[发明专利]一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺

说明书

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非谐振式三轴MEMS陀螺。

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。

目前，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，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，对梳齿的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；电子隧道效应检测，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，特别是很难把隧道结隧尖和电极板之间的距离控制在纳米级，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，本专利正是利用这一优势，将隧道磁阻效应应用于非谐振式三轴陀螺信号的检测。

通过对本领域资料查新，发现西北工业大学前期申请了“一种新型MEMS离心式陀螺”(申请号为201110190016.X)，其采用的是角速率运动所产生的离心力驱动，电容式检测，该微陀螺设计的梁结构有解耦梁和弹性梁，对于实施例1，微陀螺中心位置设置中心锚点，通过四组弹性梁与四个质量块连接，解耦梁呈弧形，梁结构复杂且加工难度大，加工时梁易断裂；对于实施例2，微陀螺中心位置中心锚点，通过四组弹性梁与四个质量块连接，设置四个边角锚点，单个质量块通过四组解耦梁与边角锚点连接，所采用的检测方式为电容检测，检测灵敏度低，活动梳齿和固定梳齿受电压容易击穿，横向冲击时也会吸合失效，对梳齿制造工艺精度要求极高，成品率较低。

本发明设计的微陀螺结构与对比专利中的微陀螺结构完全不同，对比专利中微陀螺中心位置设置有中心锚点，通过四组弹性梁连接四个质量块，且设计的梁结构部分为弧形梁，工艺加工困难，而本专利所设计的非谐振式微陀螺不同之处在于无中心锚点及弹性梁结构，所设计的梁结构为直梁，每个检测组合梁由一个连接块和两个检测梁组成，相对于弧形梁结构，梁结构设计更加合理简单，易单片集成，刚度小，检测位移大。

本发明设计了一种隧道磁阻检测的非谐振式三轴微陀螺，整体结构合理简单，无需驱动，易单片集成，本专利创新性的将隧道磁阻效应应用到非谐振式微陀螺中，在该技术领域还尚未见有报道，是世界科技界予以探索的技术领域。

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，设计一种无驱动的、用高灵敏特性的隧道磁阻元件进行检测的非谐振式三轴MEMS陀螺，使微陀螺整体结构更加简单、易单片集成。

技术方案