[发明专利]一种压电驱动式隧道磁阻面内检测的微陀螺装置

说明书

一种压电驱动式隧道磁阻面内检测的微陀螺装置，主要结构由键合基板、支撑框架、驱动组合梁组件、检测组合梁组件、驱动质量块、检测质量块、检测磁体、隧道磁阻元件、压电薄膜驱动电极组件、导线、电极组成。支撑框架放置在键合基板上，通过驱动组合梁组件连接驱动质量块，驱动质量块通过检测组合梁组件连接检测质量块。隧道磁阻元件放置在检测质量块上表面中心与键合基板中心凹槽内沉积的检测磁体相对应。本发明采用压电效应驱动，驱动位移大，功耗低；隧道磁阻效应检测，隧道磁阻元件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，使用方便，适合微型化。

技术领域

本发明涉及一种压电驱动式隧道磁阻面内检测的微陀螺装置，属微惯性导航的测量仪表零部件技术领域。

背景技术

惯性技术是以完全自主方式工作的，不与外界发生联系，具有自主、实时、不受干扰的优势。陀螺是惯性导航技术的核心器件，在现代航空航天，国防军事等领域发挥着至关重要的作用。

微惯性系统的核心是陀螺，所以陀螺的体积、成本、精度、过载能力等指标决定微惯性系统的性能。按工作原理可将微陀螺分为机械陀螺、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、稳像稳瞄等武器系统因成本、体积和过载性能要求局限较大。而MEMS陀螺具备因成本低、体积小、抗冲击能力强等优势，这就使得MEMS陀螺在微惯性系统中得到广泛使用。

在现有技术中，微机械陀螺常用的驱动方式有静电式、压电式、电磁式等，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。就驱动方式而言，静电驱动稳定性好，但其驱动幅值小；电磁驱动的驱动幅值大，但所需驱动电压大，压电驱动具有所需驱动电压小，精度高，误差小，稳定性好等诸多优点。对于检测方式，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，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，但梳齿制造工艺精度要求极高，成品率较低；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。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，为解决角速度信号检测难题，发明人想到将隧道磁阻效应应用于陀螺结构检测，可将微陀螺检测灵敏度较电容式陀螺提高一至二个数量级，该技术领域还未出现相关产品。

在对本领域资料查新中，查到现有技术1“压电驱动电容检测微固体模态陀螺”(申请号为201110206937.0)，现有技术2“一种基于隧道磁阻效应的微机械陀螺”(申请号为201510043522.4)，现有技术3“电磁驱动式隧道磁阻面内检测微陀螺装置”(申请号为201710695555.6)。

现有技术1采用的是压电驱动，电容检测方式，电容检测采用梳齿结构，位移分辨率较高，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；现有技术2采用静电驱动，隧道磁阻检测方式，静电驱动同样采用梳齿结构，存在驱动幅值小，工艺要求高的不足；现有技术3采用电磁驱动，隧道磁阻检测方式，电磁驱动方式具有作用力大，响应速度快的优点，但其功耗大，易损坏，不易加工制作。

发明内容