块22组成，所述第一检测梁20、第二检测梁21为细长梁结构，即梁的长度远大于它的宽度，且第一检测梁20、第二检测梁21分别位于检测梁连接块22 两侧并相互平行，检测梁连接块22整体呈“T”形，所述第一检测梁 20、第二检测梁21厚度与检测梁连接块22厚度相同，不同的是所述第一驱动组合梁9、第二驱动组合梁10、第三驱动组合梁11、第四驱动组合梁12和所述第一检测组合梁16、第二检测组合梁17、第三检测组合梁18、第四检测组合梁19两者的大小尺寸不同，尺寸大小要根据实际微陀螺的刚度和频率等因素来确定。

如图15所示，电极主要有第一驱动电极27、第二驱动电极28、驱动反馈电极29、检测电极30，导线主要有第一驱动导线23、第二驱动导线24、驱动反馈导线25、信号检测导线26；所述第一驱动电极27分别设置在所述支撑框架5一端的上下两侧，所述第二驱动电极28分别设置在所述支撑框架5相反于所述第一驱动电极27一端的上下两侧，所述驱动反馈电极29靠近所述第一驱动电极27设置，所述检测电极30靠近所述第二驱动电极28设置，所述第一驱动导线 23连接两端的第一驱动电极27，第二驱动导线24连接两端的第二驱动电极28，驱动反馈导线25连接两端驱动反馈电极29，信号检测导线26从隧道磁阻元件8引出，连接两个检测电极30。

如图16所示，为隧道磁阻元件纳米多层膜结构示意图，所述隧道磁阻元件8结构为纳米多层膜结构，为在半导体材料衬底层31上自上而下依次排布的顶电极层35、磁性自由层32、绝缘层33、磁性钉扎层34、底电极层36，当外界磁场发生变化时，隧道磁阻元件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35和底电极层36将检测信号输出。

实用新型原理

本实用新型的微陀螺装置放置在由所述第一驱动磁体2、第二驱动磁体3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，驱动质量块6在该驱动力的作用下沿驱动方向(X轴) 往复振动，当有Z轴方向的角速率输入时，检测质量块7在柯氏力的作用下沿检测方向(Y轴)运动，检测质量块7带动隧道磁阻元件8 在检测磁体4上方做稳幅振荡，使隧道磁阻元件8敏感到的磁场发生相对较大变化，磁场变化引起隧道磁阻元件8中自旋相关的隧穿电流发生变化，从而导致隧道磁阻元件8的阻值发生剧烈变化，通过测量阻值变化能够实现对微弱柯氏力的检测。

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。