CN104296746B - 一种新型微型惯性测量单元组合 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型微型惯性测量单元组合，包括基座，所述基座上焊接有两个梳齿式结构的加速度计(敏感轴在芯片平面内)、一个单支点扭摆式结构的加速度计(敏感轴垂直于芯片平面)、两个单支点角振动结构的陀螺(敏感轴在芯片平面内)和一个线振动结构的陀螺(敏感轴垂直于芯片平面)。采用不同结构的惯性传感器来检测加速度和角速率三个方向的分量，这样可以不用过多的考虑各传感器敏感轴的位置关系，从而可以使得结构的排列更加紧凑，空间利用率达到最大化，可以采用叠层结构，结构紧凑，抗冲击能力强，适用于小型化和高过载场合。

Description

一种新型微型惯性测量单元组合
技术领域
本发明涉及一种微型惯性测量单元组合，特别涉及一种新型层叠排列的微型惯性测量单元组合。
背景技术
惯性测量单元（英文：Inertial measurement unit，简称 IMU）是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。
一般的，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。在导航中用着很重要的应用价值。IMU大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上，也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。随着技术的发展，更小的器件、更小的部件，在许多方面都表现出了非常独特的优势，有些航天、航空领域中出现了一大批小型化运载体，这就要求它们的惯性测量单元的体积很小、重量很轻。
随着微型制造技术和MEMS技术的发展，新一代微型MEMS陀螺仪和微型MEMS加速计迅速发展起来，为微型惯性测量单元的设计和研制提供了有力的支持。现有的微型惯性测量单元大多采用如图1所示的结构，三个方向上使用同种类型的传感器，组成立方体形的结构，六块加工精度很高的金属板组成一个金属六面体作为支架，在金属六面体的六个金属面上安装陀螺仪和加速度计，加速度计安装在六面体的三个互相垂直的中间，以保证三只加速度计敏感轴两两垂直且相交于空间同一点，陀螺仪的安装保证三只陀螺仪的，敏感轴在空间两两垂直且与对应加速度计敏感轴平行，这种结构的惯性测量单元存在的缺点是，体积大、空间利用率不高、不利于微小化。还有一种结构是对方形组合的改进，如图2所示，相比上述的立方结构，体积有了一定的减小，但是空间的利用率还是不高。因此为了进一步更高程度的提高惯性测量单元的空间利用率，减小体积，需要从传感器的结构和原理着手，寻求最佳的解决方案。
发明内容
本发明目的是：提供一种体积小、结构优化，抗冲击能力强的新型微型惯性测量单元组合。
本发明的技术方案是：一种新型微型惯性测量单元组合，包括基座，所述基座上焊接有两个梳齿式结构的加速度计、一个单支点扭摆式结构的加速度计、两个单支点角振动结构的陀螺和一个线振动结构的陀螺。
进一步的，所述基座分层设置。
进一步的，所述基座有三层，第一层和第二层分别焊接有一个梳齿式结构的加速度计和一个单支点角振动结构的陀螺，第三层焊接有一个单支点扭摆式结构的加速度计和一个线振动结构的陀螺。
本发明的优点是：
采用不同结构的惯性传感器来检测加速度和角速率三个方向的分量，所有的传感器芯片都可以摆放在一个平面内,或者是几个平行叠层的平面内，这样可以不用过多的考虑各传感器敏感轴的位置关系，从而可以使得结构的排列更加紧凑，空间利用率达到最大化，可以采用叠层结构，结构紧凑，抗冲击能力强，适用于小型化和高过载场合。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明现有微型惯性测量单元组合的一种结构示意图；
图2是本发明现有微型惯性测量单元组合的另一种结构示意图；
图3是本发明微型惯性测量单元组合的较佳实施例的结构示意图；
图4是本发明微型惯性测量单元组合单支点扭摆式加速度计的结构示意图；
图5是本发明微型惯性测量单元组合梳齿式加速度计的结构示意图；
图6是本发明微型惯性测量单元组合单支点角振动陀螺的结构示意图；
图7是本发明微型惯性测量单元组合线振动结构陀螺的结构及工作示意图。
其中：1、基座，2、梳齿式结构的加速度计，3、单支点角振动结构的陀螺，4、梳齿式结构的加速度计，5、单支点角振动结构的陀螺，6、单支点扭摆式结构的加速度计，7、线振动结构的陀螺，8、IMU处理电路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
较佳实施例：
如图3所示，本实施例的一种新型微型惯性测量单元组合，包括基座1，基座1设置有三层，第一层焊接有一个梳齿式结构的加速度计2和一个单支点角振动结构的陀螺3（二者敏感轴沿x方向），第二层焊接有一个梳齿式结构的加速度计4和一个单支点角振动结构的陀螺5（二者敏感轴沿y方向的），第三层焊接有一个单支点扭摆式结构的加速度计6和一个线振动结构的陀螺7（二者敏感轴沿z方向的），上述传感器共用一个IMU处理电路8设置在基座1的顶层，上述结构的惯性传感器排列可以尽可能的紧凑。
对测量加速度，在In-plane方向，采用两个梳齿式结构的加速度计（2,4）检测In-plane内x，y方向的加速度，在out-of-plane方向，采用一个单支点扭摆式结构的加速度计6检测out-of-plane内z方向的加速度。
对测量角速度，采用两个单支点角振动结构的陀螺（3,5）检测x，y方向的角速度，采用一个线振动结构的陀螺7检测绕z轴方向旋转的角速度。
图4是本发明新型微型惯性测量单元组合单支点扭摆式加速度计的结构示意图
该结构的梁在out-of-plane方向的扭转刚度远小于In-plane面内的平动和扭转刚度，故可以用于检测z方向的加速度。由于为扭摆结构，通过下电极采用差分电容的检测方式检测。
图5是本发明新型微型惯性测量单元组合梳齿式加速度计的结构示意图
该结构的梁在y方向的刚度远小于在x和z方向的刚度，从而用于检测y方向的加速度。
运动方式为在结构所在平面内运动（In-plane）。旋转90度放置可以检测x方向的加速度。
图6是本发明新型微型惯性测量单元组合单支点角振动陀螺的结构示意图
图中陀螺质量块在芯片平面内（In-plane）绕z轴进行角振动，当有x方向的角速度输入时，振动质量块受到z向的科氏力，使得质量块同时绕y轴摆动。
图示该结构用于检测绕x轴的角速度，当两个这种结构的陀螺成90度放置时，可检测绕x轴和绕y轴的角速度。
图7是本发明新型微型惯性测量单元组合线振动结构陀螺的结构及工作示意图
质量块在梳齿静电驱动下，沿y方向振动，当有z向的角速度输入时，振动质量块受到x方向的科氏力，检测由于x方向的运动而引起的电容变化即可间接得到输入角速度。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (3)

1.一种新型微型惯性测量单元组合，包括基座，其特征在于，所述基座为平面型，在与基座平行的平面上焊接有两个梳齿式结构的加速度计、一个单支点扭摆式结构的加速度计、两个单支点角振动结构的陀螺和一个线振动结构的陀螺，所述单支点扭摆式结构的加速度计的下电极采用差分电容进行检测，所述线振动结构的陀螺用于检测由于x轴方向的运动引起的电容变化间接得到z轴角速度；一个梳齿式结构的加速度计和一个单支点角振动结构的陀螺的敏感轴沿x轴方向，用于检测x轴方向的加速度和角速度，另一个梳齿式结构的加速度计和另一个单支点角振动结构的陀螺的敏感轴沿y轴方向，用于检测y轴方向的加速度和角速度，所述单支点扭摆式结构的加速度计和线振动结构的陀螺的敏感轴沿z轴方向，用于检测z轴方向的加速度和角速度。
2.根据权利要求1所述的新型微型惯性测量单元组合，其特征在于，所述基座平行分层设置。
3.根据权利要求2所述的新型微型惯性测量单元组合，其特征在于，所述基座有三层，第一层和第二层分别焊接有一个梳齿式结构的加速度计和一个单支点角振动结构的陀螺，第三层焊接有一个单支点扭摆式结构的加速度计和一个线振动结构的陀螺。
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