基于磁阻效应MEMS陀螺关键技术研究

作     者：王旭虎 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴倩楠

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：微陀螺 隧道磁阻效应 金属键合 

摘      要：MEMS陀螺仪是应用最广泛的MEMS传感器件,随着自动驾驶、人工智能以及军事装备等领域的飞速发展,更高的精度,更高的稳定性的MEMS陀螺仪也成为了人们的迫切需求。实现高精度MEMS陀螺的关键问题在于如何实现对微弱科氏力信号的高灵敏检测。目前较为成熟的陀螺仪均采用电容检测,虽然已经产品化,但还存在检测电路分辨率达到理论极限,所制备的梳齿结构在工作时会出现易发生击穿,易发生吸合导致失效等问题。因此,探索基于新检测效应的高精度MEMS陀螺是十分必要的。隧道磁阻效应(Tunnel Magneto-resistance,TMR)是一种自旋相关的隧穿电子效应,微弱的磁场变化将会导致磁电阻的剧烈变化。由于隧道磁阻具有高灵敏度、高分辨率、低功耗、小体积的优势,将其应用于陀螺效应检测可有效提高陀螺的检测精度。本文提出了一种采用磁阻效应检测的MEMS陀螺结构,通过COMSOL 5.3a对陀螺结构进行仿真优化设计及动力学特性分析,得到了陀螺的结构灵敏度2.978 nm/°/s,磁场变化率为13.25×10Oe/μm。磁阻方面通过搭建四桥路隧道磁阻检测桥路,实现抑制外界干扰的设计。并对所设计的隧道磁阻陀螺开展了工艺流程、光刻版图以及关键工艺流程等研究。通过在硅片上进行标记刻蚀、绝缘层生长、溅射金属、结构刻蚀和金属键合等关键工艺步骤来完成陀螺样品制备。最后,对隧道磁阻微陀螺进行了驱动/检测幅频特性测试和磁阻效应测试,实验测试结果表明,所设计制作的隧道磁阻陀螺的驱动、检测谐振频率分别8066Hz、8091Hz,与理论仿真的结果相比最大相对误差值为7.1%。测试得到磁阻灵敏度为32.78m V/Oe,所设计磁阻陀螺总灵敏度为1.3m V/°/s。