一種新型微型慣性測(cè)量單元組合的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型微型慣性測(cè)量單元組合，包括基座，所述基座上焊接有兩個(gè)梳齒式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)(敏感軸在芯片平面內(nèi))、一個(gè)單支點(diǎn)扭擺式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)(敏感軸垂直于芯片平面)、兩個(gè)單支點(diǎn)角振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺(敏感軸在芯片平面內(nèi))和一個(gè)線振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺(敏感軸垂直于芯片平面)。采用不同結(jié)構(gòu)的慣性傳感器來檢測(cè)加速度和角速率三個(gè)方向的分量，這樣可以不用過多的考慮各傳感器敏感軸的位置關(guān)系，從而可以使得結(jié)構(gòu)的排列更加緊湊，空間利用率達(dá)到最大化，可以采用疊層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，抗沖擊能力強(qiáng)，適用于小型化和高過載場(chǎng)合。
【專利說明】一種新型微型慣性測(cè)量單元組合

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微型慣性測(cè)量單元組合，特別涉及一種新型層疊排列的微型慣性測(cè)量單元組合。

【背景技術(shù)】
[0002]慣性測(cè)量單兀(英文:Inertial measurement unit,簡(jiǎn)稱IMU)是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度的裝置。
[0003]一般的，一個(gè)MU包含了三個(gè)單軸的加速度計(jì)和三個(gè)單軸的陀螺，加速度計(jì)檢測(cè)物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào)，而陀螺檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。在導(dǎo)航中用著很重要的應(yīng)用價(jià)值。IMU大多用在需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，如汽車和機(jī)器人上，也被用在需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場(chǎng)合，如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備等。隨著技術(shù)的發(fā)展，更小的器件、更小的部件，在許多方面都表現(xiàn)出了非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有些航天、航空領(lǐng)域中出現(xiàn)了一大批小型化運(yùn)載體，這就要求它們的慣性測(cè)量單元的體積很小、重量很輕。
[0004]隨著微型制造技術(shù)和MEMS技術(shù)的發(fā)展，新一代微型MEMS陀螺儀和微型MEMS加速計(jì)迅速發(fā)展起來，為微型慣性測(cè)量單元的設(shè)計(jì)和研制提供了有力的支持?，F(xiàn)有的微型慣性測(cè)量單元大多采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)，三個(gè)方向上使用同種類型的傳感器，組成立方體形的結(jié)構(gòu)，六塊加工精度很高的金屬板組成一個(gè)金屬六面體作為支架，在金屬六面體的六個(gè)金屬面上安裝陀螺儀和加速度計(jì)，加速度計(jì)安裝在六面體的三個(gè)互相垂直的中間，以保證三只加速度計(jì)敏感軸兩兩垂直且相交于空間同一點(diǎn)，陀螺儀的安裝保證三只陀螺儀的，敏感軸在空間兩兩垂直且與對(duì)應(yīng)加速度計(jì)敏感軸平行，這種結(jié)構(gòu)的慣性測(cè)量單元存在的缺點(diǎn)是，體積大、空間利用率不高、不利于微小化。還有一種結(jié)構(gòu)是對(duì)方形組合的改進(jìn)，如圖2所示，相比上述的立方結(jié)構(gòu)，體積有了一定的減小，但是空間的利用率還是不高。因此為了進(jìn)一步更高程度的提高慣性測(cè)量單元的空間利用率，減小體積，需要從傳感器的結(jié)構(gòu)和原理著手，尋求最佳的解決方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是:提供一種體積小、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，抗沖擊能力強(qiáng)的新型微型慣性測(cè)量單元組合。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種新型微型慣性測(cè)量單元組合，包括基座，所述基座上焊接有兩個(gè)梳齒式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)、一個(gè)單支點(diǎn)扭擺式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)、兩個(gè)單支點(diǎn)角振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺和一個(gè)線振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺。
[0007]進(jìn)一步的，所述基座分層設(shè)置。
[0008]進(jìn)一步的，所述基座有三層，第一層和第二層分別焊接有一個(gè)梳齒式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)和一個(gè)單支點(diǎn)角振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺，第三層焊接有一個(gè)單支點(diǎn)扭擺式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)和一個(gè)線振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
采用不同結(jié)構(gòu)的慣性傳感器來檢測(cè)加速度和角速率三個(gè)方向的分量，所有的傳感器芯片都可以擺放在一個(gè)平面內(nèi)，或者是幾個(gè)平行疊層的平面內(nèi)，這樣可以不用過多的考慮各傳感器敏感軸的位置關(guān)系，從而可以使得結(jié)構(gòu)的排列更加緊湊，空間利用率達(dá)到最大化，可以采用疊層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，抗沖擊能力強(qiáng)，適用于小型化和高過載場(chǎng)合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
圖1是本發(fā)明現(xiàn)有微型慣性測(cè)量單元組合的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明現(xiàn)有微型慣性測(cè)量單元組合的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明微型慣性測(cè)量單元組合的較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明微型慣性測(cè)量單元組合單支點(diǎn)扭擺式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明微型慣性測(cè)量單元組合梳齒式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明微型慣性測(cè)量單元組合單支點(diǎn)角振動(dòng)陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是本發(fā)明微型慣性測(cè)量單元組合線振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺的結(jié)構(gòu)及工作示意圖。
[0011]其中:1、基座，2、梳齒式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)，3、單支點(diǎn)角振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺，4、梳齒式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)，5、單支點(diǎn)角振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺，6、單支點(diǎn)扭擺式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)，7、線振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺，8、IMU處理電路。

【具體實(shí)施方式】
[0012]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。
[0013]較佳實(shí)施例:
如圖3所示，本實(shí)施例的一種新型微型慣性測(cè)量單元組合，包括基座1，基座I設(shè)置有三層，第一層焊接有一個(gè)梳齒式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)2和一個(gè)單支點(diǎn)角振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺3(二者敏感軸沿X方向)，第二層焊接有一個(gè)梳齒式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)4和一個(gè)單支點(diǎn)角振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺5 (二者敏感軸沿y方向的)，第三層焊接有一個(gè)單支點(diǎn)扭擺式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)6和一個(gè)線振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺7 (二者敏感軸沿z方向的)，上述傳感器共用一個(gè)MU處理電路8設(shè)置在基座I的頂層，上述結(jié)構(gòu)的慣性傳感器排列可以盡可能的緊湊。
[0014]對(duì)測(cè)量加速度，在In-plane方向，采用兩個(gè)梳齒式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)(2，4)檢測(cè)In-plane內(nèi)x,y方向的加速度,在out-of-plane方向,采用一個(gè)單支點(diǎn)扭擺式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)6檢測(cè)out-of-plane內(nèi)z方向的加速度。
[0015]對(duì)測(cè)量角速度，采用兩個(gè)單支點(diǎn)角振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺(3，5)檢測(cè)x，y方向的角速度，采用一個(gè)線振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺7檢測(cè)繞z軸方向旋轉(zhuǎn)的角速度。
[0016]圖4是本發(fā)明新型微型慣性測(cè)量單元組合單支點(diǎn)扭擺式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖該結(jié)構(gòu)的梁在out-of-plane方向的扭轉(zhuǎn)剛度遠(yuǎn)小于In-plane面內(nèi)的平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)剛度，故可以用于檢測(cè)Z方向的加速度。由于為扭擺結(jié)構(gòu)，通過下電極采用差分電容的檢測(cè)方式檢測(cè)。
[0017]圖5是本發(fā)明新型微型慣性測(cè)量單元組合梳齒式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖該結(jié)構(gòu)的梁在y方向的剛度遠(yuǎn)小于在X和z方向的剛度，從而用于檢測(cè)I方向的加速度。
[0018]運(yùn)動(dòng)方式為在結(jié)構(gòu)所在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)(In-plane)。旋轉(zhuǎn)90度放置可以檢測(cè)x方向的加速度。
[0019]圖6是本發(fā)明新型微型慣性測(cè)量單元組合單支點(diǎn)角振動(dòng)陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖
圖中陀螺質(zhì)量塊在芯片平面內(nèi)(In-plane)繞z軸進(jìn)行角振動(dòng)，當(dāng)有x方向的角速度輸入時(shí)，振動(dòng)質(zhì)量塊受到z向的科氏力，使得質(zhì)量塊同時(shí)繞y軸擺動(dòng)。
[0020]圖示該結(jié)構(gòu)用于檢測(cè)繞X軸的角速度，當(dāng)兩個(gè)這種結(jié)構(gòu)的陀螺成90度放置時(shí)，可檢測(cè)繞X軸和繞I軸的角速度。
[0021]圖7是本發(fā)明新型微型慣性測(cè)量單元組合線振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺的結(jié)構(gòu)及工作示意圖質(zhì)量塊在梳齒靜電驅(qū)動(dòng)下，沿y方向振動(dòng)，當(dāng)有z向的角速度輸入時(shí),振動(dòng)質(zhì)量塊受到
X方向的科氏力，檢測(cè)由于X方向的運(yùn)動(dòng)而引起的電容變化即可間接得到輸入角速度。
[0022]應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的上述【具體實(shí)施方式】?jī)H僅用于示例性說明或解釋本發(fā)明的原理，而不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。因此，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求范圍和邊界、或者這種范圍和邊界的等同形式內(nèi)的全部變化和修改例。
【權(quán)利要求】
1.一種新型微型慣性測(cè)量單元組合，包括基座，其特征在于，所述基座上焊接有兩個(gè)梳齒式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)、一個(gè)單支點(diǎn)扭擺式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)、兩個(gè)單支點(diǎn)角振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺和一個(gè)線振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型微型慣性測(cè)量單元組合，其特征在于，所述基座分層設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型微型慣性測(cè)量單元組合，其特征在于，所述基座有三層，第一層和第二層分別焊接有一個(gè)梳齒式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)和一個(gè)單支點(diǎn)角振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺，第三層焊接有一個(gè)單支點(diǎn)扭擺式結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)和一個(gè)線振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺。
【文檔編號(hào)】G01P15/125GK104296746SQ201410536806
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】郭述文 申請(qǐng)人:蘇州文智芯微系統(tǒng)技術(shù)有限公司