一種基于隧道磁阻效應的微機械陀螺的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及微慣性導航技術相關領域，具體而言，設及一種基于隧道磁阻效應的 微機械巧螺。
【背景技術】
[0002] 目前，微機械巧螺常用的檢測方式是電容式和壓阻式，壓阻式是基于高滲雜娃的 壓阻效應原理實現(xiàn)的，高滲雜娃形成的壓敏器件對溫度有較強的依賴性，其由壓敏器件組 成的電橋檢測電路也會因溫度變化引起靈敏度漂移；電容式精度的提高是利用增大電容面 積，由于器件的微小型化，其精度因有效電容面積的縮小而難W提高。
[0003] 微機械巧螺對角速度的測量是靠檢測裝置實現(xiàn)力電轉換來完成的，其靈敏度、分 辨率是十分重要的，由于巧螺儀微型化和集成化，檢測的敏感區(qū)域隨之減小，故而使檢測的 靈敏度、分辨率等指標已達到敏感區(qū)域檢測的極限狀態(tài)，從而限制了巧螺儀檢測精度的進 一步提高，很難滿足現(xiàn)代軍事、民用裝備的需要。
[0004] 隧道磁阻效應基于電子的自旋效應，在磁性釘扎層和磁性自由層中間間隔有絕緣 體或半導體的非磁層的磁性多層膜結構，由于在磁性釘扎層和磁性自由層之間的電流通 過基于電子的隧穿效應，因此稱該一多層膜結構稱為磁性隧道結（MTJ，Ma即etic化nnel 化nction)。該種磁性隧道結在橫跨絕緣層的電壓作用下，其隧道電流和隧道電阻依賴 于兩個鐵磁層（磁性釘扎層和磁性自由層）磁化強度的相對取向。當磁性自由層在外 場的作用下，其磁化強度方向改變，而釘扎層的磁化方向不變，此時兩個磁性層的磁化強 度相對取向發(fā)生改變，則可在橫跨絕緣層的的磁性隧道結上觀測到大的電阻變化，該一 物理效應正是基于電子在絕緣層的隧穿效應，因此稱為隧道磁電阻效應（TMR，Tunneling Magnetoresistance)。也就是說TMR磁傳感器是利用磁場的變化來引起磁電阻變化，另一 方面，我們可W通過觀測TMR磁傳感器的電阻變化來測量外磁場的變化。
[0005] 實際的TMR器件及其制造工藝要遠比W上S層膜結構復雜，但是就磁性傳感器的 應用來講，我們可W認為TMR傳感器就是一個電阻，只是TMR傳感器的電阻值隨外加磁場值 的變化，其阻值發(fā)生改變，并且該種改變對于氧化侶Al2〇3可達30?50 %，對于氧化儀MgO 可達200%，因此其輸出相當可觀，靈敏度非常高。正是由于TMR的該些優(yōu)點，TMR已經(jīng)在硬 盤磁頭該一對工作穩(wěn)定性等各項性能要求極高的高精技術領域取代GMR磁頭，因此TMR的 性能已經(jīng)經(jīng)受了最為嚴格的考驗.而隨著TMR磁性傳感器的大規(guī)模應用，其優(yōu)異的性能將 隨著其產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，而滲透到傳感器行業(yè)方面和應用領域，為很多傳感器應用領域提供 全新的技術解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在提供一種微機械巧螺，該微機械巧螺為基于隧道磁阻效應的微機械巧 螺，可W提高微機械巧螺的檢測精度。
[0007] 本發(fā)明提供了一種微機械巧螺，其包括：
[000引一種基于隧道磁阻效應的微機械巧螺，包括：鍵合基體、永磁體及微巧螺角速度敏 感體，所述鍵合基體幾何中屯、處具有一凹槽，所述永磁體設置在上述凹槽中屯、位置；所述微 巧螺角速度敏感體設置在永磁體相反于鍵合基體的一側，并所述微巧螺角速度敏感體固定 在鍵合基體上；
[0009] 所述微巧螺角速度敏感體包括對應設置在凹槽上方的靈敏測量體，所述靈敏測量 體上表面設有隧道磁敏電阻、通孔及置梁槽，所述隧道磁敏電阻位于靈敏測量體上表面中 屯、，并與永磁體位置對應，所述通孔及置梁槽均勻布置在隧道磁敏電阻四周，所述靈敏測量 體可在凹槽中進行水平方向及豎直方向的運動。
[0010] 進一步地，所述微機械巧螺應用公式C7k^= Ri(Ci+C3+cp來計算巧螺水平方向阻 巧，應用公式C豎直=R2 (C2+C3+CJ)來計算巧螺豎直方向阻巧，其中Ri及R 2為經(jīng)驗系數(shù)，C 1為 靈敏測量體與底板間的滑膜阻巧，C2為靈敏測量體與底板間的壓膜阻巧，C 3為熱彈性阻巧； Cj.為壓膜阻巧與滑膜阻巧的禪合阻巧。
[0011] 進一步地，所述
【主權項】
1. 一種基于隧道磁阻效應的微機械陀螺，其特征在于，包括：鍵合基體、永磁體及微陀 螺角速度敏感體，所述鍵合基體幾何中心處具有一凹槽，所述永磁體設置在上述凹槽中心 位置；所述微陀螺角速度敏感體設置在永磁體相反于鍵合基體的一側，并所述微陀螺角速 度敏感體固定在鍵合基體上； 所述微陀螺角速度敏感體包括對應設置在凹槽上方的靈敏測量體，所述靈敏測量體上 表面設有隧道磁敏電阻、通孔及置梁槽，所述隧道磁敏電阻位于靈敏測量體上表面中心，并 與永磁體位置對應，所述通孔及置梁槽均勻布置在隧道磁敏電阻四周，所述靈敏測量體可 在凹槽中進行水平方向及豎直方向的運動。
2. 根據(jù)權利要求1所述的微機械陀螺，其特征在于，所述微機械陀螺應用公式C = RJQ+Q+Cj)來計算陀螺水平方向阻尼，應用公式C堅直=R2(C2+C3+Cj)來計算陀螺豎直方向 阻尼，其中&及1?2為經(jīng)驗系數(shù)，（^為靈敏測量體與底板間的滑膜阻尼，（： 2為靈敏測量體與 底板間的壓膜阻尼，(：3為熱彈性阻尼；為壓膜阻尼與滑膜阻尼的耦合阻尼。
3. 根據(jù)權利要求1所述的微機械陀螺，其特征在于，所述
計算靈 敏測量體與底板間的滑膜阻尼，所述
計算靈敏測量體與底板間的壓膜阻 尼，所述
計算熱彈性阻尼； 應用
.計算靈敏測量體與底板間的壓膜阻 尼與滑膜阻尼的耦合阻尼，其中S為靈敏測量體面積，Sn為通孔面積，S:為置梁槽面積，N為 通孔數(shù)量，滿足
，其中K為多1的正整數(shù)，所述d為靈敏測量體與永磁體的 間距，所述y為氣體的粘度系數(shù)所述m為靈敏測量體的質量，QT為熱彈性阻尼的品質因數(shù)， ?為靈敏測量體的振動頻率，L為靈敏測量體的長； 所述水平方向的經(jīng)驗系數(shù)&取值范圍為2. 0?2. 1，豎直方向的經(jīng)驗系數(shù)R2取值 范圍為1. 0?1. 12,靈敏測量體上下兩側面為正方形，并正方形面積S的取值范圍為 3000um*3000um?4000um*4000um，所述通孔為正方形通孔，并通孔面積Sn的取值范圍為 75um*75um?100um*100um，所述置梁槽為長方矩形，并面積一丨取值范圍700um*480um? 1000um*650um。
4. 根據(jù)權利要求1所述的微機械陀螺，其特征在于，所述鍵合基體包括基板及墊層框 體，所述墊層框體為方形中空框體，所述墊層框體下側與基板鍵合連接并且共同形成方形 凹槽；所述的永磁體為多層結構。
5. 根據(jù)權利要求4所述的微機械陀螺，其特征在于，所述微陀螺角速率敏感體進一步 包括： 定齒電極正極，所述的定齒電極正極為兩個，分別置于墊襯框體左、右邊框的上表面并 粘結牢固，并且該正極上表面設定齒，并粘結牢固； 定齒電極負極，所述的定齒電極負極為靈敏測量體左、右兩側動齒的電極，所述定齒電 極負極與定齒電極正極在同一平面，置于墊襯框體前、后邊框上表面，粘結牢固，并且定齒 電極負極的上表面設固定座，并粘結牢固； 組合梁，所述的組合梁由驅動梁、檢測梁、連接塊構成，用于連接固定座和靈敏測量體。
6. 根據(jù)權利要求5所述的微機械陀螺，其特征在于，所述的定齒電極正極上設有定齒 的基座；所述的定齒電極負極上設有所述的固定座，固定座有前、后兩個，分別置于兩個定 齒電極負極上表面，并通過組合梁與靈敏測量體相連接；所述靈敏測量體上表面的隧道磁 敏電阻通過隧道磁敏電阻引出線與隧道磁敏電阻引線焊盤相連；所述靈敏測量體上表面兩 側對稱位置設有兩根反饋導線，反饋導線端部經(jīng)組合梁與固定座上表面的反饋導線引線焊 盤相連接；固定座與組合梁相連接部位的上表面設有隧道磁敏電阻引線焊盤和反饋導線引 線焊盤。
7. 根據(jù)權利要求5所述的微機械陀螺，其特征在于，所述的靈敏測量體為方形；所述的 靈敏測量體前、后對稱位置分別通過組合梁與固定座相連接；所述置梁槽設置在靈敏測量 體的四角處，在所述靈敏測量體上設有隧道磁敏電阻及其引出線分布處分別設置通孔。
8. 根據(jù)權利要求5所述的微機械陀螺，其特征在于，所述的隧道磁敏電阻為多層膜結 構的具有隧道磁阻效應的電阻層，所述隧道磁敏電阻包括半導體材料襯底層上依次排布鐵 磁層、絕緣層、鐵磁層；在真空條件下，按晶體結構排列層次，將鐵磁層、絕緣層、鐵磁層生長 在半導體材料襯底層上，并形成納米級膜層，逐層淀積形成隧道磁敏電阻。
9. 根據(jù)權利要求5所述的微機械陀螺，其特征在于，所述的定齒與所述靈敏測量體兩 側邊緣的動齒交叉吻合。
10. 根據(jù)權利要求5所述的微機械陀螺，其特征在于，所述的組合梁呈回折形，驅動梁 和檢測梁通過連接塊相連接，組合梁中"1"形驅動梁的厚度與靈敏測量體的厚度相同， 檢測梁的厚度小于兩側" ^，，形驅動梁。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于隧道磁阻效應的微機械陀螺結構裝置，主要結構包括：基板、墊襯框體，墊襯框體設在基板上方并與基板相連接；永磁體，永磁體設在基板與墊襯框體組合形成的矩形凹槽的中心位置；和微陀螺角速率敏感體，微陀螺角速率敏感體設在墊襯框體的上方并與墊襯框體相連接，且微陀螺角速率敏感體包括：對應設在矩形凹槽上方的靈敏測量體，靈敏測量體上表面設有隧道磁敏電阻且隧道磁敏電阻與永磁體位置對應。隧道磁敏電阻可隨靈敏測量體沿垂直于所述永磁體上表面的方向振動。根據(jù)發(fā)明的微機械陀螺采用整體結構設計，結構合理、緊湊，檢測電路簡單，使用方便、可靠性好、適合微型化。
【IPC分類】G01C19-56
【公開號】CN104567848
【申請?zhí)枴緾N201510043522
【發(fā)明人】李孟委, 李錫廣, 劉俊, 劉雙紅, 王莉, 石云波
【申請人】中北大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月28日