CN101038173A - 一种隐式结构微型惯性测量单元 - Google Patents

一种隐式结构微型惯性测量单元 Download PDF

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一种隐式结构微型惯性测量单元(IMU)，按照一定垂直度、平面度和光洁度的要求，采用合成陶瓷材料加工一正方体基座。利用具有一定光洁度的合成陶瓷材料表面可电镀电路的特点，根据加速度计和陀螺的封装、电路原理图及安装要求，在基座表面电镀电路并附着焊盘。把加速度计和陀螺直接焊接在基座相互垂直的面上，以保证三个敏感方向的加速度计和陀螺相互垂直。正方体基座底面边缘附着弯角焊盘，使基座底面电路既能与侧面电路联接，又可焊接到微小型飞行器GNC系统板上。基座既作为IMU系统电路板，又作为陀螺和加速度计的支撑结构。本发明微型IMU同时具有体积小、重量轻、精度高、成本低等特点，可应用于微小型飞行器、微小型机器人等领域。

Description

一种隐式结构微型惯性测量单元
技术领域
本发明涉及一种微型惯性测量单元(IMU)，特别是一种基于MEMS技术的、用于微小型飞行器导航、制导与控制(GNC)系统的微型IMU。适用于对IMU体积、重量、精度和成本同时有较高要求的场合。
背景技术
微小型飞行器GNC系统需要其关键部件IMU同时满足体积小、重量轻、精度高、成本低等要求。IMU的微型化成为制约GNC系统微型化的关键。
为解算出微小型飞行器的位置、速度、姿态等运动参量并控制飞行，微小型飞行器导航、制导与控制(GNC)系统需要IMU来测量微小型飞行器机体坐标系三个正交方向(X、Y、Z)的加速度、角速度等参数。为达到微小型飞行器GNC系统的要求，IMU一般采用MEMS加速度计和MEMS陀螺作为其敏感元件，且均采用芯片级封装。
精确的安装精度，是保证准确测量的前提。为准确测量微小型飞行器机体坐标系三个正交方向(X、Y、Z)的参数，一般需要特定装置来安装固定加速度计和陀螺，以使三个方向的加速度计和陀螺互相垂直。现有的固定方式通常有两种：一种为机械加工金属正交结构架，把焊接好加速度计和陀螺的印刷电路板按照相互垂直的方向固定在结构框架上；另一种方式不需要结构框架，把焊接有加速度计和陀螺的印刷电路板通过直角弯针焊接在GNC系统的安装基准面上，使加速度计和陀螺与GNC系统安装基准面保持垂直，构成正交结构。前一种方式机械加工的结构框架可达到较高的精度，但安装工序较多，引入安装误差很大，而且体积较大，加工成本很高；后一种方式体积较小，加工成本较低，但安装精度很差，无法保证三个轴之间的垂直度。鉴于上述原因，现有的IMU无法兼顾微小型飞行器GNC系统体积小、重量轻、精度高、成本低的需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种隐式结构微型IMU，能够满足微小型飞行器导航、制导与控制(GNC)系统体积小、重量轻、精度高、成本低的要求。
本发明的技术解决方案为：当微型惯性测量单元由三个单轴MEMS陀螺和两个双轴MEMS加速度计构成时，按照一定垂直度、平面度和光洁度的要求，采用合成陶瓷材料加工一正方体基座。根据微小型飞行器IMU系统所选用的加速度计和陀螺的尺寸来确定基座的尺寸。利用具有一定光洁度的合成陶瓷材料表面可电镀电路的特点，根据加速度计和陀螺的封装、电路原理图及安装要求，在基座表面电镀电路并附着焊盘。三个单轴的陀螺分别焊接在基座三个互相垂直的面上，两个双轴的加速度计分别焊接在另外两个互相垂直的面上，基座底面边缘附着弯角焊盘，基座既作为IMU系统电路板，又作为陀螺和加速度计的支撑结构。
当微型惯性测量单元由三个单轴MEMS陀螺和三个单轴MEMS加速度计构成时，按照一定垂直度、平面度和光洁度的要求，采用合成陶瓷材料加工一长方体基座。根据微小型飞行器IMU系统所选用的加速度计和陀螺的尺寸来确定基座的尺寸。利用具有一定光洁度的合成陶瓷材料表面可电镀电路的特点，根据加速度计和陀螺的封装、电路原理图及安装要求，在基座表面电镀电路并附着焊盘。三个单轴的陀螺分别焊接在基座两个互相垂直的侧面和顶面上，三个单轴的加速度计分别焊接在另外两个互相垂直的侧面和顶面上，基座底面边缘附着弯角焊盘，基座既作为IMU系统电路板，又作为陀螺和加速度计的支撑结构。
上述方案的原理是：使用合成陶瓷材料开模加工所需尺寸的正方体或长方体基座。基座成型后用金刚石微粉研磨各表面，使其表面达到可电镀电路的水平，并使其平行度、垂直度满足微小型飞行器IMU系统的要求。按照加速度计、陀螺仪的电路原理图及安装要求，在基座表面电镀电路和焊盘。把加速度计和陀螺分别焊接到基座三个相互垂直的面上，使其分别敏感沿X、Y、Z轴的加速度和转动角速度。基座底面边缘附着弯角焊盘，使得基座既可焊接到微小型飞行器GNC系统板上，又使每个面上的加速度计和陀螺通过基座表面电镀的电路与基座底面的焊盘连接。基座既作为IMU系统电路板，又作为陀螺和加速度计的支撑结构。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用合成陶瓷材料可磨削加工达到较高平面度和垂直度、表面可电镀电路且可焊接芯片的特点，将其加工成正方体或长方体基座，使加速度计和陀螺可直接焊接于其上，构成隐式结构微型IMU。因其基座既作为支撑结构，又作为电路板，故本发明隐式结构微型IMU具有体积小、重量轻、精度高的优点，加工成本非常低，且非常便于与微小型飞行器GNC系统进行集成。
附图说明
图1为本发明的一种隐式结构微型惯性测量单元采用两个双轴加速度计和三个单轴陀螺情况下的基座结构图；
图2为本发明的一种隐式结构微型惯性测量单元采用一种双轴加速度计电路原理图；
图3为本发明的一种隐式结构微型惯性测量单元采用一种单轴陀螺电路原理图；
图4为本发明的一种隐式结构微型惯性测量单元采用两个双轴加速度计和三个单轴陀螺情况下结构图；
图5为本发明的一种隐式结构微型惯性测量单元基座底面焊盘连接示意图；
图6为本发明的一种隐式结构微型惯性测量单元与微小型飞行器GNC系统板连接示意图；
图7为本发明的一种隐式结构微型惯性测量单元采用三个单轴加速度计和三个单轴陀螺情况下的基座结构图；
图8为本发明的一种隐式结构微型惯性测量单元采用三个单轴加速度计和三个单轴陀螺情况下结构图；
图9为本发明的一种隐式结构微型惯性测量单元芯片焊接所需温度曲线。
具体实施方式
对于使用双轴加速度计和单轴陀螺的情况，以ADXL320型加速度计(双轴)和ADXRS300型陀螺(单轴)为例进行说明。首先根据微小型飞行器GNC系统采用的ADXL320型加速度计和ADXRS300型陀螺的尺寸、电路原理图及安装要求，确定正方体基座的尺寸为10mm×10mm×10mm。使用密度为3.6g/cm3的氮化铝合成陶瓷或碳化硅合成陶瓷材料开模加工所需尺寸的正方体基座(本实施例采用氮化铝合成陶瓷)，形状如图1所示(或正方体切除其中一个角或两个角或三个角或四个角或五个角或六个角后的形状)。正方体基座成型后用金刚石微粉研磨基座表面，使其表面平行度优于20μm、垂直度优于50μm、表面光洁度达到0.4的要求，其表面即可电镀电路。然后按照加速度计、陀螺的电路原理图(如图2、图3所示)及安装要求，在正方体基座表面电镀电路和焊盘。把三个陀螺分别焊接到面C1D1D2C2、面B1C1C2B2和面A2B2C2D2，三个陀螺分别敏感沿X、Y、Z轴的转动角速度，且其三个敏感轴相互垂直；把两个双轴的加速度计分别焊接在面A1B1B2A2(敏感沿Y、Z轴加速度)和面D1A1A2D2(敏感沿X、Z轴加速度)，其三个敏感轴相互垂直，如图4所示。正方体基座底面(面A1B1C1D1)边缘附着弯角焊盘，如图5所示，使得基座既可焊接到微小型飞行器GNC系统板上，又使每个面上的加速度计和陀螺通过基座表面电镀的电路与基座底面的焊盘连接，微型惯性测量单元与GNC系统连接示意图如图6所示。
对于使用单轴加速度计和单轴陀螺的情况，以1221型加速度计(单轴)和ADXRS300型陀螺(单轴)为例进行说明。首先根据微小型飞行器GNC系统采用的加速度计和陀螺的尺寸、电路原理图及安装要求，确定长方体基座的尺寸为25mm×10mm×10mm。使用密度为3.6g/cm3的氮化铝合成陶瓷或碳化硅合成陶瓷材料开模加工所需尺寸的长方体基座(本实施例采用氮化铝合成陶瓷)，形状如图7所示(或长方体切除其中一个角或两个角或三个角或四个角或五个角或六个角后的形状)。长方体基座成型后用金刚石微粉研磨基座表面，使其表面平行度优于20μm、垂直度优于50μm、表面光洁度达到0.4的要求，其表面即可电镀电路。然后按照加速度计、陀螺的电路原理图及安装要求，在长方体基座表面电镀电路和焊盘。把三个陀螺分别焊接到面C1D1D2C2、面B1C1C2B2和面A2B2C2D2，三个陀螺分别敏感沿X、Y、Z轴的转动角速度，且其三个敏感轴相互垂直；把三个单轴的加速度计分别焊接到面A1B1B2A2、面D1A1A2D2、和面A2B2C2D2，三个加速度计分别敏感沿X、Y、Z轴的加速度，其三个敏感轴相互垂直，如图8所示。长方体基座底面(面A1B1C1D1)边缘附着弯角焊盘，使得基座既可焊接到微小型飞行器GNC系统板上，又使每个面上的加速度计和陀螺通过基座表面电镀的电路与基座底面的焊盘连接。
上述合成陶瓷基座的加工过程有如下几步：①按照所需形状制作模具；②把粉状合成陶瓷材料填充至模具；③高温烧制陶瓷成型；④用金刚石微粉研磨基座表面，使其平行度优于20μm、垂直度优于50μm、表面光洁度达到0.4的要求；⑤表面电镀；⑥按系统要求加工电路。
在芯片焊接时需要注意严格控制焊接温度，需按照图9所示温度曲线进行焊接。可采用回流焊机，对五个面上的芯片逐个进行焊接。在焊接芯片时需要用锡箔纸把已焊接好的芯片完全覆盖，以防止重复加热对器件和焊盘的损害。

Claims (10)

1、一种隐式结构微型惯性测量单元，由基座和三个单轴MEMS陀螺和两个双轴MEMS加速度计构成，其特征在于：采用合成陶瓷材料加工一正方体基座，基座表面电镀电路和焊盘，三个单轴的陀螺分别焊接在基座三个互相垂直的面上，两个双轴的加速度计分别焊接在另外两个互相垂直的面上，基座底面边缘附着弯角焊盘，基座既作为IMU系统电路板，又作为陀螺和加速度计的支撑结构。
2、根据权利要求1所述的一种隐式结构微型惯性测量单元，其特征在于：所述的基座形状为正方体或正方体切除其中一个角或两个角或三个角或四个角或五个角或六个角后的形状。
3、根据权利要求1所述的一种隐式结构微型惯性测量单元，其特征在于：所述的合成陶瓷材料为氮化铝合成陶瓷或碳化硅合成陶瓷。
4、根据权利要求1所述的一种隐式结构微型惯性测量单元，其特征在于：所述的基座各个表面光洁度优于0.4；各个面的平行度优于20μm；各个面的垂直度优于50μm。
5、根据权利要求1所述的一种隐式结构微型惯性测量单元，其特征在于：所述的基座底面边缘附着弯角焊盘，此焊盘既起到IMU与GNC系统板的电气连接作用，又起到对IMU的固定作用。
6、一种隐式结构微型惯性测量单元，由基座和三个单轴MEMS陀螺和三个单轴MEMS加速度计构成，其特征在于：采用合成陶瓷材料加工一长方体基座，基座表面电镀电路和焊盘，三个单轴的陀螺分别焊接在基座两个互相垂直的侧面和顶面上，三个单轴的加速度计分别焊接在另外两个互相垂直的侧面和顶面上，基座底面边缘附着弯角焊盘，基座既作为IMU系统电路板，又作为陀螺和加速度计的支撑结构。
7、根据权利要求6所述的一种隐式结构微型惯性测量单元，其特征在于：所述的基座形状为长方体或长方体切除其中一个角或两个角或三个角或四个角或五个角或六个角后的形状。
8、根据权利要求6所述的一种隐式结构微型惯性测量单元，其特征在于：所述的合成陶瓷材料为氮化铝合成陶瓷或碳化硅合成陶瓷。
9、根据权利要求6所述的一种隐式结构微型惯性测量单元，其特征在于：所述的基座各个表面光洁度优于0.4；各个面的平行度优于20μm；各个面的垂直度优于50μm。
10、根据权利要求6所述的一种隐式结构微型惯性测量单元，其特征在于：所述的基座底面边缘附着弯角焊盘，此焊盘既起到IMU与GNC系统板的电气连接作用，又起到对IMU的固定作用。
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