CN108408681B - 一种用于mems惯性测量组合温控的保温结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于MEMS惯性测量组合温控的保温结构，包括加热组件、保温层、隔热外罩和底座；所述保温层完全包覆在MEMS惯性测量单元外部；加热组件设置在所述保温层与MEMS惯性测量单元之间，控制MEMS惯性测量单元的温度；隔热外罩和底座组成封闭空间，所述保温层贴附在隔热外罩和底座的内侧。本发明通过设置加热罩、保温层、外罩、底座组成保温结构，重量轻，体积小，恒温效果好，结构刚度好，且成本低。本发明的隔热外罩采用不锈钢材料加工而成，平衡了组合的质量分布，调整了组合重心，使MEMS惯性测量单元重心与组合重心保持一致，保证了MEMS惯性测量单元的减振效果最佳。

Description

一种用于MEMS惯性测量组合温控的保温结构

技术领域

本发明涉及一种用于MEMS惯性测量组合温控的保温结构，属于保温结构技术领域。

背景技术

MEMS惯性器件成本低、体积小、功耗小、易于数字化等特点使其在捷联惯性测量系统中日益受到重视，应用广泛，涉及多个军民应用领域。然而，MEMS惯性器件尤其是MEMS陀螺仪存在精度低、漂移大等缺点，严重影响了系统测量精度及测试性能。全温范围内，MEMS惯性器件的精度并不高，长时间工作时，环境温度会带来零位漂移，对MEMS惯性器件的精度产生直接影响。因此，保持MEMS惯性器件工作在合适的稳定的温度环境下，是解决精度问题的重要方面。

对于导弹上使用的MEMS惯性测量组合，为了保证其测量精度，需要保持其工作温度处于65℃恒温环境，因此需要对MEMS惯性测量组合设置保温结构。由于导弹对于重量和体积的要求比较严格，因此保温结构不仅要保证在低温环境下的保温效果，还需要保证重量轻，体积小。

如何设置一种满足导弹需要的MEMS惯性测量组合的保温结构，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种MEMS惯性测量组合温控的保温结构，本发明为MEMS惯性测量组合提供了65℃恒温工作环境，体积小、重量轻、功耗小、成本低，提高了MEMS器件的输出精度。

本发明的技术方案如下：

提供一种用于MEMS惯性测量单元温控的保温结构，包括加热组件、保温层、隔热外罩和底座；

所述保温层完全包覆在MEMS惯性测量单元外部；

加热组件设置在所述保温层与MEMS惯性测量单元之间，控制MEMS惯性测量单元的温度；

隔热外罩和底座组成封闭空间，所述保温层贴附在隔热外罩和底座的内侧。

优选的，隔热外罩和底座的材质不同，通过调整二者的尺寸比例，使MEMS惯性测量单元的在安装保温结构后重心位置保持不变。

优选的，所述加热组件包括加热罩、贴附在加热罩上表面的上加热片和贴附在加热罩侧壁的侧加热片。

优选的，所述上加热片和侧加热片具有内置温度传感器，当内置温度传感器测量的温度超过设定阈值时，停止使用对应的加热片加热。(避免温度过热)

优选的，加热罩采用铝合金材料。

优选的，保温层包括上保温毡、侧保温结构和下保温结构；

所述上保温毡覆盖加热组件的上表面；所述侧保温结构覆盖加热组件的侧面，侧保温结构为厚度大于上保温毡的保温结构；下保温结构包括下隔热罩、下保温毡和隔热平垫，所述下隔热罩覆盖加热罩的下表面并支撑，下保温毡设置在下隔热罩内部，下保温毡上沿周向设置多个通孔，隔热平垫穿过通孔深入到加热罩内部支撑MEMS惯性测量组合。

优选的，底座上设置多个与隔热平垫对应的凸台，隔热平垫放置在凸台上，多个凸台的上表面处于同一平面。

优选的，所述下隔热罩采用聚砜材料，隔热平垫采用陶瓷材质。

优选的，上保温毡的厚度为4.5～5.5mm，侧保温结构包括设置在内层的4.5～5mm厚的侧保温毡和设置在外层的2.5～3mm厚的薄保温毡；下保温毡厚度为4.5～5.5mm。

优选的，所有的保温毡采用纳米气凝胶材料制成。

优选的，隔热外罩采用不锈钢材料，底座采用高强度铝合金材料，表面进行了瓷质阳极化处理。

优选的，下保温结构固定于底座上。

优选的，所述保温结构为对称结构。

本发明具有以下特点：

(1)本发明通过设置加热罩、保温层、外罩、底座组成保温结构，重量轻，体积小，恒温效果好，结构刚度好，且成本低。

(2)本发明的加热罩采用铝合金材料制成，热导率247W/(m·K)，密度2690kg/m³，在降低重量的同时，保证了加热片的热量快而多的传输至MEMS惯性测量单元的工作空间内，热传导性好，降低了功耗。

(3)本发明的加热片选用薄膜电加热片，设计中内置PT100温度传感器，实时监测加热罩的温度，防止过热。

(4)本发明的上保温毡、中保温毡、下保温毡选用了导热系数仅为0.018W/(m·K)，工作温度范围-200-650℃，阻燃等级A1级的纳米气凝胶毡制成，大大减少了热量散失，降低了加热功耗损失。

(5)本发明的下隔热罩采用聚砜材料，为热的不良导体，安装固定了加热罩，避免了金属热传导；为了解决下隔热罩为非金属材料，刚性差的问题，本发明在下保温毡中加入陶瓷材质的隔热平垫，以提高MEMS惯性测量单元的支撑刚度。

(6)本发明的隔热外罩采用不锈钢材料加工而成，平衡了组合的质量分布，调整了组合重心，使MEMS惯性测量单元重心与组合重心保持一致，保证了MEMS惯性测量单元的减振效果最佳。

(7)本发明的底座采用航空用高强度铝合金材料加工而成，呈内凹槽外支腿样式，凹槽内部及支腿两端设计了加强筋，提高了零件的刚度。

附图说明

图1为本发明MEMS惯性测量组合温控的保温结构组成示意图；

图2a为本发明MEMS惯性测量组合温控的保温结构图的剖视图；图2b为本发明MEMS惯性测量组合温控的保温结构图的左视图；图2c为本发明MEMS惯性测量组合温控的保温结构图的俯视图。其中1为隔热外罩；2为上保温毡；3为上加热片；4为加热罩；5为薄中保温毡；6为中保温毡；7为侧加热片；8为M2×6开槽沉头螺钉；9为底座；10为下保温毡；11为下隔热罩；12为M2×5开槽沉头螺钉；13为M3×12开槽沉头螺钉；14为隔热平垫；

图3a加热罩结构主视图；图3b为加热罩结构左视图；图3c为上加热片结构尺寸图；图3d为侧加热片结构尺寸图；

图4a为中保温毡结构图；图4b为薄保温毡结构图；图4c为中保温毡结构侧向视图；图4d为薄保温毡结构侧向视图；

图5a为隔热平垫结构图；图5b为下保温毡结构图；图5c为下隔热罩的主视图；图5d为下隔热罩的剖视图；

图6a为隔热外罩结构图的主视图；图6b为隔热外罩结构图的俯视图；

图7a为底座结构图的主视图；图7b为底座结构图的主视图的B向局部视图；图7c为底座结构图的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

参见图1、2用于MEMS惯性测量单元温控的保温结构，主要为MEMS惯性测量单元提供稳定的合适的工作温度环境，提高MEMS惯性器件的输出精度，降低组合的成本。包括加热组件、上保温毡2、侧保温结构、下保温结构、隔热外罩1、底座9、下隔热罩上隔热罩分别与底座的固定螺钉8、加热罩固定螺钉12、底座与惯性测量单元连接螺钉13组成。加热组件包含加热罩4及两个加热片，为组合提供稳定的热量来源并进行温度监测；保温结构选用纳米气凝胶毡及工业羊毛毡作为原材料，用来防止热量散失并减少功率损耗；隔热外罩1及底座9为加热组件及保温组件提供结构支撑。

参见图3，所述加热组件由加热罩4、上加热片3及侧加热片7组成，是热量的来源之处。加热罩采用高强度航空用铝合金铣加工而成，铝合金材料热导率247W/(m·K)，密度2690kg/m³，既加快了向MEMS惯性测量组合的热量传输速率，又降低了整体重量，是良好的结构支撑及热传导材料。加热罩套设在MEMS惯性测量组合的外部，在保证不接触MEMS惯性测量组合部件的基础上，体积应尽量小。加热罩通过四个沉头螺钉与下隔热罩进行连接，侧面设计了出线孔用来引出传输MEMS惯性测量单元惯性参数及温度参数的线缆。上加热片与侧加热片为薄膜电加热片，用胶接的方式固定在加热罩上，并使用GD414硅橡胶进行了加固，防止脱落；侧加热片安装有PT100温度传感器，可实时监测加热罩的温度，输出加热片温度，是温度控制算法的输入参数，用于减小温度控制超调并防止加热组件温度过高。

参见图4，所述上保温2毡采用纳米气凝胶材料制成，厚度为5mm，导热系数为0.018W/(m·K)，隔热性能优越，能有效防止热量散失；使用温度-200-650℃，阻燃性为A1级，具备良好的耐热性和阻燃性；重量较轻，密度仅为200kg/m³。上保温毡固定在隔热外罩内部，用于防止热量散失。所述侧保温结构由中保温毡和薄保温毡组成。中保温毡采用与上保温毡相同的材料，厚度5mm，矩形，设计了拱门形出线槽，通过挤压的方式与加热罩和薄保温毡贴合；薄保温毡采用工业羊毛毡制成，导热系数为0.0290.018W/(m·K)，厚度2mm，矩形，设计了拱门形出线槽，成本较低但有效缓解了热量的散失，同中保温毡依次与隔热外罩进行安装。

参见图5，所述下保温结构有下隔热罩11、下保温毡10及隔热平垫14组成。下隔热罩采用非金属材料聚砜铣加工而成，有较高的热变形温度及良好的高温抗蠕变性能，能在155℃下长期工作。下保温毡材料采用纳米气凝胶毡材料，嵌在下隔热罩凹槽内。结合图2b，下隔热罩通过四个M2开槽沉头螺钉13与底座进行固定，凹槽平面加工了4个圆孔，用于穿射隔热平垫。隔热平垫采用可加工陶瓷材料制成，导热系数为1.7W/(m·K)，弯曲强度大于等于108MPa，压缩强度大于等于491MPa，具备良好的隔热性能、机械加工及结构支撑能力；安装在下隔热罩与下保温毡对齐的孔内，高度略高于下隔热罩高度，用于支撑MEMS惯性测量组合，同时减少热量的散失。整个下保温结构通过四个M2开槽沉头螺钉13固定于底座之上。下保温毡厚度5mm，安装固定在下隔热罩凹槽内，设计了四个圆孔安装时与下隔热罩圆孔对齐；隔热平垫14采用可加工陶瓷加工而成，安装在四个圆孔内。

参见图6，所述隔热外罩1采用304不锈钢材料制成，表面进行了钝化处理，8个安装耳片，两两一组均布在圆柱壳体底边外缘，安装耳片通过8个沉头螺钉与底座支腿进行连接，对整个温控MEMS惯性测量组合而言可起到调整重心高度、结构支撑及隔热的作用。

参见图7，所述底座9采用高强度航空用铝合金铣加工而成，表面进行了瓷质阳极化处理，通过四个支腿与外界进行连接。内槽底部及侧面支腿部分设计了加强筋用于提高底座刚度；侧面设计了走线槽，用来引出MEMS惯性测量组合惯性参数、温度参数的线缆及加热片组件的温控线缆。

所述加热组件采用热辐射的方式提高MEMS惯性测量组合的工作环境温度。加热组件由加热罩4和薄膜电加热片组成，加热罩选用了热导率较大、密度较小、成本低的航空铝合金材料，能够将MEMS惯性测量单元罩在其内部，同时起到支撑加热片和保温材料的作用；加热片通过胶粘固定在导热套筒外侧，并使用GD414硅橡胶进行加固。加热片分为顶部和侧面两个部分，按照加热罩尺寸设计，顶部加热片粘在导热套筒顶部，阻值为12.5Ω，侧面的加热片粘在圆柱形加热罩侧面，阻值为13Ω；为最大程度避免热传导散失热量，导热套筒通过四只开槽沉头螺钉(M2×5)固连在由低热导率聚砜材料制成的下隔热罩上。通电后，两只加热片共同作用产生热量，传导至加热罩上，并通过热辐射为MEMS惯性测量单元提供65℃可高精度工作的环境温度。

在加热罩侧面留有出线孔，用于引出MEMS惯性测量单元的信号线缆。在侧面长方形加热片上安装有PT100温度传感器，输出加热片温度，是温度控制算法的输入参数，用于减小温度控制超调并防止加热组件温度过高。

所述保温组件在有限体积内最大限度的减少了热量的散失，降低功率损耗。保温组件包括上保温毡2、侧保温结构、下保温结构、隔热外罩1。

上保温毡2、中保温毡6、下保温毡10选用纳米气凝胶毡材料，其导热系数仅为0.018W/(m·K)，有效的减小了热量的散失，能够长期在加热片155℃高温下工作；侧保温结构的薄中保温毡选用工业毛毡，填充在隔热外罩与中保温毡之间，起到一定的保温作用；下隔热罩选用热导率较低的聚砜材料，用于固定导热套筒及下保温毡；隔热平垫选用导热不良的可加工陶瓷，机械强度较高、刚度好，在MEMS惯性测量单元与底座之间起过渡连接及支撑作用。隔热外罩选用不锈钢材料，保护内部结构的同时可用于调整MEMS惯性测量组合的重心高度，使MEMS惯性测量单元的测量中心与MEMS惯性测量组合的重心保持一致。

所述底座9为带支撑耳片的圆盘样式，采用高强度硬质铝合金铣加工而成，整体为薄壁结构，设计了加强筋，在降低重量的同时提高了整体刚度，整个底座重量仅为64g。侧壁设计有出线孔，与加热罩、中保温毡、薄保温毡的走线孔方向一致，用于引出MEMS惯性测量单元的信号线缆及加热组件的线缆。

本发明可通过加热的方法为MEMS惯性测量单元提供恒定的工作温度，误差在0.5℃范围内，通过外部保温的方法，减少热量散失，降低加热功耗。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于MEMS惯性测量单元温控的保温结构，其特征在于，包括加热组件、保温层、隔热外罩和底座；

所述保温层完全包覆在MEMS惯性测量单元外部；

加热组件设置在所述保温层与MEMS惯性测量单元之间，控制MEMS惯性测量单元的温度；

隔热外罩和底座组成封闭空间，所述保温层贴附在隔热外罩和底座的内侧；

隔热外罩和底座的材质不同，通过调整二者的尺寸比例，使MEMS惯性测量单元的在安装保温结构后重心位置保持不变；

所述加热组件包括加热罩、贴附在加热罩上表面的上加热片和贴附在加热罩侧壁的侧加热片；

保温层包括上保温毡、侧保温结构和下保温结构；

所述上保温毡覆盖加热组件的上表面；所述侧保温结构覆盖加热组件的侧面，侧保温结构为厚度大于上保温毡的保温结构；下保温结构包括下隔热罩、下保温毡和隔热平垫，所述下隔热罩覆盖加热罩的下表面并支撑，下保温毡设置在下隔热罩内部，下保温毡上沿周向设置多个通孔，隔热平垫穿过通孔深入到加热罩内部支撑MEMS惯性测量组合；

所述下隔热罩采用聚砜材料，隔热平垫采用陶瓷材质；

上保温毡的厚度为4.5～5.5mm，侧保温结构包括设置在内层的4.5～5mm厚的侧保温毡和设置在外层的2.5～3mm厚的薄保温毡；下保温毡厚度为4.5～5.5mm。

2.根据权利要求1所述的用于MEMS惯性测量单元温控的保温结构，其特征在于，所述上加热片和侧加热片具有内置温度传感器，当内置温度传感器测量的温度超过设定阈值时，停止使用对应的加热片加热。

3.根据权利要求1所述的用于MEMS惯性测量单元温控的保温结构，其特征在于，加热罩采用铝合金材料。

4.根据权利要求3所述的用于MEMS惯性测量单元温控的保温结构，其特征在于，底座上设置多个与隔热平垫对应的凸台，隔热平垫放置在凸台上，多个凸台的上表面处于同一平面。

5.根据权利要求1所述的用于MEMS惯性测量单元温控的保温结构，其特征在于，所有的保温毡采用纳米气凝胶材料制成。

6.根据权利要求1或2所述的用于MEMS惯性测量单元温控的保温结构，其特征在于，隔热外罩采用不锈钢材料，底座采用高强度铝合金材料，表面进行了瓷质阳极化处理。

7.根据权利要求1或2所述的用于MEMS惯性测量单元温控的保温结构，其特征在于，下保温结构固定于底座上。

8.根据权利要求1或2所述的用于MEMS惯性测量单元温控的保温结构，其特征在于，所述保温结构为对称结构。

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