一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置制造方法及图纸

一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置,主要结构由键合基板、微陀螺结构、磁阻基板三部分组成，其中键合基板设置于微陀螺结构下方，微陀螺结构上表面中心位置设置有蛇形通电线圈，磁阻基板设置于微陀螺结构上方，其中心设置有隧道磁阻元件，隧道磁阻元件与蛇形通电线圈相对应，通过敏感到蛇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，创新性的将蛇形通电线圈应用于微陀螺中，此外还采用高灵敏的隧道磁阻元件检测微弱磁场变化，预期可将微陀螺的检测精度提高一至两个数量级，整体结构设计合理，工艺制造简单，可实现性强且容易检测。

A tunnel magnetoresistive micro gyroscope based on serpentine coil

【技术实现步骤摘要】
一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置
本技术属微惯性导航的测量仪表零部件
,具体涉及一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置。
技术介绍
MEMS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，检测方式有压阻式、压电式、电容式等。对于驱动方式，静电驱动虽具有稳定性好的优点，但其驱动幅值小，且易发生失稳效应；压电驱动具有精度高、误差小的优点，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，且驱动幅值大等诸多优点。对于检测方式，其中压阻效应检测，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，需要经常校正，归零慢，不宜连续测试；目前主流的检测为电容检测，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，尤其是梳齿制造工艺精度要求极高，成品率较低，接口电路噪声分辨率无法进一步突破，制约该方向的发展。目前，国内尚无像样的MEMS陀螺产品，面临着惯性器件集成难度大、精度低的问题。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蛇形通电线圈应用于微陀螺中，并实现了隧道磁阻陀螺的合理组装，在该
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；针对对比文件4，与本次最大的不同点在于，对比文件4中检测磁体为永磁体设置于键合基板上且上方沉积有聚磁装置，隧道磁阻元件设置于微陀螺结构的检测质量块上表面，整个隧道磁阻陀螺由两部分组成，即键合基板和微陀螺结构。而本次隧道磁阻陀螺由键合基板、微陀螺结构、磁阻基板三部分组成，键合基板上没有设置检测磁体，且隧道磁阻元件设置在磁阻基板上，并设计一个蛇形通电线圈产生磁场，设置于微陀螺结构上表面，满足了微陀螺结构驱动方向保持匀强磁场，检测方向有高变化率的要求，设计合理、可实现性强且易检测。基于以上问题本技术提出采用蛇形通电线圈产生所需磁场，隧道磁阻检测的微陀螺装置，设计优势在于驱动时采用电磁驱动，可提供的驱动位移远大于静电力所提供的，检测时采用具有高灵敏特性的隧道磁阻元件实现对柯氏效应产生的微位移检测，其产生磁场的装置为蛇形通电线圈，通过改变输入蛇形通电线圈的电流大小控制磁场的大小，为隧道磁阻元件提高所需的磁场大小，且相对于永磁体，其制作成本低，更符合MEMS工艺加工。该装置整体结构合理简单，可实现性强，检测精度高。
技术实现思路
本技术为了克服
技术介绍
的不足，设计了一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置，通过对微陀螺整体结构设计、提出采用蛇形通电线圈产生所需磁场，隧道磁阻检测的微陀螺装置，利用隧道磁阻元件对微弱磁场具有高灵敏特性，进而实现微陀螺的微弱柯氏力检测，可将微陀螺的检测精度提高一至两个数量级，整体结构设计合理，工艺制造简单，可实现性强且容易检测。本技术具体方案如下：一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置，所述隧道磁阻微陀螺装置包括至少一个键合基板、至少一个微陀螺结构、及至少一个磁阻基板；所述键合基板的一侧依次层叠设置所述微陀螺结构、及磁阻基板，所述微陀螺结构具有提供恒定的磁场的蛇形通电线圈，所述磁阻基板具有敏感外界磁场变化的隧道磁阻元件，所述蛇形通电线圈与隧道磁阻元件相对设置，并通过隧道磁阻原理进行角速率信号检测。进一步地，所述微陀螺结构包括至少一个支撑框架、至少一个驱动质量块、至一个检测质量块、至少一个蛇形通电线圈；所述支撑框架为一个用于支撑驱动质量块、检测质量块的框架体结构，并所述支撑框架位于微陀螺结构最外层，在所述支撑框架内设置所述驱动质量块、及检测质量块，在所述支撑框架上沉积有驱动电极、驱动反馈电极、蛇形通电线圈电极。进一步地，所述支撑框架通过驱动电极与驱动质量块连接；所述检测质量块设置于微陀螺结构的中心位置，并通过检测组合梁与驱动质量块连接，在所述检测质量块表面上方沉积有蛇形通电线圈。进一步地，所述蛇形通电线圈对应所述检测质量块的位置形成连续回形结构的弯折体，并所述蛇形通电线圈通过蛇形通电线圈电极与支撑框架连接。进一步地，所述键合基板与微陀螺结构通过键合凸点相互连接；所述微陀螺结构与磁阻基板通过粘接凸点相互连接。进一步地，所述键合基板朝向所述微陀螺结构的一面镶嵌设置有至少两个驱动磁体；所述驱动磁体包括采用钕铁硼永磁体。进一步地，所述驱动质量块通过驱动组合梁设置于检测质量块与支撑框架之间。进一步地，所述驱动质量块四个边角处分别设置有驱动组合梁，所述驱动组合梁包括第一驱动梁、第二驱动梁、及驱动梁连接块；所述第一驱动梁、第二驱动梁为梁的长度远大于宽度的细长梁结构，所述第一驱动梁、第二驱动梁分别位于驱动梁连接块两侧并相互平行，连接驱动质量块和驱动梁连接块，驱动梁连接块整体为“T”形结构，连接所述第一驱动梁、第二驱动梁、及支撑框架。进一步地，所述检测质量块四周边角处设置有检测组合梁，所述检测组合梁与驱动质量块连接，所述检测组合梁包括第一检测梁、第二检测梁和检测梁连接块；所述第一检测梁、第二检测梁为梁的长度远大于宽度的细长梁结构，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置，其特征在于，所述隧道磁阻微陀螺装置包括至少一个键合基板、至少一个微陀螺结构、及至少一个磁阻基板；/n所述键合基板的一侧依次层叠设置所述微陀螺结构、及磁阻基板，所述微陀螺结构具有提供恒定的磁场的蛇形通电线圈，所述磁阻基板具有敏感外界磁场变化的隧道磁阻元件，所述蛇形通电线圈与隧道磁阻元件相对设置，并通过隧道磁阻原理进行角速率信号检测。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置，其特征在于，所述隧道磁阻微陀螺装置包括至少一个键合基板、至少一个微陀螺结构、及至少一个磁阻基板；
所述键合基板的一侧依次层叠设置所述微陀螺结构、及磁阻基板，所述微陀螺结构具有提供恒定的磁场的蛇形通电线圈，所述磁阻基板具有敏感外界磁场变化的隧道磁阻元件，所述蛇形通电线圈与隧道磁阻元件相对设置，并通过隧道磁阻原理进行角速率信号检测。


2.根据权利要求1所述一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置，其特征在于，所述微陀螺结构包括至少一个支撑框架、至少一个驱动质量块、至少一个检测质量块、至少一个蛇形通电线圈；
所述支撑框架为一个用于支撑驱动质量块、检测质量块的框架体结构，并所述支撑框架位于微陀螺结构最外层，在所述支撑框架内设置所述驱动质量块、及检测质量块，在所述支撑框架上沉积有驱动电极、驱动反馈电极、蛇形通电线圈电极。


3.根据权利要求2所述一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置，其特征在于，所述支撑框架通过驱动电极与驱动质量块连接；
所述检测质量块设置于微陀螺结构的中心位置，并通过检测组合梁与驱动质量块连接，在所述检测质量块表面上方沉积有蛇形通电线圈。


4.根据权利要求2所述一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置，其特征在于，所述蛇形通电线圈对应所述检测质量块的位置形成连续回形结构的弯折体，并所述蛇形通电线圈通过蛇形通电线圈电极与支撑框架连接。


5.根据权利要求1所述一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置，其特征在于，所述键合基板与微陀螺结构通过键合凸点相互连接；
所述微陀螺结构与磁阻基板...

【专利技术属性】
技术研发人员：李孟委，张瑞，丁希聪，秦世洋，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：新型
国别省市：山西;14