CN102455184A

CN102455184A - 惯性测量单元

Info

Publication number: CN102455184A
Application number: CN2010105261118A
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 陈君杰; 刘超军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-16

Abstract

一种惯性测量单元，包括：陀螺仪、加速度计、温度传感器、GPS、磁场传感器、气压式高度计、空速管、光学图像传感器、热红外图像传感器、信号处理单元，所述信号调理与转换电路与各传感器的输出端连接，接收各传感器的信号，信号调理与转换电路和校准与数字处理电路连接，校准与数字处理电路对各个传感器的测量信号进行处理后输送到SPI接口电路和CAN控制器，陀螺仪和加速度计与自检测电路和数字控制电路连接，信号调理与转换电路直接与数字控制电路连接，校准与数字处理电路通过报警电路与数字控制电路连接。本发明的优点是克服微机电系统惯性测量的精度问题，提供一种多功能、高精度、低成本、小型化、高可靠性的惯性测量单元。

Description

惯性测量单元

技术领域

本发明涉及一种测量设备，特别涉及一种惯性测量单元。

背景技术

微机电系统(MEMS)惯性传感器具有成本低、体积小、测量范围大、可靠性高和易于实现数字化等优点，且由MEMS惯性传感器组成的MEMS惯性测量单元是一种自主式的惯性导航组合，具有隐蔽性好、数据更新率高、短期精度高和稳定性好等特点，基于MEMS惯性测量单元的导航、制导技术得到了迅速发展，并被广泛应用到汽车工业、航空航天、国防科技等领域。但是，受目前的工艺水平、检测电路等条件的限制，目前MEMS惯性传感器普遍存在着测量精度低、噪声大等缺点，制约了其构成系统的精度，需要采取必要的措施以提高其精度。同时，由多个单轴或双轴MEMS惯性传感器来组成MEMS惯性测量单元时，其装配会带来较大的误差，在一定程度上制约了MEMS惯性测量单元的测量精度。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种惯性测量单元。本发明包括：三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、温度传感器、GPS、磁场传感器、气压式高度计、空速管、光学图像传感器、热红外图像传感器、信号处理单元，信号处理单元由信号调理与转换电路、校准与数字处理电路、SPI接口电路、CAN控制器、自检测电路、数字控制电路、报警电路和电源管理器组成，其特征在于所述信号调理与转换电路与三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、温度传感器、GPS、磁场传感器、气压式高度计、空速管、光学图像传感器、热红外图像传感器的输出端电路连接，接收各个传感器单元的输出信号，信号调理与转换电路与校准与数字处理电路连接，校准与数字处理电路对各个传感器的测量信号进行处理后输送到SPI接口电路和CAN控制器，三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计与自检测电路和数字控制电路连接，自检测电路检测三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计的工作状态，数字控制电路对系统的工作进行控制，信号调理与转换电路直接与数字控制电路连接，校准与数字处理电路通过报警电路与数字控制电路连接，电源管理器与数字控制电路、SPI接口电路和CAN控制器相联接，所述SPI接口电路设有输出寄存器。

本发明的优点是克服微机电系统惯性测量的精度问题，提供一种多功能、高精度、低成本、小型化、高可靠性的惯性测量单元。

附图说明

图1本发明的系统原理框图；

图2三轴MEMS陀螺仪的三维结构示意图；

图3三轴MEMS陀螺仪封装后的横截面结构示意图；

图4三轴MEMS加速度计的结构示意图。

图中：1GPS、2三轴MEMS陀螺仪、3光学图像传感器、4三轴MEMS加速度计、5热红外图像传感器、6温度传感器、7磁场传感器、8气压式高度计、9空速管、10信号处理单元、11信号调理与转换电路、12校准与数字处理电路、13SPI接口电路、14CAN控制器、15自检测电路、16数字控制电路、17报警电路、18电源管理器、21圆形检测质量块、22圆周驱动电极、23圆周检测电极、24底面检测电极、25弹性悬臂梁、26锚点、27硅圆片、28空腔、29吸气剂、41X/Y弹性悬臂梁、42X/Y梳齿状电极、43X/Y检测质量块、44Z扭转臂、45Z梳齿状电极、46非平衡Z检测质量块、47锚点。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例：

参见图1，本发明由GPS1、三轴MEMS陀螺仪2、光学图像传感器3、三轴MEMS加速度计4、热红外图像传感器5、温度传感器6、磁场传感器7、气压式高度计8、空速管9、信号处理单元10组成。信号处理单元10由信号调理与转换电路11、校准与数字处理电路12、SPI接口电路13、CAN控制器14、自检测电路15、数字控制电路16、报警电路17和电源管理器18组成。所述信号调理与转换电路11与GPS1、三轴MEMS陀螺仪2、光学图像传感器3、三轴MEMS加速度计4、热红外图像传感器5、温度传感器6、磁场传感器7、气压式高度计8、空速管9的输出端电路连接，接收各个传感器单元的输出信号，信号调理与转换电路11与校准与数字处理电路12连接，校准与数字处理电路12对各个传感器的测量信号进行处理后输送到SPI接口电路13和CAN控制器14，三轴MEMS陀螺仪2和三轴MEMS加速度计4与自检测电路15和数字控制电路16连接，信号调理与转换电路11直接与数字控制电路16连接，校准与数字处理电路12通过报警电路17与数字控制电路16连接，电源管理器18与数字控制电路12、SPI接口电路13和CAN控制器14相连接，所述SPI接口电路13设有输出寄存器。自检测电路15检测三轴MEMS陀螺仪2和三轴MEMS加速度计4的工作状态，数字控制电路16对系统的工作进行控制。

三轴MEMS陀螺仪2主要包括圆形检测质量块21、圆周驱动电极22、圆周检测电极23、底面检测电极24、弹性悬臂梁25和锚点26，所述的圆周驱动电极22和圆周检测电极23均匀分布在圆形检测质量块21的圆周上，并呈对称分布，底面检测电极24均匀地分布在圆形检测质量块21下方的衬底上，并尽量靠近圆形检测质量块21的边缘，参见图2。

三轴MEMS陀螺仪2采用圆片级封装技术和真空封装技术进行封装，其主要结构被封装在一个由顶层硅圆片27和底层硅圆片27所形成的空腔内，在所述的空腔28内放置吸气剂29，以保持空腔内的真空度，参见图3。

三轴MEMS加速度计4主要包括X/Y弹性悬臂梁41、X/Y梳齿状电极42、X/Y检测质量块43、Z扭转臂44、Z梳齿状电极45、非平衡Z检测质量块46和锚点47，所述的X/Y梳齿状电极45均匀分布在X/Y检测质量块43的四周，所述的非平衡Z检测质量块46嵌入在X/Y检测质量块43内部，并通过Z扭转臂44与X/Y检测质量块43相连接，参见图4。

Claims

1.一种惯性测量单元，包括：三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、温度传感器、GPS、磁场传感器、气压式高度计、空速管、光学图像传感器、热红外图像传感器、信号处理单元，信号处理单元由信号调理与转换电路、校准与数字处理电路、SPI接口电路、CAN控制器、自检测电路、数字控制电路、报警电路和电源管理器组成，其特征在于所述信号调理与转换电路与三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、温度传感器、GPS、磁场传感器、气压式高度计、空速管、光学图像传感器、热红外图像传感器的输出端电路连接，接收各个传感器单元的输出信号，信号调理与转换电路与校准与数字处理电路连接，校准与数字处理电路对各个传感器的测量信号进行处理后输送到SPI接口电路和CAN控制器，三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计与自检测电路和数字控制电路连接，自检测电路检测三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计的工作状态，数字控制电路对系统的工作进行控制，信号调理与转换电路直接与数字控制电路连接，校准与数字处理电路通过报警电路与数字控制电路连接，电源管理器与数字控制电路、SPI接口电路和CAN控制器相联接，所述SPI接口电路设有输出寄存器。

2.根据权利要求1所述的惯性测量单元，其特征在于所述三轴MEMS陀螺仪主要包括圆形检测质量块、圆周驱动电极、圆周检测电极、底面检测电极、弹性悬臂梁和锚点，所述的圆周驱动电极和圆周检测电极均匀分布在圆形检测质量块的圆周上，并呈对称分布，所述的底面检测电极均匀地分布在圆形检测质量块下方的衬底上，并尽量靠近圆形检测质量块的边缘。

3.根据权利要求1所述的惯性测量单元，其特征在于所述三轴MEMS陀螺仪采用圆片级封装技术和真空封装技术进行封装，其主要结构被封装在一个由顶层硅圆片和底层硅圆片所形成的空腔内，在所述的空腔内放置吸气剂，以保持空腔内的真空度。

4.根据权利要求1所述的惯性测量单元，其特征在于所述三轴MEMS加速度计主要包括X/Y弹性悬臂梁、X/Y梳齿状电极、X/Y检测质量块、Z扭转臂、Z梳齿状电极、非平衡Z检测质量块和锚点，所述的X/Y梳齿状电极均匀分布在X/Y检测质量块的四周，所述的非平衡Z检测质量块嵌入在X/Y检测质量块内部，并通过Z扭转臂与X/Y检测质量块相连接。