技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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)。
[0006] 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
[0007] 为了有效解决上述问题，本发明提供压电驱动式隧道磁阻面内检测的微陀螺装置，在提高微陀螺检测精度的同时降低其功耗，并保证驱动方向有较大位移，便于对微弱柯氏力产生的微位移进行检测。
[0008] 本发明的技术方案如下：
[0009] 一种压电驱动式隧道磁阻面内检测的微陀螺装置，包括：键合
基板和设置在所述键合基板上的
支撑框架，所述支撑框架内侧设置有驱动
质量块，所述驱动质量块内侧设置有检测质量块，所述驱动质量块的边角通过驱动组合梁组件与外部的支撑框架连接，所述检测质量块的边角通过检测组合梁组件与驱动质量块连接，所述质量检测快中心设置有隧道磁阻元件：
[0010] 还包括：压电
薄膜驱动电极组件和检测电极，所述压电薄膜驱动电极组件设置在驱动组合梁组件上，所述压电薄膜驱动电极组件包括第一压电薄膜驱动电极、第二压电薄膜驱动电极、第三压电薄膜驱动电极、第四压电薄膜驱动电极，所述第一压电薄膜驱动电极、第二压电薄膜驱动电极、第三压电薄膜驱动电极、第四压电薄膜驱动电极分别设置在驱动组合梁组件上，所述检测电极设置在靠近所述第二压电薄膜驱动电极和第三压电薄膜驱动电极的
位置，所述隧道磁阻元件通过信号检测
导线连接所述检测电极。
[0011] 可选地，所述驱动组合梁组件包括：第一驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁、第四驱动组合梁，所述第一驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁、第四驱动组合梁分别设置在所述驱动质量块的四个边角处，所述第一驱动组合梁、第二驱动组合梁、第三驱动组合梁、第四驱动组合梁结构相同，均由第一驱动梁、第二驱动梁和驱动梁连接块组成，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，所述第一驱动梁一端与所述驱动质量块连接，所述第一驱动梁另一端与支撑框架连接，所述第二驱动梁一端与所述驱动质量块连接，所述第二驱动梁另一端与所述驱动梁连接块的一端连接，所述驱动梁连接块的另一端与支撑框架连接。
[0012] 可选地，所述检测组合梁组件组件包括：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，所述第一检测组合梁、第二检测组合梁、第三检测组合梁、第四检测组合梁分别没置在所述检测质量块上靠近边角处，所述第一检测组合梁，第二检测组合梁，第三检测组合梁、第四检测组合梁结构相同，均由第一检测梁、第二检测梁以及检测梁连接块组成，所述检测梁连接块一端的两侧设置有突出部，整体呈“T”形，所述第一检测梁和第二检测梁分别位于检测梁连接块两侧并分别与突出部连接，所述第一检测梁、第二检测梁的另一端与所述连接检测质量块连接，所述检测梁连接块的另一端与所述驱动质量块连接。
[0013] 可选地，所述第一压电薄膜驱动电极、第二压电薄膜驱动电极、第三压电薄膜驱动电极、第四压电薄膜驱动电极分别对应设置在所述驱动质量块的四个边角处的第一驱动梁上。
[0014] 可选地，所述一压电薄膜驱动电极、第二压电薄膜驱动电极、第三压电薄膜驱动电极、第四压电薄膜驱动电极结构相同，均由第一压电驱动顶部电极、第二压电驱动顶部电极、第三压电驱动顶部电极、第四压电驱动顶部电极、压电驱动材料层、压电驱动底部电极组成，所述压电驱动底部电极置于第一驱动梁上，所述压电驱动材料层置于压电驱动底部电极上，所述第一压电驱动顶部电极、第二压电驱动顶部电极、第三压电驱动顶部电极、第四压电驱动顶部电极分别设置在压电驱动材料层上的四个边角，并相互之间留有间隙。
[0015] 可选地，所述键合基板整体为方形，所述键合基板中心有一个方形凹槽，所述凹槽内置有检测磁体，所述检测磁体设置在键合基板的中心位置，所述检测磁体上方沉积有聚磁单元。
[0016] 可选地，所述检测磁体包括
永磁体、通电线圈、光控磁体。
[0017] 可选地，所述聚磁单元形状包括三角形、正方形。
[0018] 可选地，所述支撑框架外部结构为方形,大小与键合基板一致。
[0019] 本发明的有益效果在于：
[0020] 本发明采用压电驱动，隧道磁阻检测方式，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，采用压电驱动方式，驱动位移大，所需驱动电压小，功耗低。检测时采用具有高灵敏特性的磁阻元件对因柯氏力产生的微位移检测，灵敏度高，微型化，易检测。本发明的面内检测微机械陀螺相比于离面检测的微机械陀螺具有阻尼效应小、精度高等优势。而且本发明微机械陀螺采用压电驱动,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。本发明微陀螺在检测磁体上沉积高磁导率软磁材料,具有聚磁效果,实现增强局部
磁场强度从而提高磁场变化率,形成一种稳定高变化率的磁场,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，该变化可将本发明的微陀螺的检测精度提高一至两个数量级。本发明微机械陀螺结构设计合理、
接口电路简单、检测精度高,可解决角速率信号检测的难题。
附图说明
[0021] 图1为本发明整体结构示意图；
[0022] 图2为本发明整体结构俯视图；
[0023] 图3为本发明键合基板结构图；
[0024] 图4为本发明键合基板俯视图；
[0025] 图5为本发明支撑框架结构图；
[0026] 图6为本发明驱动质量块和检测质量块结构图；
[0027] 图7为本发明驱动质量块和检测质量块俯视图；
[0028] 图8为本发明驱动质量块结构图；
[0029] 图9为本发明驱动质量块俯视图；
[0030] 图10为本发明驱动组合梁示意图；
[0031] 图11为本发明驱动组合梁俯视图；
[0032] 图12为本发明检测质量块结构图；
[0033] 图13为本发明检测质量块俯视图；
[0034] 图14为本发明检测组合梁结构图；
[0035] 图15为本发明检测组合梁俯视图；
[0036] 图16为本发明电极和导线分布示意图；
[0037] 图17为本发明电极和导线分布俯视图；
[0038] 图18为本发明压电薄膜驱动电极结构图；
[0039] 图19为本发明压电薄膜驱动电极俯视图；
[0040] 图20为本发明压电薄膜驱动电极侧视图。
[0041] 图中所示，附图标记清单如下：
[0042] 1-键合基板；2-检测磁体；3-聚磁单元；4-支撑框架；5-驱动质量块；6-检测质量块；7-隧道磁阻元件；8-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-第一检测组合梁；13-第二检测组合梁；14-第三检测组合梁；15-第四检测组合梁；16-第一压电驱动底部电极；17-第二压电驱动底部电极；18- 第三压电驱动底部电极；19-第四压电驱动底部电极；20-检测电极； 21-检测导线；22-第一压电薄膜驱动电极；23-第二压电薄膜驱动电极；24-第三压电薄膜驱动电极；25-第四压电薄膜驱动电极；26-第一驱动梁；27-第二驱动梁；28-驱动梁连接块；29-第一检测梁；30- 第二检测梁；31--检测梁连接块；32-第一压电驱动顶部电极；33- 第二压电驱动顶部电极；34-第三压电驱动顶部电极；35-第四压电驱动顶部电极；36-压电驱动材料层。
具体实施方式
[0043] 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。
[0044] 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。
[0045] 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。
[0046] 以下结合附图对本发明做进一步说明：
[0047] 如图1、2所示，一种压电驱动式隧道磁阻面内检测的微陀螺装置，包括：键合基板1、支撑框架4、驱动组合梁组件、检测组合梁组件、驱动质量块5、检测质量块6、检测磁体2、聚磁单元3、隧道磁阻元件7、压电薄膜驱动电极组件、检测电极20和信号检测导线 21。
[0048] 所述支撑框架4设置于键合基板1上方，所述支撑框架4分别通过所述第一驱动组合梁8、第二驱动组合梁9、第三驱动组合梁10、第四驱动组合梁11与所述驱动质量块5的边角连接，所述驱动质量块5分别通过所述第一检测组合梁12、第二检测组合梁13、第三检测组合梁14、第四检测组合梁15与所述检测质量块6的边角连接，隧道磁阻元件7设置在检测质量块6上表面中心位置。
[0049] 如图3、4所示，所述键合基板1整体为方形，所述键合基板1 中心有一个方形凹槽，所述凹槽内置有检测磁体2，所述凹槽的深度大于所述检测磁体2的厚度，所述检测磁体2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,所述检测磁体2设置在键合基板1的中心位置，所述检测磁体2上方沉积有聚磁单元3,可由工艺加工
刻蚀得到,所述聚磁单元3形状可为三角形、正方形,具有聚磁效果。
[0050] 如图5、6、7所示,所述支撑框架4外部结构为方形,大小与键合基板1一致，所述支撑框架4用于支撑驱动质量块5和检测质量块6，所述驱动质量块5设置在支撑框架4内侧，[0051] 所述驱动组合梁组件包括：第一驱动组合梁8、第二驱动组合梁 9、第三驱动组合梁10、第四驱动组合梁11，所述驱动质量块5的边角分别通过所述第一驱动组合梁8、第二驱动组合梁9、第三驱动组合梁10、第四驱动组合梁11与外部的支撑框架4连接，所述检测质量块6设置在支撑框架4中心位置并位于驱动质量块5内侧，所述检测质量块6的边角分别通过所述第一检测组合梁12、第二检测组合梁13、第三检测组合梁14、第四检测组合梁15与驱动质量块5连接。
[0052] 如图8、9、10、11所示，所述第一驱动组合梁8、第二驱动组合梁9、第三驱动组合梁10、第四驱动组合梁11分别设置在所述驱动质量块5的四个边角处，所述第一驱动组合梁8、第二驱动组合梁 9、第三驱动组合梁10、第四驱动组合梁11结构尺寸相同，均由第一驱动梁
26、第二驱动梁27和驱动梁连接块28组成，所述第一驱动梁26、第二驱动梁27为细长梁结构，即梁的长度远大于它的宽度，第一驱动梁26、第二驱动梁27分别位于驱动梁连接块28两侧并相互平行，所述第一驱动梁26一端与所述驱动质量块5连接，所述第一驱动梁26另一端与支撑框架4连接，所述第二驱动梁27一端与所述驱动质量块5连接，所述第二驱动梁27另一端与所述驱动梁连接块28的一端连接，所述驱动梁连接块28的另一端与支撑框架4连接；
所述第一驱动梁26、第二驱动梁27厚度驱动梁连接块28厚度相同。当微陀螺受到驱动力作用时,驱动梁连接块28连接在支撑框架4上起固定作用不发生运动，所述第一驱动梁26、第二驱动梁27在驱动方向上
刚度小，易发生弯曲，致使驱动质量块5和检测质量块6在驱动方向受驱动力发生稳幅振荡。
[0053] 如图12、13所示，所述检测组合梁组件包括：第一检测组合梁 12、第二检测组合梁13、第三检测组合梁14、第四检测组合梁15，所述第一检测组合梁12、第二检测组合梁13、第三检测组合梁14、第四检测组合梁15分别没置在所述检测质量块6上靠近边角处，所述第一检测组合梁12、第二检测组合梁13、第三检测组合梁14、第四检测组合梁15结构尺寸相同，均由第一检测梁29、第二检测梁30 以及检测梁连接块31组成，所述检测梁连接块31一端的两侧设置有突出部，整体呈“T”形，所述第一检测梁29和第二检测梁30分别位于检测梁连接块31两侧并分别与突出部连接，所述第一检测梁29、第二检测梁30的另一端与所述连接检测质量块6连接，所述检测梁连接块31的另一端与所述驱动质量块5连接。当有Z轴角速率输入时，由于柯氏效应，检测质量块6在检测方向上发生稳幅振蕩，所述第一检测梁29、第二检测梁30发生弯曲，检测梁连接块31连接驱动质量块5起固定作用。
[0054] 如图14、15所示，所述第一检测梁29，第二检测梁30为细长梁结构即梁的长度远大于它的宽度，所述第一检测梁29、第二检测梁30厚度与检测梁连接块31厚度相同，不同的是所述第一驱动组合梁8、第二驱动组合梁9、第三驱动组合梁10、第四驱动组合梁11 和所述第一检测组合梁12、第二检测组合梁13、第三检测组合梁14、第四检测组合梁15的大小尺寸不同，尺寸大小要根据实际微陀螺的刚度和
频率等因素来确定。
[0055] 如图16所示，所述压电薄膜驱动电极组件包括：第一压电薄膜驱动电极22、第二压电薄膜驱动电极23、第三压电薄膜驱动电极24、第四压电薄膜驱动电极25，所述第一压电薄膜驱动电极22、第二压电薄膜驱动电极23、第三压电薄膜驱动电极24、第四压电薄膜驱动电极25分别对应设置在所述驱动质量块5的四个边角处的第一驱动梁26上。所述一压电薄膜驱动电极22、第二压电薄膜驱动电极23、第三压电薄膜驱动电极24、第四压电薄膜驱动电极25结构相同，均由第一压电驱动顶部电极32、第二压电驱动顶部电极33、第三压电驱动顶部电极34、第四压电驱动顶部电极35、压电驱动材料层36、压电驱动底部电极16、17、18、19组成，所述压电驱动底部电极16、 17、18、19置于第一驱动梁26上，所述压电驱动材料层36置于压电驱动底部电极16上，所述第一压电驱动顶部电极32、第二压电驱动顶部电极33、第三压电驱动顶部电极34、第四压电驱动顶部电极 35分别设置在压电驱动材料层36上的四个边角，并相互之间留有间隙。
[0056] 其中压电驱动底部电极16为金属电极板，结构为长方形，宽度与所述压电驱动材料层36相同，长度大于所述压电驱动材料层36，共有四个。压电驱动材料层36为压电材料薄膜，压电驱动材料层36 长度远大于厚度，宽度与下极板相同，极化方向为垂直于结构上下表面。
[0057] 所述第一压电薄膜驱动电极22、第四压电薄膜驱动电极25分别设置在所述驱动质量块5的左侧上下两边，所述第二压电薄膜驱动电极23、第三压电薄膜驱动电极24分别设置在所述驱动质量块5相反于所述第一压电薄膜驱动电极22的一端的上下两边。
[0058] 所述检测电极20分别设置在靠近所述第二压电薄膜驱动电极23 和第三压电薄膜驱动电极24的位置，所述信号检测导线21从隧道磁阻元件7引出，连接两个检测电极20。
[0059] 本发明原理如下：
[0060] 本发明的微陀螺装置由压电薄膜驱动电极驱动，压电薄膜的极化方向为厚度方向，通过施加穿过压电薄膜层的垂直
电场实现横向的驱动。压电薄膜驱动电极的顶部电极分为四个部分，给这些电极施加不同的激励，以实现陀螺装置的面内驱动。
[0061] 以第一压电薄膜驱动电极22为例，压电驱动底部电极16接地，第一压电驱动顶部电极32接交变电压，第二压电驱动顶部电极33、第四压电驱动顶部电极35接与第一压电驱动顶部电极32相反的交变电压，第三压电驱动顶部电极34接与第一压电驱动顶部电极32相同的交变电压，压电材料层的极化方向为厚度方向，当第一压电驱动顶部电极32、第三压电驱动顶部电极34下的压电材料在驱动电压的作用下伸长时，第二压电驱动顶部电极33、第四压电驱动顶部电极35 下的驱动材料层缩短，相反当第一压电驱动顶部电极32、第三压电驱动顶部电极34下的压电材料在驱动电压的作用下缩短时，第二压电驱动顶部电极33、第四压电驱动顶部电极35下的驱动材料层伸长。第四压电薄膜驱动电极25驱动方向和第一压电薄膜驱动电极22相同，第二压电薄膜驱动电极23、第三压电薄膜驱动电极24驱动方向相同，通过这种方式实现面内横向(X轴)的往复振动，当有Z轴的角速度输入时，检测质量块6在柯氏力的作用下沿检测方向(Y轴)运动，检测质量块6带动隧道磁阻元件7在检测磁体2上方做稳幅振荡，使隧道磁阻元件7敏感到磁场发生的相对较大的变化，从而引起隧道磁阻元件7中自旋相关的隧穿
电流发生变化，导致隧道磁阻元件7的阻值发生剧烈变化，通过测量阻值变化实现微弱柯氏力的检测。
[0062] 本发明的有益效果在于：
[0063] 本发明采用压电驱动，隧道磁阻检测方式，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，采用压电驱动方式，驱动位移大，所需驱动电压小，功耗低。检测时采用具有高灵敏特性的磁阻元件对因柯氏力产生的微位移检测，灵敏度高，微型化，易检测。本发明的面内检测微机械陀螺相比于离面检测的微机械陀螺具有阻尼效应小、精度高等优势。而且本发明微机械陀螺采用压电驱动,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。本发明微陀螺在检测磁体上沉积高磁导率软磁材料,具有聚磁效果,实现增强局部磁场强度从而提高磁场变化率,形成一种稳定高变化率的磁场,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，该变化可将本发明的微陀螺的检测精度提高一至两个数量级。本发明微机械陀螺结构设计合理、接口电路简单、检测精度高,可解决角速率信号检测的难题。
[0064] 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。
[0065] 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。
