[發明專利]一種基于隧道磁阻效應的微機械陀螺

有效

• 申請號: 201510043522.4
• 申請日: 2015-01-28
• 公開（公告）號: CN104567848B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 李孟委;王莉;李錫廣;劉雙紅;劉俊;唐軍
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01C19/5656
• 分類號: G01C19/5656;G01C19/5649
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明涉及微慣性導航技術相關領域，具體而言，涉及一種基于隧道磁阻效應的微機械陀螺。

背景技術

目前，微機械陀螺常用的檢測方式是電容式和壓阻式，壓阻式是基于高摻雜硅的壓阻效應原理實現的，高摻雜硅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以提高。

微機械陀螺對角速度的測量是靠檢測裝置實現力電轉換來完成的，其靈敏度、分辨率是十分重要的，由于陀螺儀微型化和集成化，檢測的敏感區域隨之減小，故而使檢測的靈敏度、分辨率等指標已達到敏感區域檢測的極限狀態，從而限制了陀螺儀檢測精度的進一步提高，很難滿足現代軍事、民用裝備的需要。

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，因此稱這一多層膜結構稱為磁性隧道結(MTJ,Magnetic Tunnel Junction)。這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，這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，我們可以通過觀測TMR磁傳感器的電阻變化來測量外磁場的變化。

實際的TMR器件及其制造工藝要遠比以上三層膜結構復雜，但是就磁性傳感器的應用來講，我們可以認為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，其阻值發生改變，并且這種改變對于氧化鋁Al₂O₃可達30～50％，對于氧化鎂MgO可達200％，因此其輸出相當可觀，靈敏度非常高。正是由于TMR的這些優點，TMR已經在硬盤磁頭這一對工作穩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的性能已經經受了最為嚴格的考驗.而隨著TMR磁性傳感器的大規模應用，其優異的性能將隨著其產業化的發展，而滲透到傳感器行業方面和應用領域，為很多傳感器應用領域提供全新的技術解決方案。

發明內容

本發明旨在提供一種微機械陀螺，該微機械陀螺為基于隧道磁阻效應的微機械陀螺，可以提高微機械陀螺的檢測精度。

本發明提供了一種微機械陀螺，其包括：

一種基于隧道磁阻效應的微機械陀螺，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。

進一步地，所述微機械陀螺應用公式C_水平＝R₁(C₁+C₃+C_j)來計算陀螺水平方向阻尼，應用公式C_豎直＝R₂(C₂+C₃+C_j)來計算陀螺豎直方向阻尼，其中R₁及R₂為經驗系數，C₁為靈敏測量體與底板間的滑膜阻尼，C₂為靈敏測量體與底板間的壓膜阻尼，C₃為熱彈性阻尼；C_j為壓膜阻尼與滑膜阻尼的耦合阻尼。

進一步地，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；