一種MEMS慣性組合測量模塊的製作方法

2023-11-03 15:42:32 2

本實用新型涉及MEMS慣性組合導航技術領域，更具體地，涉及一種MEMS慣性組合測量模塊。

背景技術：

目前，MEMS慣性傳感器被廣泛應用於航空、航天、航海、汽車工業、機器人及消費電子產品等領域。MEMS慣性傳感器主要包括 MEMS陀螺儀和MEMS加速度計，用於測量載體的角速度和加速度。

按照精度劃分，MEMS慣性傳感器可分為低精度和中高精度。低精度MEMS慣性傳感器依靠其超高的集成度設計，將三軸陀螺儀、三軸加速度計封裝在一個單體晶片內，體積不到十立方毫米，廣泛用於手機、可穿戴設備等消費類電子產品。但低精度MEMS慣性傳感器的測量誤差及噪聲非常大，尤其在溫溼度變化範圍大，振動劇烈，電磁環境複雜的特殊行業應用領域，精度誤差會呈指數級發散，甚至損壞。中高精度MEMS慣性傳感器相比低精度傳感器體積大，單晶片只集成一個或兩個測量軸，需要通過特殊的安裝形式組成慣性測量單元，同時需要更複雜的外圍電路。隨著航空、航天、航海、汽車工業、機器人等運動載體的小型化發展，例如小型無人機、微型機器人，對載荷的重量要求不足百克，對微小型慣性測量設備的小型化、輕量化、高精度提出了更高要求。

慣性組合導航系統以慣性導航系統為主，其原因主要是由於慣性導航能夠提供全面的導航參數，即高動態的位置、速度、姿態信息，這是其他導航系統所不能比擬的。但是慣性導航定位誤差隨時間積累，尤其是MEMS慣性傳感器誤差大，使得MEMS慣性導航系統無法作為獨立的導航方式，位置、速度短時間內發散劇烈，必須通過其他傳感器進行信息融合，利用多種信息源，互相補充，對誤差進行輔助修正，構成多餘度、導航精度更高的慣性組合測量系統。

現有的慣性組合測量系統，都是將慣性測量單元單獨設計，慣性處理板需要安裝在額外的支架、金屬機械加工結構上，通過機械加工的水平度、垂直度精度要求，以期望保證測量軸的正交性和安裝方便，即使使用低密度的輕質金屬材料，也會帶來幾百克的額外重量。而組合導航需要的輔助傳感器設備，無法與慣性測量單元融為一體化設計，帶來額外的空間浪費。傳統設計思路的MEMS慣性組合測量模塊已經無法滿足對小型化、輕量化的實際需求。

現有技術中，MEMS慣性組合測量模塊的設計形式，主要存在以下缺點：

1、不論採用何種形式的安裝支架、機械臺體，都會大大增加MEMS 慣性測量單元的重量和體積，同時給裝配帶來複雜性，嚴重製約了進一步小型化、輕量化發展；

2、由於採用特殊結構的機械加工裝置，MEMS慣性測量單元無法與組合導航需要的輔助傳感器進行一體化設計，不利於突破有限空間的約束，無法形成完整的一體化組合導航參數測量模塊。

技術實現要素：

本實用新型提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的MEMS慣性組合測量模塊。

根據本實用新型的一個方面，提供一種MEMS慣性組合測量模塊，包括通過設置在電路板平面直角處的多個固定裝置進行層疊固定的 MEMS慣性測量單元電路板和輔助信息測量單元電路板；

所述MEMS慣性測量單元電路板包括X軸慣性處理板、Y軸慣性處理板和Z軸慣性處理板；

所述輔助信息測量單元電路板和所述MEMS慣性測量單元電路板之間通過接插件插座與接插件插針進行電路連接。

進一步，所述MEMS慣性測量單元電路板的一側設置有第一凹槽，與第一凹槽垂直的另一側設置有第二凹槽；

所述X軸慣性處理板通過卡接的方式安裝於第一凹槽處，所述Y 軸慣性處理板通過卡接的方式安裝於第二凹槽處；

所述Z軸慣性處理板設置在所述MEMS慣性測量單元電路板平面上；

所述X軸慣性處理板、Y軸慣性處理板和Z軸慣性處理板在三維空間X、Y、Z方向互相垂直正交。

本申請提出MEMS慣性組合測量模塊，通過特殊設計的電路板形式，有效地解決了慣性測量單元的安裝問題，可以省去安裝支架或安裝臺體，極大地減小了重量和體積；垂直安裝的慣性處理板充分利用了接插件安裝的疊層間隙，進一步降低了整體高度和底層電路板面積，通過與輔助傳感器電路板的一體化設計，實現了完整的組合導航參數測量。

附圖說明

圖1為本實用新型MEMS慣性組合測量模塊示意圖；

圖2為本實用新型MEMS慣性測量單元電路板/Z軸慣性處理板示意圖；

圖3為本實用新型輔助信息測量單元電路板示意圖；

圖4為本實用新型輔助信息測量單元電路板主視、平視、側視、左前俯視示意圖，其中圖4a為主視圖，圖4b為平視圖，圖4c為側視圖、圖4d為左前俯視圖；

圖5為本實用新型MEMS慣性測量單元電路板/Z軸慣性處理板主視、平視、側視、左前俯視、右後俯視示意圖，其中，圖5a為主視圖，圖5b為平視圖，圖5c為側視圖、圖5d為左前俯視圖、圖5e為右後俯視圖；

圖6為本實用新型X軸慣性處理板的主視、平視、側視、左前俯視示意圖，其中，圖6a為主視圖，圖6b為平視圖，圖6c為側視圖、圖6d為左前俯視圖；

圖7為本實用新型Y軸慣性處理板的主視、平視、側視、左前俯視示意圖，其中，圖7a為主視圖，圖7b為平視圖，圖7c為側視圖、圖7d為左前俯視圖。

附圖標記說明

1、MEMS慣性測量單元電路板，2、輔助信息測量單元電路板，3、固定裝置，11、X軸慣性處理板，12、Y軸慣性處理板，13、Z軸慣性處理板，111、X軸MEMS慣性傳感器，121、Y軸MEMS慣性傳感器， 131、Z軸MEMS慣性傳感器，14、X軸焊盤，15、Y軸焊盤，16、Z 軸焊盤，21、GNSS接收機，22、磁力計，23、氣壓計，10、接插件插針，20、接插件插座。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的範圍。

在現有技術方案中，通過設計安裝支架或者機械加工臺體的方式，將焊接有MEMS慣性傳感器的電路板安裝在設計好的支架或臺體上，用以保證測量軸的正交垂直。

而實際情況是，MEMS慣性傳感器作為單個封裝體，其測量軸與封裝焊接面就存在一個安裝偏角，安裝偏角的大小與MEMS器件廠家的生產工藝相關，差別較大。其次，MEMS慣性傳感器在焊接到電路板的過程中，焊接工藝的不同也會造成測量軸與電路板安裝平面的安裝偏角，綜合下來，安裝偏角最大可達1°～2°。所以，通過精密加工的安裝支架或臺體來保證測量坐標系精度的方式並不科學，同時帶來了額外的設計複雜度、重量和體積的變大，安裝後仍然需要標定設備對安裝偏角進行補償。

本實用新型從改良安裝方式和優化體積重量兩個方面入手，並與輔助傳感器測量單元一體化設計，提供了超緊湊型MEMS慣性組合測量模塊，並實現了完整的組合導航參數測量方案。

如圖1所示，一種MEMS慣性組合測量模塊示意圖，包括通過設置在電路板平面直角處的多個固定裝置3進行層疊固定的MEMS慣性測量單元電路板1和輔助信息測量單元電路板2；

所述固定裝置3可以是螺絲裝置；在本實施例中固定裝置的數量是3個。

所述MEMS慣性測量單元電路板1包括X軸慣性處理板11、Y 軸慣性處理板12和Z軸慣性處理板13；

如圖2、3、4所示，所述輔助信息測量單元電路板2和所述MEMS 慣性測量單元電路板1之間通過接插件插座20與接插件插針10進行電路連接。

所述接插件插座20可以安裝在所述MEMS慣性測量單元電路板 1，也可以安裝在所述輔助信息測量單元電路板2上，與接插件插座20 配合使用接插件插針10則相應的安裝在不同的電路板上。

如圖5所示，所述MEMS慣性測量單元電路板1的一側設置有第一凹槽，與第一凹槽垂直的另一側設置有第二凹槽；

為保證安裝方便又不損失安裝精度，所述第一凹槽的寬度與第二凹槽的寬度與電路板厚度相等，或者大於電路板厚度不超過0.15mm。

所述X軸慣性處理板11通過卡接的方式安裝於第一凹槽處，所述 Y軸慣性處理板12通過卡接的方式安裝於第二凹槽處；

所述Z軸慣性處理板13設置在所述MEMS慣性測量單元電路板1 平面上；圖2、圖5所述MEMS慣性測量單元電路板1即為Z軸慣性處理板13；

所述X軸慣性處理板11、Y軸慣性處理板12和Z軸慣性處理板 13在三維空間X、Y、Z方向互相垂直正交。

如圖6所示，所述X軸慣性處理板11包括X軸電路板和設置於X 軸電路板上的X軸MEMS慣性傳感器111；

所述X軸慣性處理板11在相對的兩側分別設置有X軸凹槽，所述X軸凹槽與所述MEMS慣性測量單元電路板1的電路板具有相同寬度，寬度差小於預定誤差；所述X軸凹槽垂直卡接於所述第一凹槽內；

所述X軸凹槽周圍分布有焊盤，通過焊接的方式與所述MEMS慣性測量單元電路板1上的X軸焊盤14進行電路連接。

如圖7所述，所述Y軸慣性處理板12包括Y軸電路板和設置於Y 軸電路板上的Y軸MEMS慣性傳感器121；

所述Y軸慣性處理板12在相對的兩側分別設置有Y軸凹槽，所述Y軸凹槽與所述MEMS慣性測量單元電路板1的電路板具有相同寬度，寬度差小於預定誤差；所述Y軸凹槽垂直卡接於所述第二凹槽內；

所述Y軸凹槽周圍分布有焊盤，通過焊接的方式與所述MEMS慣性測量單元電路板1上的Y軸焊盤15進行電路連接。

如圖2所示，所述Z軸慣性處理板13包括Z軸MEMS慣性傳感器131，通過焊接的方式與所述MEMS慣性測量單元電路板1上的Z 軸焊盤16進行電路連接。

所述X軸慣性處理板11超出所述MEMS慣性測量單元電路板1 的頂面高度，低於層疊高度；所述Y軸慣性處理板12超出所述MEMS 慣性測量單元電路板1的頂面高度，低於層疊高度。

所述X軸MEMS慣性傳感器111、Y軸MEMS慣性傳感器121 和Z軸MEMS慣性傳感器131分別包括MEMS陀螺儀和/或MEMS加速度計。

以上描述了所述X軸慣性處理板11、Y軸慣性處理板12和Z軸慣性處理板13在三維空間X、Y、Z方向互相垂直正交的具體安裝及連接方法，垂直安裝的X軸慣性處理板11、Y軸慣性處理板12超出Z 軸慣性處理板13底面的高度並低於所述MEMS慣性測量單元電路板和輔助信息測量單元電路板的疊層高度。

在實施時，加厚電路板厚度，保證安裝具有足夠的剛度、強度和硬度。同時，根據安裝電路板的器件布局，最大限度地減小尺寸。

如圖2、3所示，還包括設置於所述MEMS慣性測量單元電路板1 上或者設置於所述輔助信息測量單元電路板2上的GNSS接收機21、磁力計22和氣壓計23中的一種或幾種。

GNSS接收機21、磁力計22和氣壓計23既可以設置在MEMS慣性測量單元電路板上，也可以設置在輔助信息測量單元電路板上，可以包含其中的一種、兩種或三種的任意組合。

如圖3、4所示，所述輔助信息測量單元電路板2的一側呈L形內凹，幾何尺寸上小於所述MEMS慣性測量單元電路板1；所述輔助信息測量單元電路板2和所述MEMS慣性測量單元電路板1通過接插件進行電路連接，相對且疊層的安裝，安裝後的組合體在高度上增加，其外延由MEMS慣性測量單元尺寸決定。

本實用新型所述的一種MEMS慣性組合測量模塊，其核心部分為 MEMS慣性測量單元，主要包含三隻MEMS陀螺儀和/或三隻MEMS 加速度計，用於測量三維空間的角速度和加速度。理想安裝情況下，三隻MEMS陀螺儀的測量軸相互垂直，三隻MEMS加速度計的測量軸相互垂直，構成正交垂直的XYZ測量坐標系。

所述MEMS慣性組合測量模塊作為一個完整獨立的工作系統，所述MEMS慣性測量單元電路板1及所述輔助信息測量單元電路板2分別還包括用於數據採集和導航運算的嵌入式主控計算機、信號調理電路和/或其他外圍電路。

本實用新型的結構形式，僅通過電路板的特殊安裝形式就實現了垂直板與底板的連接、固定和通訊，用結構簡單、成本低廉的方式有效地解決了在微小面積、超低高度要求下高精度安裝固定問題。正是因為所優選的結構形式，才能將MEMS慣性測量單元與輔助傳感器進行一體化設計，提供了一種完整的MEMS慣性組合測量模塊方案。

最後，本申請的方法僅為較佳的實施方案，並非用於限定本實用新型的保護範圍。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。