[实用新型]一种基于隧道磁阻检测的三轴微陀螺装置

说明书

一种基于隧道磁阻检测的三轴微陀螺装置，由键合基板，驱动组合梳齿，Y轴质量块，X轴质量块；Z轴检测质量块，第一驱动连接组合梁，第二驱动连接组合梁，第三驱动连接组合梁，Z轴检测组合梁组件，支撑锚点组件、检测磁阻组件、检测电极组件组成。本实用新型的有益效果在于，采用隧道磁阻检测方式，解决了现有微机械陀螺检测方向单一，微弱柯氏力难以检测的问题，隧道磁阻元件对微弱磁场变化具有高灵敏特性，此装置结构设计合理，使用方便，检测精度高,可实现X、Y、Z三轴角速度的检测。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，该变化可将所微陀螺的检测精度提高一至两个数量级。

技术领域

本实用新型涉及一种基于隧道磁阻检测的三轴微陀螺装置，属微惯性导航的测量仪表零部件技术领域。

背景技术

惯性技术是以完全自主方式工作的，不与外界发生联系，具有自主、实时、不受干扰的优势。陀螺是惯性导航技术的核心器件，在现代航空航天，国防军事等领域发挥着至关重要的作用。

微惯性系统的核心是陀螺，MEMS陀螺仪是基于微机电工艺制造的惯性器件，用于测量物体的角速度，具有体积小、可靠性高、成本低、适合大批生产的特点，这就使得MEMS陀螺在微惯性系统中得到广泛使用。

在现有技术中，微机械陀螺常用的驱动方式有静电式、压电式、电磁式等，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。就检测方式而言，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，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，但梳齿制造工艺精度要求极高，成品率较低；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。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。柯氏力不是现实存在的力，驱动方向、角速度方向、柯氏力方向两两垂直，柯氏效应引起质量块位移，通过检测位移实现对角速度的检测。因此，MEMS陀螺仪结构较复杂，在单片上实现三轴角速度检测也有很大难度。

为解决单片三轴角速度信号检测难题，实用新型人想到将隧道磁阻效应应用于陀螺结构检测，可将微陀螺检测灵敏度较电容式陀螺提高一至二个数量级，同时还可在单个结构上集成XYZ三轴陀螺仪，该技术领域还未出现相关产品。

在对本领域资料查新中，查到现有技术1“一种MEMS三轴陀螺仪”(申请号为201510368747.7)，现有技术2“一种MEMS三轴陀螺仪”(申请号为201710606894.2)，现有技术3“一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺”(申请号为201721017277.0)。

现有技术1采用的是电容检测方式，两电容极板间距由于柯氏力效应发生变化，通过检测电容变化实现位移检测，电容结构适用于MEMS工艺加工，但存在检测灵敏度不足，输出信号小的劣势；现有技术2采用梳齿电容检测方式，位移分辨率较高，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；现有技术3为无需驱动的非谐振结构，结构简单，但存在检测位移小，结构灵敏度低等不足。

基于以上问题，本实用新型提出采用隧道磁阻检测方式的谐振式微陀螺装置，本实用新型优势在于单轴驱动实现三轴角速度检测，检测时由具有高灵敏特性的磁阻元件检测因柯氏力产生的微位移，采用差分方式检测磁阻元件阻值的相对变化，灵敏度高，易检测。