一种基于隧道磁阻效应的高精度双质量硅微陀螺仪装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于隧道磁阻效应的高精度双质量硅微陀螺仪装置，该装置包括上、下两层：上层为硅敏感结构、下层为布有金属电极和隧道磁阻检测模块的玻璃基底结构。上层结构通过锚点键合在下层结构之上。其中，上层结构由两个完全相同的陀螺仪子结构、一对支撑梁以及一对锚点构成；下层结构由隧道磁阻检测模块、玻璃基底、驱动电极、驱动检测电极、正交电极、线圈输入接口、线圈输入电极、线圈输出接口、线圈输出电极、公共电极以及信号引线构成。本发明专利技术提出硅微陀螺仪使用微型线圈作为励磁机构，磁场稳定、场强可控、集成度高，同时使用差分式隧道磁阻检测结构，具有抗共模误差能力强、灵敏度高、测量精度高等优点。

A high precision double mass silicon micro gyroscope device based on the magnetoresistance effect of the tunnel

【技术实现步骤摘要】
一种基于隧道磁阻效应的高精度双质量硅微陀螺仪装置
本专利技术涉及微机电系统(MEMS)和微惯性导航的测量仪表
，具体涉及到一种基于隧道磁阻效应的高精度双质量硅微陀螺仪装置。
技术介绍
硅微陀螺仪具有微型化与集成化、高可靠性、低功耗、易于数字化和智能化、动态性能好等优异性能。随着性能的不断提高，硅微陀螺仪已经取代了部分传统的陀螺仪，在消费类电子产品、汽车工业、生物医药等领域取得了广泛的应用。尽管如此，受限于电容检测的方式，传统的硅微陀螺仪的稳定性、灵敏度等重要指标很难更上一层台阶，因此硅微陀螺仪的应用仍集中于中端、低端领域。基于传统的简谐驱动方式，去探索寻求新的检测方式是提升硅微陀螺仪性能的一个重要方向。隧道磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜-铁磁材料构成的磁隧道结（MJTs）中，其隧道磁电阻值的大小随两边铁磁材料相对磁化方向和强度变化的效应。隧道磁阻效应对磁场的变化非常敏感，外围环境中微小的磁场变化就将引起磁隧道结阻值的巨大变化。如何将隧道磁阻效应用作硅微陀螺仪的一种检测方式，大幅提高陀螺仪的灵敏度，使陀螺仪的检测精度上升到一个新的台阶成为目前促进研究硅微陀螺仪发展的重要方向。
技术实现思路
本专利技术针对目前硅微陀螺仪精度不足，本专利技术提出了一种基于隧道磁阻效应的高精度双质量硅微陀螺仪装置；该装置由两层结构组成，上层为硅敏感结构、下层为布有金属电极和隧道磁阻检测模块的玻璃基底结构；所述上层结构包括相互对称设置的第一质量块模块和第二质量块模块；对称设置的第一驱动梳齿模块和第二驱动梳齿模块；对称设置的第一驱动检测梳齿模块和第二驱动检测梳齿模块；以及对称设置的第一支撑梁模块和第二支撑梁模块；第一驱动梳齿模块与第一质量块模块左侧相连，第一驱动检测梳齿模块与第一质量块模块右侧相连，第二驱动梳齿模块与第二质量块模块右侧相连，第二驱动检测梳齿模块与第二质量块模块左侧相连，第一支撑梁模块和第二支撑梁模块分别位于上层结构中前后侧面的中心位置，并用于支撑并耦合第一质量模板和第二质量块模块；所述下层结构包括玻璃基底、两对隧道磁阻检测模块、若干信号引线及金属电极，其中两对隧道磁阻检测模块分别包括第一隧道磁阻检测模块和第三隧道磁阻检测模块；第二隧道磁阻检测模块和第四隧道磁阻检测模块；其中第一、二、三、四隧道磁阻检测模块由第一、二、三、四隧道磁阻传感器和第一、二、三、四、五、六、七、八输出电极构成；其中第一、二、三、四隧道磁阻传感器均由六层薄膜构成：从上到下依次为顶层、自由层、隧道势垒层、铁磁层、反铁磁层和底层；第一、三隧道磁阻检测模块位于第一质量块模块的正下方，通过其内部自由层和铁磁层的两个相对磁化方向的改变来检测并输出第一质量块模块因哥氏加速度而引起的振动位移；第二、四隧道磁阻检测模块位于第二质量块模块的正下方，用于检测并输出第二质量块模块因哥氏加速度而引起的振动位移；第一、二驱动梳齿模块、第一、二质量块模块、第一、二驱动检测梳齿模块、第一、二隧道磁阻检测模块、第三、四隧道磁阻检测模块分别左右对称分布于中垂线两侧；第一驱动梳齿模块与第一驱动检测梳齿模块分别位于第一质量块模块的左、右两侧；第二驱动梳齿模块与第二驱动检测梳齿模块分别位于第二质量块模块的右、左两侧；第一、三隧道磁阻检测模块位于第一质量块模块的正下方，且第一、三隧道磁阻检测模块与第一质量块模块同时关于直线AB对称，第二、四隧道磁阻检测模块位于第二质量块模块的正下方，且第二、四隧道磁阻检测模块与第二质量块模块同时关于直线CD对称；第一、二输出电极关于直线AB左右对称分布于第一隧道磁阻传感器的左右两侧；第三、四输出电极关于直线CD左右对称分布于第二隧道磁阻传感器的左右两侧；第五、六输出电极关于直线AB左右对称分布于第三隧道磁阻传感器的左右两侧；第七、八输出电极关于直线CD左右对称分布于第四隧道磁阻传感器的左右两侧；第一、二支撑梁模块分别位于前后侧面的中心位置，且关于中垂线左右对称。本专利技术的进一步改进在于：所述上层硅敏感结构中第一、二驱动梳齿模块由第一、二驱动梳齿以及第一、二、三、四正交梳齿组成；第一质量块模块由第一质量块、第一质量块外框、第一励磁线圈、第一铁芯、第一、二、三、四锚点、第一、二、三、四摆动抑制梁、第一、二、三、四驱动解耦梁、第一、二、三、四检测连接梁组成；第二质量块模块由第二质量块、第二质量块外框、第二励磁线圈、第二铁芯、第五、六、七、八锚点、第五、六、七、八摆动抑制梁、第五、六、七、八驱动解耦梁、第五、六、七、八检测连接梁组成；第一驱动检测梳齿模块由第一驱动检测梳齿以及第一、二正交梳齿组成；第二驱动检测梳齿模块由第一驱动检测梳齿以及第三、四正交梳齿组成；其中第一、二支撑梁模块由第一、二支撑梁和第七、八锚点组成；第一驱动梳齿模块、第一质量块模块以及第一驱动检测梳齿模块构成了第一陀螺仪子结构；第二驱动梳齿模块、第二质量块模块以及第二驱动检测梳齿模块构成了第二陀螺仪子结构；上层硅敏感结构通过第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十锚点键合在下层玻璃基底结构之上；第一、二支撑梁连接第一、二陀螺仪子结构与第九、十锚点起支撑和耦合的作用；第二驱动梳齿用于给第二陀螺仪子结构提供简谐驱动力，第二驱动检测梳齿用于检测第二质量块外框的检测振动，以实现第二陀螺仪子结构的闭环驱动。本专利技术的进一步改进在于：第一、二质量块在Y轴检测方向的反相振动将会带来第一、二励磁线圈和第一、二铁芯的反相振动，从而产生反相变化的动磁场；第一、二、三、四摆动抑制梁用于抑制第一质量块外框的Z轴垂直方向摆动，第五、六、七、八摆动抑制梁用于抑制第二质量块外框的Z轴垂直方向摆动；第一、二、三、四正交校正梳齿用于给第一陀螺仪子结构提供正交力，第五、六、七、八正交校正梳齿用于给第二陀螺仪子结构提供正交力。本专利技术的进一步改进在于：所述第一、二支撑梁模块分别位于硅敏感结构的正上、正下方，第一、二支撑梁的左端分别连至第一质量块外框的上边、下边的中点，右端分别连接至第二质量块外框的上边、下边的中点，中端分别固定至第九、十锚点，第九、十锚点分别位于第一、二陀螺仪子结构垂直方向对称轴的正上、正下方；第一驱动梳齿模块和第一驱动梳齿模块分别位于第一质量块模块的正左、正右方，第一驱动梳齿位于第一质量块外框的左边中点处，第一驱动检测梳齿位于第一质量块外框的右边中点处；第二驱动梳齿模块和第二驱动梳齿模块分别位于第一质量块模块的正左、正右方，第二驱动梳齿位于第二质量块外框的右边中点处，第二驱动检测梳齿位于第二质量块外框的左边中点处；第一、二、三、四正交校正梳齿分别位于第一质量块外框的左上、左下、右下及右上方，第五、六、七、八正交校正梳齿分别位于第二质量块外框的右上、右下、左下及左上方；第一、二、三、四摆动抑制梁分别位于第一质量块外框内的左上、左下、右下及右上角，第五、六、七、八摆动抑制梁分别位于第二质量块外框内的右上、右下、左下及左上角；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于隧道磁阻效应的高精度双质量硅微陀螺仪装置，其特征在于：该装置由两层结构组成，上层为硅敏感结构、下层为布有金属电极和隧道磁阻检测模块的玻璃基底结构；/n所述上层结构包括相互对称设置的第一质量块模块（1a）和第二质量块模块（1b）；对称设置的第一驱动梳齿模块（2a）和第二驱动梳齿模块（2b）；对称设置的第一驱动检测梳齿模块（3a）和第二驱动检测梳齿模块（3b）;以及对称设置的第一支撑梁模块（23a）和第二支撑梁模块（23b）；/n第一驱动梳齿模块（2a）与第一质量块模块（1a）左侧相连，第一驱动检测梳齿模块（3a）与第一质量块模块（1a）右侧相连，第二驱动梳齿模块（2b）与第二质量块模块（1b）右侧相连，第二驱动检测梳齿模块（3b）与第二质量块模块（1b）左侧相连，第一支撑梁模块（23a）和第二支撑梁模块（23b）分别位于上层结构中前后侧面的中心位置，并用于支撑并耦合第一质量模板（1a）和第二质量块模块（1b）；/n所述下层结构包括玻璃基底（9）、两对隧道磁阻检测模块、若干信号引线及金属电极，其中两对隧道磁阻检测模块分别包括第一隧道磁阻检测模块（4a1）和第三隧道磁阻检测模块（4a2）；第二隧道磁阻检测模块（4b1）和第四隧道磁阻检测模块（4b2）；/n其中第一、二、三、四隧道磁阻检测模块（4a1、4b1、4a2、4b2）由第一、二、三、四隧道磁阻传感器（5a1、5b1、5a2、5b2）和第一、二、三、四、五、六、七、八输出电极（6a1、6a2、6b1、6b2、6a3、6a4、6b3、6b4）构成；/n其中第一、二、三、四隧道磁阻传感器（5a1、5b1、5a2、5b2）均由六层薄膜构成：从上到下依次为顶层（7a）、自由层（7b）、隧道势垒层（7c）、铁磁层（7d）、反铁磁层（7e）和底层（7f）；/n第一、三隧道磁阻检测模块（4a1、4a2）位于第一质量块模块（1a）的正下方，通过其内部自由层（7b）和铁磁层（7d）的两个相对磁化方向（8a、8b）的改变来检测并输出第一质量块模块（1a）因哥氏加速度而引起的振动位移；/n第二、四隧道磁阻检测模块（4b1、4b2）位于第二质量块模块（1b）的正下方，用于检测并输出第二质量块模块（1b）因哥氏加速度而引起的振动位移；/n第一、二驱动梳齿模块（2a、2b）、第一、二质量块模块（1a、1b）、第一、二驱动检测梳齿模块（3a、3b）、第一、二隧道磁阻检测模块（4a1、4b1）、第三、四隧道磁阻检测模块（4a2、4b2）分别左右对称分布于中垂线两侧；第一驱动梳齿模块（2a）与第一驱动检测梳齿模块（3a）分别位于第一质量块模块（1a）的左、右两侧；/n第二驱动梳齿模块（2b）与第二驱动检测梳齿模块（3b）分别位于第二质量块模块（1b）的右、左两侧；/n第一、三隧道磁阻检测模块（4a1、4a2）位于第一质量块模块（1a）的正下方，且第一、三隧道磁阻检测模块（4a1、4a2）与第一质量块模块（1a）同时关于直线AB对称，第二、四隧道磁阻检测模块（4b1、4b2）位于第二质量块模块（1b）的正下方，且第二、四隧道磁阻检测模块（4b1、4b2）与第二质量块模块（1b）同时关于直线CD对称；/n第一、二输出电极（6a1、6a2）关于直线AB左右对称分布于第一隧道磁阻传感器（5a1）的左右两侧；第三、四输出电极（6b1、6b2）关于直线CD左右对称分布于第二隧道磁阻传感器（5b1）的左右两侧；第五、六输出电极（6a3、6a4）关于直线AB左右对称分布于第三隧道磁阻传感器（5a2）的左右两侧；第七、八输出电极（6b3、6b4）关于直线CD左右对称分布于第四隧道磁阻传感器（5b2）的左右两侧；第一、二支撑梁模块（23a、23b）分别位于前后侧面的中心位置，且关于中垂线左右对称。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于隧道磁阻效应的高精度双质量硅微陀螺仪装置，其特征在于：该装置由两层结构组成，上层为硅敏感结构、下层为布有金属电极和隧道磁阻检测模块的玻璃基底结构；
所述上层结构包括相互对称设置的第一质量块模块（1a）和第二质量块模块（1b）；对称设置的第一驱动梳齿模块（2a）和第二驱动梳齿模块（2b）；对称设置的第一驱动检测梳齿模块（3a）和第二驱动检测梳齿模块（3b）;以及对称设置的第一支撑梁模块（23a）和第二支撑梁模块（23b）；
第一驱动梳齿模块（2a）与第一质量块模块（1a）左侧相连，第一驱动检测梳齿模块（3a）与第一质量块模块（1a）右侧相连，第二驱动梳齿模块（2b）与第二质量块模块（1b）右侧相连，第二驱动检测梳齿模块（3b）与第二质量块模块（1b）左侧相连，第一支撑梁模块（23a）和第二支撑梁模块（23b）分别位于上层结构中前后侧面的中心位置，并用于支撑并耦合第一质量模板（1a）和第二质量块模块（1b）；
所述下层结构包括玻璃基底（9）、两对隧道磁阻检测模块、若干信号引线及金属电极，其中两对隧道磁阻检测模块分别包括第一隧道磁阻检测模块（4a1）和第三隧道磁阻检测模块（4a2）；第二隧道磁阻检测模块（4b1）和第四隧道磁阻检测模块（4b2）；
其中第一、二、三、四隧道磁阻检测模块（4a1、4b1、4a2、4b2）由第一、二、三、四隧道磁阻传感器（5a1、5b1、5a2、5b2）和第一、二、三、四、五、六、七、八输出电极（6a1、6a2、6b1、6b2、6a3、6a4、6b3、6b4）构成；
其中第一、二、三、四隧道磁阻传感器（5a1、5b1、5a2、5b2）均由六层薄膜构成：从上到下依次为顶层（7a）、自由层（7b）、隧道势垒层（7c）、铁磁层（7d）、反铁磁层（7e）和底层（7f）；
第一、三隧道磁阻检测模块（4a1、4a2）位于第一质量块模块（1a）的正下方，通过其内部自由层（7b）和铁磁层（7d）的两个相对磁化方向（8a、8b）的改变来检测并输出第一质量块模块（1a）因哥氏加速度而引起的振动位移；
第二、四隧道磁阻检测模块（4b1、4b2）位于第二质量块模块（1b）的正下方，用于检测并输出第二质量块模块（1b）因哥氏加速度而引起的振动位移；
第一、二驱动梳齿模块（2a、2b）、第一、二质量块模块（1a、1b）、第一、二驱动检测梳齿模块（3a、3b）、第一、二隧道磁阻检测模块（4a1、4b1）、第三、四隧道磁阻检测模块（4a2、4b2）分别左右对称分布于中垂线两侧；第一驱动梳齿模块（2a）与第一驱动检测梳齿模块（3a）分别位于第一质量块模块（1a）的左、右两侧；
第二驱动梳齿模块（2b）与第二驱动检测梳齿模块（3b）分别位于第二质量块模块（1b）的右、左两侧；
第一、三隧道磁阻检测模块（4a1、4a2）位于第一质量块模块（1a）的正下方，且第一、三隧道磁阻检测模块（4a1、4a2）与第一质量块模块（1a）同时关于直线AB对称，第二、四隧道磁阻检测模块（4b1、4b2）位于第二质量块模块（1b）的正下方，且第二、四隧道磁阻检测模块（4b1、4b2）与第二质量块模块（1b）同时关于直线CD对称；
第一、二输出电极（6a1、6a2）关于直线AB左右对称分布于第一隧道磁阻传感器（5a1）的左右两侧；第三、四输出电极（6b1、6b2）关于直线CD左右对称分布于第二隧道磁阻传感器（5b1）的左右两侧；第五、六输出电极（6a3、6a4）关于直线AB左右对称分布于第三隧道磁阻传感器（5a2）的左右两侧；第七、八输出电极（6b3、6b4）关于直线CD左右对称分布于第四隧道磁阻传感器（5b2）的左右两侧；第一、二支撑梁模块（23a、23b）分别位于前后侧面的中心位置，且关于中垂线左右对称。


2.根据权利要求1所述的一种基于隧道磁阻效应的高精度双质量硅微陀螺仪装置，其特征在于：所述上层硅敏感结构中第一、二驱动梳齿模块（2a、2b）由第一、二驱动梳齿（22a1、22b1）以及第一、二、三、四正交梳齿（11a1、11a2、11b1、11b2）组成；
第一质量块模块（1a）由第一质量块（17a）、第一质量块外框（12a）、第一励磁线圈（18a）、第一铁芯（19a）、第一、二、三、四锚点（13a1、13a2、13a3、13a4）、第一、二、三、四摆动抑制梁（16a1、16a2、16a3、16a4）、第一、二、三、四驱动解耦梁（14a1、14a2、14a3、14a4）、第一、二、三、四检测连接梁（15a1、15a2、15a3、15a4）组成；
第二质量块模块（1b）由第二质量块（17b）、第二质量块外框（12b）、第二励磁线圈（18b）、第二铁芯（19b）、第五、六、七、八锚点（13b1、13b2、13b3、13b4）、第五、六、七、八摆动抑制梁（16b1、16b2、16b3、16b4）、第五、六、七、八驱动解耦梁（14b1、14b2、14b3、14b4）、第五、六、七、八检测连接梁（15b1、15b2、15b3、15b4）组成；
第一驱动检测梳齿模块（3a）由第一驱动检测梳齿（22a2）以及第一、二正交梳齿（11a3、11a4）组成；
第二驱动检测梳齿模块（3b）分别由第一驱动检测梳齿（22b2）以及第三、四正交梳齿（11b3、11b4）组成；
其中第一、二支撑梁模块（23a、23b）由第一、二支撑梁（21a、21b）和第七、八锚点（20a、20b）组成；
第一驱动梳齿模块（2a）、第一质量块模块（1a）以及第一驱动检测梳齿模块（3a）构成了第一陀螺仪子结构（10a）；
第二驱动梳齿模块（2b）、第二质量块模块（1b）以及第二驱动检测梳齿模块（3b）构成了第二陀螺仪子结构（10b）；
上层硅敏感结构通过第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十锚点（13a1、13a2、13a3、13a4、13b1、13b2、13b3、13b4、20a、20b）键合在下层玻璃基底结构之上；
第一、二支撑梁（21a、21b）连接第一、二陀螺仪子结构（10a、10b）与第九、十锚点（20a、20b）起支撑和耦合的作用；第二驱动梳齿（22b1）用于给第二陀螺仪子结构（10b）提供简谐驱动力，第二驱动检测梳齿（22b2）用于检测第二质量块外框（12b）的检测振动，以实现第二陀螺仪子结构（10b）的闭环驱动。


3.根据权利要求1或2所述的一种基于隧道磁阻效应的高精度双质量硅微陀螺仪装置，其特征在于：第一、二质量块（17a、17b）在Y轴检测方向的反相振动将会带来第一、二励磁线圈（18a、18b）和第一、二铁芯（19a、19b）的反相振动，从而产生反相变化的动磁场；
第一、二、三、四摆动抑制梁（16a1、16a2、16a3、16a4）用于抑制第一质量块外框（12a）的Z轴垂直方向摆动，第五、六、七、八摆动抑制梁（16b1、16b2、16b3、16b4）用于抑制第二质量块外框（12b）的Z轴垂直方向摆动；
第一、二、三、四正交校正梳齿（11a1、11a2、11a3、11a4）用于给第一陀螺仪子结构（10a）提供正交力，第五、六、七、八正交校正梳齿（11b1、11b2、11b3、11b4）用于给第二陀螺仪子结构（10b）提供正交力。


4.根据权利要求1或2所述的一种基于隧道磁阻效应的高精度双质量硅微陀螺仪装置，其特征在于：所述第一、二支撑梁模块（23a、23b）分别位于硅敏感结构的正上、正下方，第一、二支撑梁（21a、21b）的左端分别连至第一质量块外框（12a）的上边、下边的中点，右端分别连接至第二质量块外框（12b）的上边、下边的中点，中端分别固定至第九、十锚点（20a、20b），第九、十锚点（20a、20b）分别位于第一、二陀螺仪子结构（10a、10b）垂直方向对称轴的正上、正下方；
第一驱动梳齿模块（2a）和第一驱动梳齿模块（3a）分别位于第一质量块模块（1a）的正左、正右方，第一驱动梳齿（22a1）位于第一质量块外框（12a）的左边中点处，第一驱动检测梳齿（22a2）位于第一质量块外框（12a）的右边中点处；第二驱动梳齿模块（2b）和第二驱动梳齿模块（3b）分别位于第一质量块模块（1a）的正左、正右方，第二驱动梳齿（22b1）位于第二质量块外框（12b）的右边中点处，第二驱动检测梳齿（22b2）位于第二质量块外框（12b）的左边中点处；
第一、二、三、四正交校正梳齿（11a1、11a2、11a3、11a4）分别位于第一质量块外框（12a）的左上、左下、右下及右上方，第五、六、七、八正交校正梳齿（11b1、11b2、11b3、11b4）分别位于第二质量块外框（12b）的右上、右下、左下及左上方；第一、二、三、四摆动抑制梁（16a1、16a2、16a3、16a4）分别位于第一质量...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，李成，郭鑫，高小勇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32