CN107356249A - 一种隧道磁阻检测的微惯性组件 - Google Patents

Abstract

一种隧道磁阻检测的微惯性组件，主要结构由键合基板，支撑框架、敏感质量块、检测梁、连接块、悬臂梁、检测磁体、隧道磁阻元件、信号线组成，在支撑框架上设置敏感质量块、检测组合梁、悬臂梁，在敏感质量块上设置检测磁体，检测组合梁由检测梁、连接块组成，隧道磁阻元件设置于键合基板凹槽上并与敏感质量块上方检测磁体相对应，对微弱磁场变化具有高灵敏特性，此装置结构设计合理、简单，无需驱动，易单片集成，适合微型化。

Description

一种隧道磁阻检测的微惯性组件

技术领域

本发明属惯性导航的技术领域，具体涉及一种隧道磁阻检测的微惯性组件。

背景技术

惯性技术主要包括惯性制导、惯性导航、惯性测量等重要关键技术，是唯一同时具有自主、实时、连续、不受干扰的运动信息感知技术。惯性导航技术主要是姿态角的测量，其中核心器件是陀螺和加速度计，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，微惯性组件大都采用单轴惯性器件陀螺分立集成，分立集成具有设计简单的优点，但显露出体积大、集成度低等问题。随着MEMS技术的不断提高，测量全空间姿态信息的单片集成微惯性组件将成为发展的必然趋势，单片集成微惯性组件应用于惯性导航***中，具有体积小、集成度高等优势。

微惯性***的核心是陀螺，所以微惯性***的体积、成本、精度、过载能力等指标取决于所采用的陀螺性能。陀螺按工作原理分为三大类，分别是机械陀螺、光学陀螺和MEMS陀螺，机械式陀螺精度高但体积较大，抗载能力不强；光学陀螺相对体积较小但成本高，仅能应用于高端领域，在战术导弹、智能炮弹、无人机、无人车、稳像稳瞄等武器***因成本、体积和过载性能要求局限较大，这就使得MEMS陀螺因成本低、体积小、抗冲击能力强等性能具备了在微惯性***中广泛使用的优势。

在现有技术中，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，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；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，制约该方向的发展；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。因此，急需开展新效应检测原理的结构研究。

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，本专利正是利用这一优势，将隧道磁阻效应应用于三轴角速率和三轴加速度信号的检测。

本发明设计了一种隧道磁阻检测的微惯性组件，整体结构设计合理、简单，集成度高，无需驱动，体积小，本专利创新性的将无驱动的三轴非谐振式微陀螺和三轴加速度计集成到同一框体上，且将隧道磁阻效应应用到微惯性组件中，实现三轴角速率和三轴加速度信号的检测，在该技术领域还尚未见有报道，是世界科技界予以探索的技术领域。

发明内容

本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计一种无驱动且高集成的、用隧道磁阻元件进行检测的微惯性组件，使微惯性组件整体结构更加简单、易单片集成。

技术方案

本发明主要结构由：键合基板、支撑框架、敏感质量块、检测梁、连接块、悬臂梁、检测磁体、隧道磁阻元件、信号线组成，在键合基板37的上部设置凹槽51，在凹槽51的左、右部对称设置第一隧道磁阻元件38、第三隧道磁阻元件40，并粘结固牢，在凹槽51的前、后部对称设置第二隧道磁阻元件39、第四隧道磁阻元件41，并粘结固牢，在凹槽51的中部设置第五隧道磁阻元件42，并粘结固牢，在键合基板37上方设置支撑框架1，并粘结固牢，在支撑框架1的前、后、左、右四个位置设置第二敏感质量块3、第四敏感质量块5、第一敏感质量块2、第三敏感质量块4，在第一敏感质量块2两侧设置第一检测组合梁7、第二检测组合梁8并与支撑框架1吻合连接，在第二敏感质量块3两侧设置第三检测组合梁9、第四检测组合梁10并与支撑框架1吻合连接，在第三敏感质量块4两侧设置第五检测组合梁11、第六检测组合梁12并与支撑框架1吻合连接，第四敏感质量块5两侧设置第七检测组合梁13、第八检测组合梁14并与支撑框架1吻合连接，在支撑框架1的中间位置设置第五敏感质量块6和第一悬臂梁31、第二悬臂梁32、第三悬臂梁33、第四悬臂梁34，并与支撑框架1吻合连接，在第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5的上方中间位置设置第一检测磁体15、第二检测磁阻16、第三检测磁体17、第四检测磁体18，并粘结固牢，第一敏感质量块2、第三敏感质量块4可在键合基板37上做左、右移动，第二敏感质量块3、第四敏感质量块5可在键合基板37上做前、后移动，在第五敏感质量块6的上方中间位置设置第五检测磁体19，并粘结固牢，第五敏感质量块6可在键合基板37上做上、下移动，在第一隧道磁阻元件38、第二隧道磁阻元件39、第三隧道磁阻元件40、第四隧道磁阻元件41、第五隧道磁阻元件42的侧面布置第一信号线43、第二信号线44。

所述键合基板37为方形，在键合基板37的上部设置凹槽51，在凹槽51的左、右部对称设置第一隧道磁阻元件38、第三隧道磁阻元件40，并粘结固牢，在凹槽51的前、后部对称设置第二隧道磁阻元件39、第四隧道磁阻元件41，并粘结固牢，在凹槽51的中部设置第五隧道磁阻元件42，并粘结固牢，在键合基板37上方设置支撑框架1，并粘结固牢，并与支撑框架1大小尺寸相同。

所述支撑框架1为方形，在支撑框架1的前、后、左、右四个位置设置第二座槽21、第四座槽23、第一座槽20、第三座槽22，在第一座槽20中设置第一敏感质量块2、第一检测组合梁7、第二检测组合梁8，在第二座槽21中设置第二敏感质量块3、第三检测组合梁9、第四检测组合梁10，在第三座槽22中设置第三敏感质量块4、第五检测组合梁11、第六检测组合梁12，在第四座槽23中设置第四敏感质量块4、第七检测组合梁13、第八检测组合梁14，在支撑框架1的中间位置设置第五座槽24，在第五座槽24中设置第五敏感质量块6和第一悬臂梁31、第二悬臂梁32、第三悬臂梁33、第四悬臂梁34，并通过各悬臂梁与支撑框架1吻合连接。

所述第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5，结构尺寸一样，分别沿X轴和Y轴上对称分布，在第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5的两侧留有第一检测运动空间35、第二检测运动空间36，第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5的上方设置第一检测磁体15、第二检测磁阻16、第三检测磁体17、第四检测磁体18，分别与凹槽51上方设置的第一隧道磁阻元件38、第二隧道磁阻元件39、第三隧道磁阻元件40、第四隧道磁阻元件41相对应，在第五敏感质量块6的上方设置第五检测磁体19，与凹槽51上方设置的第五隧道磁阻元件42相对应。

所述第一检测组合梁7、第二检测组合梁8、第三检测组合梁9、第四检测组合梁10、第五检测组合梁11、第六检测组合梁12、第七检测组合梁13、第八检测组合梁14，结构尺寸一样，各检测组合梁由连接块和检测梁组成，在第一连接块29、第二连接块30的左、右部设置第一检测梁25、第二检测梁26、第三检测梁27、第四检测梁28，第一连接块29用于连接第一检测梁25、第二检测梁26和支撑框架1，第二连接块30用于连接第三检测梁27、第四检测梁28和支撑框架1，所述第一连接块29、第二连接块30呈“T”形，厚度与各检测梁和各敏感质量块的厚度一致，第一连接块29左右部设置第一检测梁25、第二检测梁26，第二连接块30左右部设置第三检测梁27、第四检测梁28，所述第一检测梁25、第二检测梁26、第三检测梁27、第四检测梁28呈“细长梁”结构，即梁的长度远大于它的宽度，用于连接第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5与第一连接块29、第二连接块30，且同一个连接块左右两侧设置的两个检测梁相互平行。

所述第一悬臂梁31、第二悬臂梁32、第三悬臂梁33、第四悬臂梁34，共4个，结构尺寸一样，在第五敏感质量块6的前、后、左、右侧四个位置设置第二悬臂梁32、第四悬臂梁34、第一悬臂梁31、第三悬臂梁33，用于连接第五敏感质量块6与支撑框架1，所述悬臂梁呈扁平状，即梁的宽度远大于厚度，保证在Z轴方向的刚度远小于其它两个方向，且第一悬臂梁31、第二悬臂梁32、第三悬臂梁33、第四悬臂梁34的厚度远小于敏感质量块6和支撑框架1的厚度。

所述第一检测磁体15、第二检测磁体16、第三检测磁体17、第四检测磁体18、第五检测磁体19，大小尺寸完全相同，可以为永磁体、通电线圈、光控磁体等一切可产生磁场的装置，形状可为方形、矩形、圆形等，设置在第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5、第五敏感质量块6上，并与凹槽51上设置的第一隧道磁阻元件38、第二隧道磁阻元件39、第三隧道磁阻元件40、第四隧道磁阻元件41、第五隧道磁阻元件42位置相对应，且各检测磁体可与相应的隧道磁阻元件互换位置。

所述的第一隧道磁阻元件38、第二隧道磁阻元件39、第三隧道磁阻元件40、第四隧道磁阻元件41，第五隧道磁阻元件42，共5个，结构尺寸一样，分别设置于凹槽51的左部、前部、右部、后部、中部，各隧道磁阻元件为多层纳米膜结构，主要结构由衬底层45、磁性自由层49、绝缘层48、磁性钉扎层47、顶电极层50和底电极层46组成，在顶电极层50和底电极层46设置第一信号线43、第二信号线44，从而通过第一信号线43、第二信号线44将各隧道磁阻元件所检测出的信号与外部处理电路连接。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，此装置是采用整体结构设计，以键合基板为载体，在支撑框架前、后、左、右对称设置结构一样的四个敏感质量块和八个检测组合梁，并与支撑框架吻合连接，在支撑框架中间位置设置一个敏感质量块和四个悬臂梁，并与支撑框架吻合连接，在凹槽前、后、左、右、中对称位置设置结构一样的五个隧道磁阻元件，在敏感质量块上设置检测磁体并与凹槽上部设置的隧道磁阻元件相对应，检测组合梁由连接块、检测梁组成，隧道磁阻元件由衬底层、磁性自由层、绝缘层、磁性钉扎层、顶电极层、底电极层组成，此装置结构设计合理简单、无需驱动、易单片集成、使用方便、可靠性好，适合于高速旋转物体角速率和加速度的测量。

附图说明

图1为整体结构示意图

图2为整体结构俯视图

图3为整体结构侧视图

图4为键合基板结构图

图5为键合基板俯视图

图6为支撑框架结构图

图7为支撑框架俯视图

图8为敏感质量块结构图

图9为敏感质量块俯视图

图10为敏感质量块侧视图

图11为敏感质量块及检测组合梁结构图

图12为敏感质量块及检测组合梁俯视图

图13为敏感质量块及检测组合梁侧视图

图14为敏感质量块及悬臂梁结构图

图15为敏感质量块及悬臂梁俯视图

图16为敏感质量块及悬臂梁侧视图

图17为检测梁处检测磁体与隧道磁阻元件位置结构图

图18为检测梁处检测磁体与隧道磁阻元件位置剖视图

图19为悬臂梁处检测磁体与隧道磁阻元件位置结构图

图20为悬臂梁处检测磁体与隧道磁阻元件位置正视图

图21为隧道磁阻元件纳米多层膜结构

图22为另一实施例的敏感质量块及检测组合梁示意图

图中所示，附图标记清单如下：

1-支撑框架；2-第一敏感质量块；3-第二敏感质量块；4-第三敏感质量块；5-第四敏感质量块；6-第五敏感质量块；7-第一检测组合梁；8-第二检测组合梁；9-第三检测组合梁；10-第四检测组合梁；11-第五检测组合梁；12-第六检测组合梁；13-第七检测组合梁；14-第八检测组合梁；15-第一检测磁体；16-第二检测磁体；17-第三检测磁体；18-第四检测磁体；19-第五检测磁体；20-第一座槽；21-第二座槽；22-第三座槽；23-第四座槽；24-第五座槽；25-第一检测梁；26-第二检测梁；27-第三检测梁；28-第四检测梁；29-第一连接块；30-第二连接块；31-第一悬臂梁；32-第二悬臂梁；33-第三悬臂梁；34-第四悬臂梁；35-第一检测运动空间；36-第二检测运动空间；37-键合基板；38-第一隧道磁阻元件；39-第二隧道磁阻元件；40-第三隧道磁阻元件；41-第四隧道磁阻元件；42-第五隧道磁阻元件；43-第一信号线；44-第二信号线；45-衬底层；46-底电极层；47-磁性钉扎层；48-绝缘层；49-磁性自由层；50-顶电极层；51-凹槽。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2、3所示，为本发明实施例的结构示意图，所述微惯性组件包括键合基板37、支撑框架1、第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5、第五敏感质量块6、第一检测组合梁7、第二检测组合梁8、第三检测组合梁9、第四检测组合梁10、第五检测组合梁11、第六检测组合梁12、第七检测组合梁13、第八检测组合梁14、第一悬臂梁31、第二悬臂梁32、第三悬臂梁33、第四悬臂梁34、第一检测磁体15、第二检测磁体16、第三检测磁体17、第四检测磁体18、第五检测磁体19、第一隧道磁阻元件38、第二隧道磁阻元件39、第三隧道磁阻元件40、第四隧道磁阻元件41、第五隧道磁阻元件42、第一信号线35、第二信号线36，在键合基板37上设置支撑框架1，并粘结固牢，在支撑框架1的前、后、左、右四个位置设置第二敏感质量块3、第四敏感质量块5、第一敏感质量块2、第三敏感质量块4和第一检测组合梁7、第二检测组合梁8、第三检测组合梁9、第四检测组合梁10、第五检测组合梁11、第六检测组合梁12、第七检测组合梁13、第八检测组合梁14，并与支撑框架1吻合连接，在支撑框架1的中间位置设置第五敏感质量块6和第一悬臂梁31、第二悬臂梁32、第三悬臂梁33、第四悬臂梁34，并与支撑框架1吻合连接，在第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5的上方中间位置设置第一检测磁体15、第二检测磁阻16、第三检测磁体17、第四检测磁体18，并粘结固牢，第一敏感质量块2、第三敏感质量块4可在键合基板37上做左、右移动，第二敏感质量块3、第四敏感质量块5可在键合基板37上做前、后移动，在第五敏感质量块6的上方中间位置设置第五检测磁体19，并粘结固牢，第五敏感质量块6可在键合基板37上做上、下移动。

图4、5所示，为键合基板结构图，键合基板37整体结构为方形，由半导体材料制成，中间经工艺加工刻蚀有一矩形凹槽51，在凹槽51的左、右部对称设置第一隧道磁阻元件38、第三隧道磁阻元件40，并粘结固牢，在凹槽51的前、后部对称设置第二隧道磁阻元件39、第四隧道磁阻元件41，并粘结固牢，在凹槽51的中部设置第五隧道磁阻元件42，并粘结固牢，凹槽51的深度大于各隧道磁阻元件的厚度，在第一隧道磁阻元件38、第二隧道磁阻元件39、第三隧道磁阻元件40、第四隧道磁阻元件41、第五隧道磁阻元件42的侧面布置第一信号线43、第二信号线44，第一信号线43、第二信号线44均为金线，用于将各隧道磁阻检测出的信号引出。

图6、7所示，为支撑框架结构图，支撑框架1位于键合基板37上，与键合基板37长宽尺寸一致，在支撑框架1的前、后、左、右部设置第二座槽21、第四座槽23、第一座槽20、第三座槽22，呈矩形槽，在第一座槽20中设置第一敏感质量块2、第一检测组合梁7、第二检测组合梁8，在第二座槽21中设置第二敏感质量块3、第三检测组合梁9、第四检测组合梁10，在第三座槽22中设置第三敏感质量块4、第五检测组合梁11、第六检测组合梁12，在第四座槽23中设置第四敏感质量块4、第七检测组合梁13、第八检测组合梁14，在支撑框架1的中间位置设置第五座槽24，呈方形槽，在第五座槽24中设置第五敏感质量块6和第一悬臂梁31、第二悬臂梁32、第三悬臂梁33、第四悬臂梁34，并通过各悬臂梁与支撑框架1吻合连接，各座槽的宽度大于敏感质量块的宽度，为各敏感质量块提供运动空间。

图8、9、10所示，为敏感质量块结构图，第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5，结构尺寸一样，在第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5上方设置第一检测磁体15、第二检测磁体16、第三检测磁体17、第四检测磁体18，具体以第一敏感质量块2为例，在第一敏感质量块2上方设置第一检测磁体15，两侧对称设置第一检测运动空间35、第二检测运动空间36，第一检测运动空间35、第二检测运动空间36用于设置检测组合梁。

图11、12、13所示，为敏感质量块及检测组合梁结构图，敏感质量块可为第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5，检测组合梁包括第一检测组合梁7、第二检测组合梁8、第三检测组合梁9、第四检测组合梁10、第五检测组合梁11、第六检测组合梁12、第七检测组合梁13、第八检测组合梁14，共8个，结构尺寸一样，在第一敏感质量块2两侧设置第一检测组合梁7、第二检测组合梁8，在第二敏感质量块3两侧设置第三检测组合梁9、第四检测组合梁10，在第三敏感质量块4两侧设置第五检测组合梁11、第六检测组合梁12，第四敏感质量块5两侧设置第七检测组合梁13、第八检测组合梁14，各检测组合梁由两个检测梁和一个连接块组成，两个检测组合梁支撑一个敏感质量块，具体以第一敏感质量块2为例，在第一敏感质量块2的两侧对称设置第一检测组合梁7和第二检测组合梁8，第一检测组合梁7由第二连接块30、第三检测梁27、第四检测梁28组成，第二检测组合梁8由第一连接块29、第一检测梁25、第二检测梁26组成，第一连接块29、第二连接块30，呈“T”形，厚度与第一检测梁25、第二检测梁26、第三检测梁27、第四检测梁28和第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5的厚度一致，用于连接支撑框架1和检测梁，在第一连接块29的两侧对称设置第一检测梁25、第二检测梁26，第二连接块30两侧对称设置第三检测梁27、第四检测梁28，各检测梁呈“细长梁”结构，即梁的长度远大于它的宽度，用于连接敏感质量块与连接块，两个检测梁相互平行，且结构尺寸完全相同，在第一敏感质量块2上方设置第一检测磁体15，各检测磁体可以为永磁体、通电线圈、光控磁体等一切可产生磁场的装置。

图14、15、16所示，为敏感质量块及悬臂梁结构图，第一悬臂梁31、第二悬臂梁32、第三悬臂梁33、第四悬臂梁34，共4个，结构尺寸一样，在第五敏感质量块6的前、后、左、右侧四个位置设置第二悬臂梁32、第四悬臂梁34、第一悬臂梁31、第三悬臂梁33，用于连接第五敏感质量块6与支撑框架1，所述悬臂梁呈扁平状，即梁的宽度远大于厚度，保证在Z轴方向的刚度远小于其它两个方向，且第一悬臂梁31、第二悬臂梁32、第三悬臂梁33、第四悬臂梁34的厚度远小于敏感质量块6和支撑框架1的厚度。

图17、18、19、20所示，为边侧检测磁体与隧道磁阻元件位置图，敏感质量块可为第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5，上方设置第一检测磁体15、第二检测磁体16、第三检测磁体17、第四检测磁体18，并与下方键合基板37上部设置的第一隧道磁阻元件38、第二隧道磁阻元件39、第三隧道磁阻元件40、第四隧道磁阻元件41相对应，具体以第一敏感质量块2为例，在第一敏感质量块2的上方中间位置设置第一检测磁体15，通过第一检测组合梁7和第二检测组合梁8与支撑框架1连接，并粘结固牢，在键合基板37上对称设置第一隧道磁阻元件38，第一隧道磁阻元件38位于凹槽X轴上，且临近键合基板37边缘，并与第一敏感质量块2上方设置的第一检测磁体15相对应，第一隧道磁阻元件38具***于第一检测磁体15产生的高磁场变化率区域，且第一检测磁体15可与第一隧道磁阻元件38互换位置。

图19、20所示，中心质量块处检测磁体与隧道磁阻元件位置图，敏感质量块为第五敏感质量块6，前、后、左、右部设置第二悬臂梁32、第四悬臂梁34、第一悬臂梁31、第三悬臂梁33，上方设置第五检测磁体19，并与下方键合基板37上方中间部分设置的第五隧道磁阻元件42相对应，具***于第五检测磁体19产生的高磁场变化率区域，且第五检测磁体19可与第五隧道磁阻元件42互换位置。

图21所示，为隧道磁阻元件纳米多层膜结构图，在半导体材料衬底层45上自上而下依次排布为顶电极层50、磁性自由层49、绝缘层48、磁性钉扎层47、底电极层46，当外界磁场发生变化时，隧道磁阻元件38、39、40、41、42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50和底电极层46将检测信号输出。

图22(a),图22(b)所示，为另一实施例的敏感质量块及检测组合梁示意图，敏感质量块可为第一敏感质量块2、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5，在第一敏感质量块2两侧设置第一检测组合梁7、第二检测组合梁8，在第二敏感质量块3两侧设置第三检测组合梁9、第四检测组合梁10，在第三敏感质量块4两侧设置第五检测组合梁11、第六检测组合梁12，第四敏感质量块5两侧设置第七检测组合梁13、第八检测组合梁14，各检测组合梁由两个检测梁和一个连接块组成，两个检测组合梁支撑一个敏感质量块，具体以第一敏感质量块2为例，在第一敏感质量块2的两侧对称设置第一检测组合梁7和第二检测组合梁8，第一检测组合梁7可由第二连接块30、第三检测梁27、第四检测梁28组成，第二检测组合梁8可由第一连接块29、第一检测梁25、第二检测梁26组成，此外第一检测组合梁7也可由第三检测梁27、第四检测梁28组成，第二检测组合梁8可由第一检测梁25、第二检测梁26组成，第一检测梁25、第二检测梁26、第三检测梁27、第四检测梁28可弯曲折叠，为多层梁结构，层数可为1-7层，刚度较小，微弱的惯性力即可使检测梁结构发生弯曲，可有效提高微惯性组件的检测灵敏度。

发明原理：

当有X轴加速度输入时，X轴上的两个敏感质量块受惯性力作用沿X轴发生同向运动，两个敏感质量块带动上方两个检测磁体相对于键合基板凹槽上方的隧道磁阻元件发生微小位移，检测磁体和隧道磁阻元件之间相对位移发生变化，隧道磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件中自旋电子隧穿几率变化而发生隧道磁阻效应，从而导致隧道磁阻元件的阻值发生剧烈变化，通过测量隧道磁阻元件的阻值变化可实现X轴加速度的检测。

当有Y轴加速度输入时，Y轴上的两个敏感质量块受惯性力作用沿Y轴发生同向运动，两个敏感质量块带动上方两个检测磁体相对于键合基板凹槽上方的隧道磁阻元件发生微小位移，检测磁体和隧道磁阻元件之间相对位移发生变化，隧道磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件中自旋电子隧穿几率变化而发生隧道磁阻效应，从而导致隧道磁阻元件的阻值发生剧烈变化，通过测量隧道磁阻元件的阻值变化可实现Y轴加速度的检测。

当有Z轴加速度输入时，Z轴上的敏感质量块受惯性力作用发生沿Z轴向上或向下运动，敏感质量块带动上方检测磁体相对于键合基板凹槽上方的隧道磁阻元件发生微小位移，检测磁体和隧道磁阻元件之间相对位移发生变化，隧道磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件中自旋电子隧穿几率变化而发生隧道磁阻效应，从而导致隧道磁阻元件的阻值发生剧烈变化，通过测量隧道磁阻元件的阻值变化可实现Z轴加速度的检测。

当有X轴角速率输入时，Y轴上的两个敏感质量块受离心力作用向外运动，两个敏感质量块带动上方两个检测磁体相对于键合基板凹槽上方的隧道磁阻元件发生微小位移，检测磁体和隧道磁阻元件之间相对位移发生变化，隧道磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件中自旋电子隧穿几率变化而发生隧道磁阻效应，从而导致隧道磁阻元件的阻值发生剧烈变化，通过测量隧道磁阻元件的阻值变化可实现X轴角速率的检测。

当有Y轴角速率输入时，X轴上的两个敏感质量块受离心力作用向外运动，两个敏感质量块带动上方两个检测磁体相对于键合基板凹槽上方的隧道磁阻元件发生微小位移，检测磁体和隧道磁阻元件之间相对位移发生变化，隧道磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件中自旋电子隧穿几率变化而发生隧道磁阻效应，从而导致隧道磁阻元件的阻值发生剧烈变化，通过测量隧道磁阻元件的阻值变化可实现Y轴角速率的检测。

当有Z轴角速率输入时，X轴和Y轴上的共四个敏感质量块受离心力作用向外运动，敏感质量块带动检测磁体相对于键合基板凹槽上方的隧道磁阻元件发生微小位移，检测磁体和隧道磁阻元件之间相对位移发生变化，隧道磁阻元件敏感到微小位移引起的磁场变化，磁场变化引起隧道磁阻元件中自旋电子隧穿几率变化而发生隧道磁阻效应，从而导致隧道磁阻元件的阻值发生剧烈变化，通过测量隧道磁阻元件的阻值变化可实现Z轴角速率的检测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种隧道磁阻检测的微惯性组件,其特征在于，所述微惯性组件应用隧道磁阻效应进行角速率、及加速度检测，所述微惯性组件包括：

作为载体的键合基板，所述键合基板为中空的框架结构，在键合基板的内周侧处、及中间位置固定设置有隧道磁阻元件；

与键合基板固定的支撑框架，在所述支撑框架的中间位置通过悬臂梁结构连接有敏感质量块，所述支撑框架内周边处对应隧道磁阻元件的正上方位置设置有检测组合梁，所述检测组合梁包括检测梁、连接块；

所述检测梁为至少一层弯曲折叠的细长梁结构，并通过所述连接块连接所述支撑框架，检测微惯性组件惯性力、及离心力的位移，增大检测位移的灵敏度。

2.根据权利要求1所述一种隧道磁阻检测的微惯性组件,其特征在于，所述支撑框架为中空的方形框架，所述方形框架的内周边中间处设置有检测磁体、及敏感质量块；

所述检测梁一端通过所述连接块连接支撑框架，另一端连接所述敏感质量块。

3.根据权利要求2所述一种隧道磁阻检测的微惯性组件,其特征在于，位于所述支撑框架正中间的敏感质量块分别通过四根悬臂梁与支撑框架的内周边固定连接；

所述敏感质量块的一侧面设置所述检测磁体；

所述检测磁体与所述隧道磁阻元件对应设置，并可相互交互位置。

4.根据权利要求1所述一种隧道磁阻检测的微惯性组件,其特征在于，所述连接块用于连接支撑框架和检测梁；

所述检测梁的梁的长度远大于它的宽度，用于连接敏感质量块与连接块。

5.根据权利要求3所述一种隧道磁阻检测的微惯性组件,其特征在于，所述检测组合梁包括第一检测组合梁、第二检测组合梁、第三检测组合梁、第四检测组合梁、第五检测组合梁、第六检测组合梁、第七检测组合梁、第八检测组合梁；

所述敏感质量块包括第一敏感质量块、第二敏感质量块、第三敏感质量块、第四敏感质量块、第五敏感质量块；

所述第一敏感质量块两侧分别连接所述第一检测组合梁、第二检测组合梁，所述第二敏感质量块两侧分别连接所述第三检测组合梁、第四检测组合梁，所述第三敏感质量块两侧分别连接第五检测组合梁、第六检测组合梁，所述第四敏感质量块两侧分别连接第七检测组合梁、第八检测组合梁；

所述第五敏感质量块位于所述支撑框架的中间位置，并通过悬臂梁与所述隧道磁阻元件对应设置。

6.根据权利要求5所述一种隧道磁阻检测的微惯性组件,其特征在于，所述悬臂梁包括第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第四悬臂梁，所述第五敏感质量块分别通过所述第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第四悬臂梁与所述支撑框架的四周边垂直连接。

7.根据权利要求1所述一种隧道磁阻检测的微惯性组件,其特征在于，所述隧道磁阻元件包括第一隧道磁阻元件、第二隧道磁阻元件、第三隧道磁阻元件、第四隧道磁阻元件、第五隧道磁阻元件；

所述键合基板整体结构为方形，中间经工艺加工刻蚀有一方形凹槽，在凹槽上对称设置第一隧道磁阻元件、第二隧道磁阻元件、第三隧道磁阻元件、第四隧道磁阻元件，并在所述键合基板的正中间位置设置所述第五隧道磁阻元件。

8.根据权利要求7所述一种隧道磁阻检测的微惯性组件,其特征在于，在第一隧道磁阻元件、第二隧道磁阻元件、第三隧道磁阻元件、第四隧道磁阻元件、第五隧道磁阻元件上均设置第一信号线、第二信号线。

9.根据权利要求5所述一种隧道磁阻检测的微惯性组件,其特征在于，在所述第一敏感质量块、第二敏感质量块、第三敏感质量块、第四敏感质量块、第五敏感质量块一侧面分别设置有第一检测磁体、第二检测磁体、第三检测磁体、第四检测磁体、第五检测磁体。

10.根据权利要求3所述一种隧道磁阻检测的微惯性组件,其特征在于，所述检测磁体包括但不限于永磁体、通电线圈、光控磁体；

所述检测磁体采用铁磁薄膜，所述检测磁体固定在敏感质量块一侧面，并与所述隧道磁阻元件对应隔空设置；

所述隧道磁阻元件为纳米多层膜结构，所述纳米多层膜结构在半导体材料衬底层上自上而下依次排布为顶电极层、磁性自由层、绝缘层、磁性钉扎层、底电极层。