一种基于隧道磁阻效应的微机械陀螺制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于隧道磁阻效应的微机械陀螺结构装置，主要结构包括：基板、垫衬框体，垫衬框体设在基板上方并与基板相连接；永磁体，永磁体设在基板与垫衬框体组合形成的矩形凹槽的中心位置；和微陀螺角速率敏感体，微陀螺角速率敏感体设在垫衬框体的上方并与垫衬框体相连接，且微陀螺角速率敏感体包括：对应设在矩形凹槽上方的灵敏测量体，灵敏测量体上表面设有隧道磁敏电阻且隧道磁敏电阻与永磁体位置对应。隧道磁敏电阻可随灵敏测量体沿垂直于所述永磁体上表面的方向振动。根据本实用新型专利技术的微机械陀螺采用整体结构设计，结构合理、紧凑，检测电路简单，使用方便、可靠性好、适合微型化。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及微惯性导航技术相关领域，具体而言，涉及一种基于隧道磁阻效 应的微机械陀螺。
技术介绍
目前，微机械陀螺常用的检测方式是电容式和压阻式，压阻式是基于高掺杂硅的 压阻效应原理实现的，高掺杂硅形成的压敏器件对温度有较强的依赖性，其由压敏器件组 成的电桥检测电路也会因温度变化引起灵敏度漂移；电容式精度的提高是利用增大电容面 积，由于器件的微小型化，其精度因有效电容面积的缩小而难以提高。 微机械陀螺对角速度的测量是靠检测装置实现力电转换来完成的，其灵敏度、分 辨率是十分重要的，由于陀螺仪微型化和集成化，检测的敏感区域随之减小，故而使检测的 灵敏度、分辨率等指标已达到敏感区域检测的极限状态，从而限制了陀螺仪检测精度的进 一步提高，很难满足现代军事、民用装备的需要。 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（MTJ,MagneticTunnel Junction)。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，因此称为隧道磁电阻效应（TMR，Tunneling Magnetoresistance)。也就是说TMR磁传感器是利用磁场的变化来引起磁电阻变化，另一 方面，我们可以通过观测TMR磁传感器的电阻变化来测量外磁场的变化。 实际的TMR器件及其制造工艺要远比以上三层膜结构复杂，但是就磁性传感器的 应用来讲，我们可以认为TMR传感器就是一个电阻，只是TMR传感器的电阻值随外加磁场值 的变化，其阻值发生改变，并且这种改变对于氧化铝A1203可达30~50 %，对于氧化镁MgO 可达200%，因此其输出相当可观，灵敏度非常高。正是由于TMR的这些优点，TMR已经在硬 盘磁头这一对工作稳定性等各项性能要求极高的高精
取代GMR磁头，因此TMR的 性能已经经受了最为严格的考验.而随着TMR磁性传感器的大规模应用，其优异的性能将 随着其产业化的发展，而渗透到传感器行业方面和应用领域，为很多传感器应用领域提供 全新的技术解决方案。
技术实现思路
本技术旨在提供一种微机械陀螺，该微机械陀螺为基于隧道磁阻效应的微机 械陀螺，可以提高微机械陀螺的检测精度。 本技术提供了一种微机械陀螺，其包括： -种基于隧道磁阻效应的微机械陀螺，包括：键合基体、永磁体及微陀螺角速度敏 感体，所述键合基体几何中心处具有一凹槽，所述永磁体设置在上述凹槽中心位置；所述微 陀螺角速度敏感体设置在永磁体相反于键合基体的一侧，并所述微陀螺角速度敏感体固定 在键合基体上； 所述微陀螺角速度敏感体包括对应设置在凹槽上方的灵敏测量体，所述灵敏测量 体上表面设有隧道磁敏电阻、通孔及置梁槽，所述隧道磁敏电阻位于灵敏测量体上表面中 心，并与永磁体位置对应，所述通孔及置梁槽均匀布置在隧道磁敏电阻四周； 所述的隧道磁敏电阻为多层膜结构，所述隧道磁敏电阻包括半导体材料衬底层上 依次排布的第一铁磁层、绝缘层、第二铁磁层。 进一步地，所述键合基体包括基板及垫层框体，所述垫层框体为方形中空框体，所 述垫层框体下侧与基板键合连接并且共同形成方形凹槽；所述的永磁体为多层结构。 进一步地，所述微陀螺角速率敏感体进一步包括： 定齿电极正极，所述的定齿电极正极为两个，分别置于垫衬框体左、右边框的上表 面并粘结牢固，并且该正极上表面设定齿，并粘结牢固； 定齿电极负极，所述的定齿电极负极为灵敏测量体左、右两侧动齿的电极，所述定 齿电极负极与定齿电极正极在同一平面，置于垫衬框体前、后边框上表面，粘结牢固，并且 定齿电极负极的上表面设固定座，并粘结牢固； 组合梁，所述的组合梁由驱动梁、检测梁、连接块构成，用于连接固定座和灵敏测 量体。 进一步地，所述的定齿电极正极上设有定齿的基座；所述的定齿电极负极上设有 所述的固定座，固定座有前、后两个，分别置于两个定齿电极负极上表面，并通过组合梁与 灵敏测量体相连接；所述灵敏测量体上表面的隧道磁敏电阻通过隧道磁敏电阻引出线与隧 道磁敏电阻引线焊盘相连；所述灵敏测量体上表面两侧对称位置设有两根反馈导线，反馈 导线端部经组合梁与固定座上表面的反馈导线引线焊盘相连接；固定座与组合梁相连接部 位的上表面设有隧道磁敏电阻引线焊盘和反馈导线引线焊盘。 进一步地，所述的灵敏测量体为方形；所述的灵敏测量体前、后对称位置分别通过 组合梁与固定座相连接；所述置梁槽设置在灵敏测量体的四角处，在所述灵敏测量体上设 有隧道磁敏电阻及其引出线分布处分别设置通孔。 进一步地，所述的定齿与所述灵敏测量体两侧边缘的动齿交叉吻合。 进一步地，所述的组合梁呈回折形，驱动梁和检测梁通过连接块相连接，组合梁中 ? "L，，形驱动梁的厚度与灵敏测量体的厚度相同，检测梁的厚度小于两侧形驱动 梁。 根据本技术实施例的微机械陀螺，采用整体结构设计，结构设计紧凑合理，既 能充分利用空间，又能抑制驱动对检测的影响，适合器件的自解耦和微型化。灵敏测量体上 表面设有隧道磁敏电阻，其正对于基体上表面相应区域制作的永磁体，在微弱的磁场变化 下隧道磁敏电阻的阻值会发生剧烈变化，该变化可以将微机械陀螺的灵敏度提高1-2个数 量级。本设计的另一特点：由于此处永磁体作用是为隧道磁敏电阻提供稳定的非均匀磁场， 因此，在铁磁性薄膜产生磁场效果不佳或稳定性不易控制的情况下可以考虑利用外置永磁 体对铁磁性薄膜加以代替。除以上特点外，该微陀螺角速率敏感体的检测电路设计简单、使 用方便、可靠性好，适合微型化。同时，本技术所应用计算公式计算获得的阻尼高度接 近实际值，提高了微机械陀螺的准确度。【附图说明】 图1为本技术微机械陀螺的整体结构图； 图2为本技术微机械陀螺的基体与垫衬框体组合体的立体结构图 图3为本技术实施例的整体结构的主视图； 图4为本技术实施例的微陀螺角速率敏感体立体结构图； 图5为本技术实施例的灵敏测量体的主视图； 图6为本技术实施例的基体与垫衬框体组合体的平面结构图； 图7为本技术实施例的组合梁立体结构图； 图8为本技术实施例的组合梁的三视图； 图9为本技术实施例的固定梳齿结构立体图； 图10为本技术实施例的隧道磁敏电阻基本结构图； 图中所示，附图标记清单如下： 1、基板，2、垫衬框体，3、灵敏测量体，4、永磁体，5、驱动梁，6、检测梁，7、连接块， 8、定齿，9、微陀螺角速度敏感体9，21、方形凹槽，30、隧道磁敏电阻，31、通孔，32、支撑体， 33、定齿支撑体，34、引出线，35、反馈导线，36、梳齿，37、动齿，38、组合梁，39、定齿电极正 极，310、定齿电极负极，311、隧道磁敏电阻引线焊盘，312、反馈导线引线焊盘，313、置梁槽， 314、动齿运动空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于隧道磁阻效应的微机械陀螺，其特征在于，包括：键合基体、永磁体及微陀螺角速度敏感体，所述键合基体几何中心处具有一凹槽，所述永磁体设置在上述凹槽中心位置；所述微陀螺角速度敏感体设置在永磁体相反于键合基体的一侧，并所述微陀螺角速度敏感体固定在键合基体上；所述微陀螺角速度敏感体包括对应设置在凹槽上方的灵敏测量体，所述灵敏测量体上表面设有隧道磁敏电阻、通孔及置梁槽，所述隧道磁敏电阻位于灵敏测量体上表面中心，并与永磁体位置对应，所述通孔及置梁槽均匀布置在隧道磁敏电阻四周；所述隧道磁敏电阻包括半导体材料衬底层上依次排布的第一铁磁层、绝缘层及第二铁磁层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李孟委，李锡广，刘俊，刘双红，王莉，石云波，
申请(专利权)人：李孟委，
类型：新型
国别省市：山西;14