CN110068318A - 一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置

技术领域

本发明属微惯性导航的测量仪表零部件技术领域,具体涉及一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置。

背景技术

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，在该技术领域还未出现相关产品。

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。

基于以上问题本发明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。

发明内容

本发明为了克服背景技术的不足，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。

本发明具体方案如下：

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，所述第一检测梁、第二检测梁分别设置于检测梁连接块两侧并相互平行，并连接检测质量块和检测梁连接块；

所述检测梁连接块整体为“T”形结构，连接所述第一检测梁、第二检测梁、及驱动质量块。

进一步地，隧道磁阻元件具有提供输入电压及引出检测信号的若干个引脚。

有益效果

本发明有益效果在于不仅解决了现有微机械陀螺驱动能力弱，微弱柯氏力难以检测的问题，而且为隧道磁阻陀螺实际制作过程中面临着无法提供稳定的检测磁场和无法合理组装等难题提供了一种解决思路。本次设计了基于蛇形线圈的隧道磁阻检测微陀螺检测装置，首先所设计的微陀螺结构为面内检测，相比于离面检测的微陀螺具有阻尼效应小、精度高等优势；其次本发明微机械陀螺采用的驱动方式为电磁驱动，可提供的驱动振幅远远大于静电驱动所提供的，目的是使微陀螺在柯氏效应下产生较大的柯氏力，进而在检测方向上产生大幅值稳幅振荡，同时采用具有高灵敏特性的隧道磁阻效应进行检测，提高微陀螺检测精度；最后，本发明根据隧道磁阻微陀螺实际面临的问题，创造性的将蛇形通电线圈应用在了微陀螺中，可在微陀螺驱动方向(X轴)产生恒定磁场，微陀螺检测方向(Y轴)产生正弦变化的磁场，并且还可通过改变蛇形通电线圈的电流大小控制变正弦磁场的强弱，为隧道磁阻元件提供所需磁场，当隧道磁阻元件敏感到的磁场发生变化，在微弱的磁场变化下隧道磁阻元件的阻值会发生剧烈变化，可将微陀螺的检测精度提高一至两个数量级。本发明基于蛇形线圈的隧道磁阻检测微陀螺整体结构设计合理，工艺制造简单，可实现性强、接口电路简单且容易检测，可解决角速率信号检测的难题。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明整体结构俯视图；

图3为本发明整体结构侧视图；

图4为本发明键合基板结构图；

图5本发明键合基板俯视图；

图6为本发明磁阻基板结构图；

图7为本发明磁阻基板俯视图；

图8为本发明微陀螺结构示意图；

图9为本发明微陀螺结构俯视图；

图10为微陀螺质量块示意图；

图11为微陀螺驱动质量块结构图；

图12为微陀螺驱动质量块俯视图；

图13为微陀螺驱动组合梁示意图；

图14为微陀螺驱动组合梁俯视图；

图15为微陀螺检测质量块结构图；

图16为微陀螺检测质量块俯视图；

图17为微陀螺检测组合梁示意图；

图18为微陀螺检测组合梁俯视图；

图19为微陀螺电极和导线示意图；

图20为微陀螺电极和导线俯视图。

图中所示，附图标记清单如下：

1-键合基板；2-第一驱动磁体；3-第二驱动磁体；4-键合凸点；5-支撑框架；6-驱动质量块；7-检测质量块；8-微陀螺结构；9-第一驱动组合梁；10-第二驱动组合梁；11-第三驱动组合梁；12-第四驱动组合梁；13-第一驱动梁；14-第二驱动梁；15-驱动梁连接块；16-第一检测组合梁；17-第二检测组合梁；18-第三检测组合梁；19-第四检测组合梁；20-第一检测梁；21-第二检测梁；22-检测梁连接块；23-磁阻基板；24-隧道磁阻元件；25-粘结凸点；26-驱动导线；27-驱动反馈导线；28-蛇形通电线圈；29-驱动电极；30-驱动反馈电极；31-蛇形通电线圈电极；32-引脚。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，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表示相同或类似的原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。

在本发明中，需要解释的是，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1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置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。

在本发明中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义解释，例如：可以固定连接，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；可以是直接连接，也可以是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，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，一种基于蛇形通电线圈的隧道磁阻微陀螺装置,由键合基板1、微陀螺结构8、磁阻基板23组成，磁阻基板23设置有隧道磁阻元件24、粘结凸点25，且隧道磁阻元件24有多个引脚32，用于提供输入电压及引出检测信号。微陀螺结构8采用硅片进行MEMS工艺加工制作而成，设置于键合基板1上方中心位置，磁阻基板23设置于微陀螺结构8上方，三者可通过键合凸点4和粘结凸点25集成在一起。

如图4、5所示，键合基板整体为方形，材料可为硅、陶瓷、玻璃等材料，其设置有两个驱动磁体，分别为第一驱动磁体2和第二驱动磁体3，两者大小尺寸一致，镶嵌在键合基板1内，整体结构为长方体，其长宽大于厚度，由钕铁硼永磁体制作而成，用于为微陀螺提供驱动磁场。所述键合凸点4分别设置于驱动磁体四周，可采用蒸发工艺蒸发金属钛、铜、锡，用于与微陀螺结构键合，所述蒸发工艺为本领域的常规工艺，在此不做具体限定。

如图6、7所示，磁阻基板23设置有隧道磁阻元件24、粘结凸点25，当通过引脚32为隧道磁阻元件24输入电压时，隧道磁阻元件24敏感到外界的磁场发生变化，自身的阻值会产生剧烈改变，通过内部的惠斯通电桥，再从引脚32将检测到的信号输出。粘结凸点25设置于磁阻基板四周边缘处，可为陶瓷、环氧树脂等材料，用于与微陀螺结构粘结。

图8、9、10所示，微陀螺结构可分为支撑框架5、驱动质量块6、检测质量块7三大部分以及上表面布置的驱动导线26、驱动反馈导线27、蛇形通电线圈28。微陀螺结构采用MEMS硅加工工艺制作而成，金属导线可采用磁控溅射工艺、蒸发工艺、电镀工艺进行制作，材料可为铜、银、金、铝等金属。支撑框架5位于微陀螺结构最外层，用于支撑驱动质量块6和检测质量块7，上方沉积由驱动电极29、驱动反馈电极30、蛇形通电线圈电极31。

驱动质量块6设置于检测质量块7与支撑框架5之间，通过的第一驱动组合梁9、第二驱动组合梁10、第三驱动组合梁11、第四驱动组合梁12与外部支撑框架5连接，上方沉积由驱动导线26及驱动反馈导线27。检测质量块7设置于微陀螺中心位置，通过第一检测组合梁16、第二检测组合梁17、第三检测组合梁18、第四检测组合梁19与驱动质量块6连接，上方沉积有蛇形通电线圈28。

所述驱动导线26设置于所述驱动质量块6左侧的上表面，经过第一驱动梁13、驱动连接块15与支撑框架5上的驱动电极29相连接；所述驱动反馈导线27设置于驱动质量块6右侧的上表面，并与驱动导线26大小尺寸一致，经过第二驱动梁24、驱动连接块15与支撑框架5上的驱动反馈电极30相连接；所述蛇形通电线圈28设置于所述检测质量块7上表面，经过第二检测梁21、检测连接块22、驱动质量块6、第二驱动梁14、驱动连接块15，与支撑框架5上的蛇形通电线圈电极31相连接。

如图11、12、13、14所示，驱动质量块6四个边角处设置有第一驱动组合梁9、第二驱动组合梁10、第三驱动组合梁11、第四驱动组合梁12，所述第一驱动组合梁9、第二驱动组合梁10、第三驱动组合梁11、第四驱动组合梁12结构尺寸完全相同，由第一驱动梁13、第二驱动梁14和驱动梁连接块15组成，所述第一驱动梁13、第二驱动梁14结构尺寸完全相同，为细长梁结构，即梁的长度远大于它的宽度，且第一驱动梁13、第二驱动梁14分别位于驱动梁连接块15两侧并相互平行，用于连接驱动质量块6和驱动梁连接块15，驱动梁连接块15整体呈“T”形，用于连接所述第一驱动梁13、第二驱动梁14和支撑框架5。

如图15、16、17、18所示，检测质量块7四周边角处设置有第一检测组合梁16、第二检测组合梁17、第三检测组合梁18、第四检测组合梁19与驱动质量块6连接，所述第一检测组合梁16、第二检测组合梁17、第三检测组合梁18、第四检测组合梁19结构尺寸完全相同，由所述第一检测梁20、第二检测梁21和检测梁连接块22组成，所述第一检测梁20、第二检测梁21结构尺寸完全相同，整体为细长梁结构，即梁的长度远大于它的宽度，且第一检测梁20、第二检测梁21分别设置于检测梁连接块22两侧并相互平行，用于连接检测质量块7和检测梁连接块22，检测梁连接块22整体呈“T”形，用于连接所述第一检测梁20、第二检测梁21和驱动质量块6。

如图19、20所示，金属导线主要包括驱动导线26、驱动反馈导线27、蛇形通电线圈28。驱动导线26上下两侧连接驱动电极29，当给驱动电极29通入电流时，驱动导线26在磁场的作用下会产生安培力，为微陀螺提供驱动力。驱动反馈导线27上下两侧连接驱动反馈电极30，当微陀螺沿驱动方向(X轴)往复运动时，驱动反馈导线27会切割磁场线，自身会产生电流，通过检测驱动反馈电极30的电流大小对微陀螺驱动实现稳幅控制。当给蛇形通电线圈电极31通入一定电流时，蛇形通电线圈28在微陀螺驱动方向可产生恒定的磁场，在微陀螺检测方向可产生正弦变化的磁场，并可以通过改变输入蛇形通电线圈28的电流大小控制磁场的大小。

发明原理

本发明的微陀螺结构8设置在键合基板1上方，由第一驱动磁体2、第二驱动磁体3产生的匀强磁场中，在驱动导线上加载交变驱动电流，产生交变洛伦兹力，驱动质量块6在该驱动力的作用下沿驱动方向(X轴)往复振动，当有Z轴方向的角速率输入时，检测质量块7在柯氏力的作用下沿检测方向(Y轴)运动，检测质量块7带动蛇形通电线圈28相对于磁阻基板23上固定的隧道磁阻元件24做稳幅振荡，当隧道磁阻元件24敏感到的磁场发生变化时，其自身的阻值发生剧烈变化，通过测量阻值变化能够实现对角速率的检测。

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通过粘接凸点相互连接。

6.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。

7.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。

8.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。

9.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，所述第一检测梁、第二检测梁分别设置于检测梁连接块两侧并相互平行，并连接检测质量块和检测梁连接块；

所述检测梁连接块整体为“T”形结构，连接所述第一检测梁、第二检测梁、及驱动质量块。

10.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，隧道磁阻元件具有提供输入电压及引出检测信号的若干个引脚。