[发明专利]隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置

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面内检测的解耦式微陀螺装置。

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。

对于微机械陀螺而言，正交误差是影响其性能的重要因素。未解耦结构的陀螺，质量块和固定端用一个二维弹性梁联系，单个质量块具有驱动和检测两个自由度，模态之间存在严重耦合；解耦式陀螺可分为单解耦和双解耦，单解耦结构陀螺仅解除了检测模态对驱动模态的耦合，驱动模态会影响检测模态；双级解耦结构陀螺，驱动模态不影响检测模态，检测模态不影响驱动模态，可消除两个模态之间的耦合误差，降低正交误差的影响，可提高角速度信号检测的精度。本发明以减少正交耦合误差为目的，通过合理巧妙的陀螺结构设计来减少正交耦合误差，从本质上降低了耦合误差对微陀螺的性能影响。

此外，本发明中微陀螺采用电磁驱动，隧道磁阻检测，电磁驱动具有稳定性好，且驱动幅值大等诸多优点，隧道磁阻检测是采用隧道磁阻效应，隧道磁阻效应具有“灵敏度高、微型化、容易检测”的优势，使我们产生了将隧道磁阻效应应用于陀螺结构检测的动机，以解决角速率信号检测的难题，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。

通过对本领域资料查新，发现东南大学申请了“双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪”(申请号为201410362573.9)，其采用的是静电驱动，电容式检测，整体结构设计复杂，静电驱动位移小，检测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，成品率较低。本专利设计了一种隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置，整体结构合理、紧凑、正交耦合误差小，检测精度高，该装置创新性的将电磁驱动、隧道磁阻检测应用到解耦式微陀螺中，在该技术领域还尚未见报道，是世界科技界予以探索的技术领域。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的不足，设计了一种基于隧道磁阻面内检测的解耦式微陀螺装置，使微陀螺正交耦合误差小，检测精度高。

本发明主要结构由：键合基板、支撑框架、驱动质量块、检测质量块、中心质量块、驱动组合梁、检测组合梁、驱动磁体、检测磁体、隧道磁阻元件、驱动导线、驱动反馈导线等组成，在键合基板65上部设置一凹槽78，凹槽78上部左、右两侧设置驱动磁体(66、67)，前、后两侧隧道磁阻元件(68、69)，支撑框架1设置在键合基板65上方，并粘结牢固，在支撑框架1前、后、左、右部设置座槽(22、24、21、23)，为驱动质量块(2、3)、检测质量块(4、5)提供运动空间，驱动质量块(2、3)设置在支撑框架1左、右部，通过驱动组合梁(7、8、11、12)与支撑框架1吻合连接，可在键合基板65上方做左、右方向移动，检测质量块(4、5)设置在支撑框架1前、后部，通过检测组合梁(13、14、17、18)与支撑框架1吻合连接，可在键合基板65上方做前、后方向移动，中心质量块6设置在支撑框架1中间位置，通过驱动组合梁(9、10)连接检测质量块(4、5)，通过检测组合梁(15、16)连接驱动质量块(2、3)，可在键合基板65上方做前、后、左、右方向移动。

所述键合基板65为方形，在键合基板65上部设置一凹槽78，凹槽78左、右部设置两个驱动磁体(66、67)，前、后部设置两个隧道磁阻元件(68、69)，两个驱动磁体(66、67)的长度远大于厚度，结构尺寸一致，为驱动质量块(2、3)上方沉积的驱动导线(57、58)提供稳定的磁场，两个隧道磁阻元件(68、69)结构尺寸一致，与上方检测质量块(4、5)沉积的检测磁体(19、20)相对应，具体位于检测磁体(19、20)所产生的高变化率磁场区域，且隧道磁阻元件(68、69)与检测磁体(19、20)可互换位置，隧道磁阻元件(68、69)为纳米多层膜结构，在半导体材料衬底层72上自上而下依次排布为顶电极层77、磁性自由层76、绝缘层75、磁性钉扎层74、底电极层73，当外界磁场发生变化时，隧道磁阻元件(68、69)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77和底电极层73引出信号线(70、71)并将所检测到的信号输出。