[实用新型]基于四桥路隧道磁阻元件的面内检测MEMS陀螺装置

说明书

本实用新型属于微惯性导航仪器测量仪器仪表零部件的技术领域，具体涉及基于四桥路隧道磁阻元件的面内检测MEMS陀螺装置。所述面内检测MEMS陀螺装置包括至少一个键合基板、至少一个微陀螺结构、至少一个磁阻基板、及隧道磁阻器件；隧道磁阻器件通过敏感到回折形通电线圈产生的正弦磁场变化，自身阻值发生剧烈改变，进而实现对微陀螺科氏力的检测。此装置整体结构设计合理紧凑，创新性的通过结合相反性能隧道磁阻元件、多路差分电压输出实现对微弱磁场变化高灵敏检测，整体结构设计合理、简单，能够有效的避免外磁干扰，且可以减小由于集成造成的误差。

技术领域

本实用新型属于微惯性导航仪器测量仪器仪表零部件的技术领域，具体涉及基于四桥路隧道磁阻元件的面内检测MEMS陀螺装置。

背景技术

微陀螺是用于测量角速率的传感器，是微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，微机械陀螺常用的驱动方式有静电式、压电式、电磁式等。静电驱动优点是稳定性好，但其驱动幅值小，且易发生失稳效应；压电驱动优点是精度高、误差小，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、驱动幅值大等诸多优点。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。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MEMS陀螺研究。

隧道磁阻效应基于电子的自旋效应，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，但申请人在实际工作中发现隧道磁阻效应检测的微陀螺面临着无法提供稳定的检测磁场和无法合理组装集成等难题。为解决这两个难题，申请人针对所设计的微陀螺结构创造性的将一个四路隧道磁阻器件应用于微陀螺中，实现了隧道磁阻陀螺抗外界磁场干扰和合理组装，在该技术领域还未出现相关产品。

通过对本领域资料查新，查到四个在先申请的文件，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)，对比文件4“电磁驱动式隧道磁阻面内检测微陀螺装置”(申请号： 2017106955556)。

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。