CN107421525A - 一种隧道磁阻非谐振式三轴mems陀螺 - Google Patents

Abstract

一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺，主要结构由键合基板、支撑框架、敏感质量块、检测梁、连接块、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，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，此陀螺结构设计合理、简单，无需驱动，易单片集成。

Description

一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺

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非谐振式三轴MEMS陀螺。

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。

目前，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，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，对梳齿的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；电子隧道效应检测，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，特别是很难把隧道结隧尖和电极板之间的距离控制在纳米级，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，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。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非谐振式三轴陀螺信号的检测。

通过对本领域资料查新，发现西北工业大学前期申请了“一种新型MEMS离心式陀螺”(申请号为201110190016.X)，其采用的是角速率运动所产生的离心力驱动，电容式检测，该微陀螺设计的梁结构有解耦梁和弹性梁，对于实施例1，微陀螺中心位置设置中心锚点，通过四组弹性梁与四个质量块连接，解耦梁呈弧形，梁结构复杂且加工难度大，加工时梁易断裂；对于实施例2，微陀螺中心位置中心锚点，通过四组弹性梁与四个质量块连接，设置四个边角锚点，单个质量块通过四组解耦梁与边角锚点连接，所采用的检测方式为电容检测，检测灵敏度低，活动梳齿和固定梳齿受电压容易击穿，横向冲击时也会吸合失效，对梳齿制造工艺精度要求极高，成品率较低。

本发明设计的微陀螺结构与对比专利中的微陀螺结构完全不同，对比专利中微陀螺中心位置设置有中心锚点，通过四组弹性梁连接四个质量块，且设计的梁结构部分为弧形梁，工艺加工困难，而本专利所设计的非谐振式微陀螺不同之处在于无中心锚点及弹性梁结构，所设计的梁结构为直梁，每个检测组合梁由一个连接块和两个检测梁组成，相对于弧形梁结构，梁结构设计更加合理简单，易单片集成，刚度小，检测位移大。

本发明设计了一种隧道磁阻检测的非谐振式三轴微陀螺，整体结构合理简单，无需驱动，易单片集成，本专利创新性的将隧道磁阻效应应用到非谐振式微陀螺中，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

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计一种无驱动的、用高灵敏特性的隧道磁阻元件进行检测的非谐振式三轴MEMS陀螺，使微陀螺整体结构更加简单、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、检测磁体、隧道磁阻元件、信号线组成，在键合基板30的上部设置凹槽43，在凹槽43的左、右部对称设置第一隧道磁阻元件31、第三隧道磁阻元件33，并粘结固牢，在凹槽43的前、后部对称设置第二隧道磁阻元件32、第四隧道磁阻元件34，并粘结固牢，在键合基板30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6、第二检测组合梁7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8、第四检测组合梁9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10、第六检测组合梁11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12、第八检测组合梁13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14、第二检测磁体15、第三检测磁体16、第四检测磁体17，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30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30上做前、后移动，在第一隧道磁阻元件31、第二隧道磁阻元件32、第三隧道磁阻元件33、第四隧道磁阻元件34的侧面设置第一信号线35、第二信号线36。

所述键合基板30为方形，在键合基板30的上部设置凹槽43，在凹槽43的左、右部对称设置第一隧道磁阻元件31、第三隧道磁阻元件33，并粘结固牢，在凹槽43的前、后部对称设置第二隧道磁阻元件32、第四隧道磁阻元件34，并粘结固牢，在键合基板30上方设置支撑框架1，并粘结固牢，且与支撑框架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19、第四座槽21、第一座槽18、第三座槽20，在第一座槽18中设置第一敏感质量块2、第一检测组合梁6、第二检测组合梁7，在第二座槽19中设置第二敏感质量块3、第三检测组合梁8、第四检测组合梁9，在第三座槽20中设置第三敏感质量块4、第五检测组合梁10、第六检测组合梁11，在第四座槽21中设置第四敏感质量块4、第七检测组合梁12、第八检测组合梁13，第一敏感质量块2通过第一检测组合梁6、第二检测组合梁7与支撑框架1吻合连接，第二敏感质量块3通过第三检测组合梁8、第四检测组合梁9与支撑框架1吻合连接，第三敏感质量块4通过第五检测组合梁10、第六检测组合梁11与支撑框架1吻合连接，第四敏感质量块5通过第七检测组合梁12、第八检测组合梁13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，结构一样，第一敏感质量块2、第三敏感质量块4分布在X轴上，第二敏感质量块3、第四敏感质量块5分布在Y轴上，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28、第二检测运动空间29，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的上方设置第一检测磁体14、第二检测磁体15、第三检测磁体16、第四检测磁体17，分别与凹槽43上部设置的第一隧道磁阻元件31、第二隧道磁阻元件32、第三隧道磁阻元件33、第四隧道磁阻元件34相对应。

所述第一检测组合梁6、第二检测组合梁7、第三检测组合梁8、第四检测组合梁9、第五检测组合梁10、第六检测组合梁11、第七检测组合梁12、第八检测组合梁13，共8个，结构尺寸一样，各检测组合梁由连接块和检测梁组成，连接块包括第一连接块26、第二连接块27，检测梁包括第一检测梁22、第二检测梁23、第三检测梁24、第四检测梁25，在第一连接块26左、右部设置第一检测梁22、第二检测梁23，在第二连接块27左、右部设置第三检测梁24、第四检测梁25，第一连接块26用于连接第一检测梁22、第二检测梁23和支撑框架1，第二连接块27用于连接第三检测梁24、第四检测梁25和支撑框架1，所述连接块呈“T”形，厚度与第一检测梁22、第二检测梁23、第三检测梁24、第四检测梁25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，所述第一检测梁22、第二检测梁23、第三检测梁24、第四检测梁25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，且同一个连接块左右两侧设置的两个检测梁相互平行。

所述第一检测磁体14、第二检测磁体15、第三检测磁体16、第四检测磁体17，结构尺寸一样，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上，并与凹槽43上设置的第一隧道磁阻元件31、第二隧道磁阻元件32、第三隧道磁阻元件33、第四隧道磁阻元件34位置相对应，且第一检测磁体14、第二检测磁体15、第三检测磁体16、第四检测磁体17可与第一隧道磁阻元件31、第二隧道磁阻元件32、第三隧道磁阻元件33、第四隧道磁阻元件34互换位置。

所述的第一隧道磁阻元件31、第二隧道磁阻元件32、第三隧道磁阻元件33、第四隧道磁阻元件34，结构尺寸一样，分别设置于凹槽43的前、后、左、右部，隧道磁阻元件为多层纳米膜结构，主要结构由衬底层37、磁性自由层41、绝缘层40、磁性钉扎层39、顶电极层42和底电极层38组成，在顶电极层42和底电极层38设置第一信号线35、第二信号线36，从而通过第一信号线35、第二信号线36将第一隧道磁阻元件31、第二隧道磁阻元件32、第三隧道磁阻元件33、第四隧道磁阻元件34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，此陀螺是采用整体结构设计，以键合基板为载体，在支撑框架上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，在凹槽上部对称设置结构一样的四个隧道磁阻元件，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，隧道磁阻元件对微弱磁场变化具有高灵敏特性，可有效提高非谐振式微陀螺的检测灵敏度，此陀螺结构设计合理简单、无需驱动、易单片集成、使用方便，是十分理想的用于高速旋转物体角速率测量的微陀螺。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图

图2为本发明实施例的整体结构俯视图

图3为本发明实施例的整体结构侧视图

图4为本发明实施例的键合基板结构图

图5为本发明实施例的键合基板俯视图

图6为本发明实施例的支撑框架结构图

图7为本发明实施例的支撑框架俯视图

图8为本发明实施例的敏感质量块结构图

图9为本发明实施例的敏感质量块俯视图

图10为本发明实施例的敏感质量块侧视图

图11为本发明实施例的敏感质量块及检测组合梁结构图

图12为本发明实施例的敏感质量块及检测组合梁俯视图

图13为本发明实施例的敏感质量块及检测组合梁侧视图

图14为本发明实施例的检测磁体与隧道磁阻元件位置结构图

图15为本发明实施例的检测磁体与隧道磁阻元件位置剖视图

图16为本发明实施例的隧道磁阻元件纳米多层膜结构

图17为本发明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-第一座槽；19-第二座槽；20-第三座槽；21-第四座槽；22-第一检测梁；23-第二检测梁；24-第三检测梁；25-第四检测梁；26-第一连接块；27-第二连接块；28-第一检测运动空间；29-第二检测运动空间；30-键合基板；31-第一隧道磁阻元件；32-第二隧道磁阻元件；33-第三隧道磁阻元件；34-第四隧道磁阻元件；35-第一信号线；36-第二信号线；37-衬底层；38-底电极层；39-磁性钉扎层；40-绝缘层；41-磁性自由层；42-顶电极层；43-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，所述非谐振式三轴陀螺包括键合基板30，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，第一检测组合梁6、第二检测组合梁7、第三检测组合梁8、第四检测组合梁9、第五检测组合梁10、第六检测组合梁11、第七检测组合梁12、第八检测组合梁13，第一检测磁体14、第二检测磁体15、第三检测磁体16、第四检测磁体17，第一隧道磁阻元件31、第二隧道磁阻元件32、第三隧道磁阻元件33、第四隧道磁阻元件34，第一信号线35、第二信号线36，在键合基板30的上部设置凹槽43，在凹槽43的左、右部对称设置第一隧道磁阻元件31、第三隧道磁阻元件33，并粘结固牢，在凹槽43的前、后部对称设置第二隧道磁阻元件32、第四隧道磁阻元件34，并粘结固牢，在键合基板30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6、第二检测组合梁7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8、第四检测组合梁9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10、第六检测组合梁11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12、第八检测组合梁13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的上方位置设置第一检测磁体14、第二检测磁体15、第三检测磁体16、第四检测磁体17，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30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30上做前、后移动。

图4、5所示，为键合基板结构图，键合基板30整体结构为方形，中间经工艺加工刻蚀有一方形凹槽43，凹槽43上对称设置第一隧道磁阻元件31、第二隧道磁阻元件32、第三隧道磁阻元件33、第四隧道磁阻元件34，第一隧道磁阻元件31、第三隧道磁阻元件33位于凹槽X轴上，第二隧道磁阻元件32、第四隧道磁阻元件34位于凹槽Y轴上，且均临近凹槽43边缘位置，凹槽43的深度大于隧道磁阻元件的厚度，在第一隧道磁阻元件31、第二隧道磁阻元件32、第三隧道磁阻元件33、第四隧道磁阻元件34上设置第一信号线35、第二信号线36，第一信号线35、第二信号线36均为金线，可将隧道磁阻元件所检测出的信号引出。

图6、7所示，为支撑框架结构图，支撑框架1位于键合基板30上，与键合基板30长宽尺寸一致，在支撑框架1的前、后、左、右部分别设置第二座槽19、第四座槽21、第一座槽18、第三座槽20，在第一座槽18中设置第一敏感质量块2、第一检测组合梁6、第二检测组合梁7，在第二座槽19中设置第二敏感质量块3、第三检测组合梁8、第四检测组合梁9，在第三座槽20中设置第三敏感质量块4、第五检测组合梁10、第六检测组合梁11，在第四座槽21中设置第四敏感质量块4、第七检测组合梁12、第八检测组合梁13，每个座槽的宽度大于敏感质量块的宽度，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提供运动空间。

图8、9、10所示，为敏感质量块结构图，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14、第二检测磁体15、第三检测磁体16、第四检测磁体17，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14，两侧对称设置第一检测运动空间28、第二检测运动空间29，第一检测运动空间28、第二检测运动空间29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，敏感质量块包括第一敏感质量块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、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14、第二检测磁体15、第三检测磁体16、第四检测磁体17，检测组合梁包括第一检测组合梁6、第二检测组合梁7、第三检测组合梁8、第四检测组合梁9、第五检测组合梁10、第六检测组合梁11、第七检测组合梁12、第八检测组合梁13，结构尺寸一样，每个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，连接块包括第一连接块26、第二连接块27，连接块分别设置在各敏感质量块的检测运动空间内，检测梁包括第一检测梁22、第二检测梁23、第三检测梁24、第四检测梁25，具体以第一敏感质量块2为例，第一敏感质量块2通过前、后部设置的第二检测组合梁7、第一检测组合梁6与支撑框架连接，第一检测组合梁6由第二连接块27、第三检测梁24、第四检测梁25组成，第二检测组合梁7由第一连接块26、第一检测梁22、第二检测梁23组成，每个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，连接块包括第一连接块26、第二连接块27，连接块分别设置在各敏感质量块的检测运动空间内，以第一敏感质量块2为例，检测梁包括第一检测梁22、第二检测梁23、第三检测梁24、第四检测梁25，连接块呈“T”形，厚度与各检测组合梁和敏感质量块的厚度一致，用于连接支撑框架1和检测梁，在第一连接块26的两侧对称设置第一检测梁22、第二检测梁23，在第二连接块27的两侧对称设置第三检测梁24、第四检测梁25，各检测梁结构尺寸一样，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，同一个检测组合梁的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14，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所示，为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，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上设置第一检测磁体14、第二检测磁体15、第三检测磁体16、第四检测磁体17，并粘结固牢，在凹槽上对称设置第一隧道磁阻元件31、第二隧道磁阻元件32、第三隧道磁阻元件33、第四隧道磁阻元件34，检测组合梁可为第一检测组合梁6、第二检测组合梁7、第三检测组合梁8、第四检测组合梁9、第五检测组合梁10、第六检测组合梁11、第七检测组合梁12、第八检测组合梁13，在第一敏感质量块2两侧设置第一检测组合梁6、第二检测组合梁7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8、第四检测组合梁9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10、第六检测组合梁11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12、第八检测组合梁13并与支撑框架1吻合连接。具体以第一敏感质量块2为例，第一敏感质量块2两侧设置第一检测组合梁6、第二检测组合梁7，并与支撑框架1连接固牢，第一敏感质量块2上方设置有第一检测磁体14，并与键合基板30上方的第一隧道磁阻元件31相对应，具***于第一检测磁体1产生的高磁场变化率区域，且第一检测磁体14可与第一隧道磁阻元件31互换位置。

图16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37上自上而下依次排布为顶电极层42、磁性自由层41、绝缘层40、磁性钉扎层39、底电极层38，当外界磁场发生变化时，第一隧道磁阻元件31、第二隧道磁阻元件32、第三隧道磁阻元件33、第四隧道磁阻元件34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42和底电极层38将检测信号输出。

图17(a)、图17(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、第二敏感质量块3、第三敏感质量块4、第四敏感质量块5上设置第一检测磁体14、第二检测磁体15、第三检测磁体16、第四检测磁体17，并粘结固牢，在第一敏感质量块2两侧设置第一检测组合梁6、第二检测组合梁7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8、第四检测组合梁9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10、第六检测组合梁11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12、第八检测组合梁13并与支撑框架1吻合连接。具体以第一敏感质量块2为例，在第一敏感质量块2两侧对称设置第一检测组合梁6、第二检测组合梁7，第一检测组合梁6可由第二连接块27、第三检测梁24、第四检测梁25组成，第二检测组合梁7可由第一连接块26、第一检测梁22、第二检测梁23组成，此外第一检测组合梁6也可由第三检测梁24、第四检测梁25组成，第二检测组合梁7也可由第一检测梁22、第二检测梁23组成，第一检测梁22、第二检测梁23、第三检测梁24、第四检测梁25可弯曲折叠，为多层梁结构，层数可为1-7层，刚度较小，微弱的离心力即可使检测梁结构发生弯曲，可有效提高非谐振式微陀螺的检测灵敏度。

发明原理：

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，通过检测隧道磁阻元件电阻变化可实现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，通过检测隧道磁阻元件电阻变化可实现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，四个敏感质量块带动上方四个检测磁体相对于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，通过检测隧道磁阻元件电阻变化可实现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)

1.一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺，其特征在于，所述三轴MEMS陀螺应用隧道磁阻效应进行角速率检测，所述三轴MEMS陀螺包括：

作为载体的键合基板，所述键合基板内侧面固定设置有隧道磁阻元件，所述隧道磁阻元件实时检测磁场变化的信号；

与所述键合基板固定的支撑框架，所述支撑框架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，检测三轴MEMS陀螺离心力位移，增大检测位移的灵敏度。

2.根据权利要求1所述一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺，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，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。

3.根据权利要求2所述一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺，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。

4.根据权利要求1所述一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺，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；

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。

5.根据权利要求1所述一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺，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；

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。

6.根据权利要求5所述一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺，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、第四隧道磁阻元件上均设置第一信号线、第二信号线。

7.根据权利要求4所述一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺，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。

8.根据权利要求7所述一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺，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。

9.根据权利要求8所述一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺，其特征在于，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。

10.根据权利要求1所述一种隧道磁阻非谐振式三轴MEMS陀螺，其特征在于，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。