CN108770183A - 一种基于fr4印制电路板的三轴减振结构 - Google Patents

一种基于fr4印制电路板的三轴减振结构 Download PDF

Info

Publication number
CN108770183A
CN108770183A CN201810527029.3A CN201810527029A CN108770183A CN 108770183 A CN108770183 A CN 108770183A CN 201810527029 A CN201810527029 A CN 201810527029A CN 108770183 A CN108770183 A CN 108770183A
Authority
CN
China
Prior art keywords
shaped plate
vibration
plate
rectangular slab
spring beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810527029.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108770183B (zh
Inventor
董林玺
方祥
颜海霞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Hongzhen Intelligent Chip Co ltd
Original Assignee
Hangzhou Dianzi University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hangzhou Dianzi University filed Critical Hangzhou Dianzi University
Priority to CN201810527029.3A priority Critical patent/CN108770183B/zh
Publication of CN108770183A publication Critical patent/CN108770183A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108770183B publication Critical patent/CN108770183B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0271—Arrangements for reducing stress or warp in rigid printed circuit boards, e.g. caused by loads, vibrations or differences in thermal expansion
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/20—Details of printed circuits not provided for in H05K2201/01 - H05K2201/10
    • H05K2201/2045—Protection against vibrations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于FR4印制电路板的三轴减振结构。本发明包括处于同一平面的矩形板、第一回形板和第二回形板，其中矩形板用于放置MEMS惯性测量系统中的惯性传感器及系统电路，矩形板位于第一回形板内，通过四个减振连接器与第一回形板连接，所述的第一回形板用于放置系统电路；第一回形板在第二回形板内，也通过四个减振连接器与第二回形板连接，所述的第二回形板通过固定螺孔与外部设备直接相连。本发明在没有增加测量系统电路板的体积与质量的同时，降低了MEMS惯性传感器的三轴振动输出误差。

Description

一种基于FR4印制电路板的三轴减振结构
技术领域
本发明涉及一种基于FR4印制电路板的三轴减振结构，通过FR4本身的刚度和结构阻尼以及空气阻尼形成三轴减振结构，以此来降低板上MEMS惯性传感器的振动输出误差。
背景技术
惯性传感器是通过物体的惯性特性测量物体的运动信息的一种传感器，包括测量物体加速度的加速度计和测量物体角速度的陀螺仪。随着现代微电子与微加工工艺的迅速发展，一种新兴技术—微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技术应运而生。以MEMS技术为基础，制造的各种微型惯性传感器被称为MEMS惯性传感器。
目前广泛应用的航姿参考系统中的惯性传感器多采用激光陀螺仪、光纤陀螺仪等，其精度虽然高，但是体积大、成本高、可靠性低，在许多应用场合，因体积过大和成本过高而无法应用。未来的武器系统、无人机等必然向着数字化、智能化、小型化和高机动化发展，迫切需要发展体积小、成本低、可靠性高的航姿参考系统。MEMS惯性传感器具有可批量生产低成本小尺寸低功耗全固态可靠性好和高度集成等优点，因此基于MEMS惯性传感器的微惯性航姿系统就成为了当前惯性技术的重要发展方向和研究热点。
由于 MEMS 惯性传感器的体积小、质量轻等优点，包含MEMS传感器与处理电路的惯性测量系统通常被集成在一块印制电路板（PCB）上，然后大多采用直接刚性连接的方式安装在设备(如无人机)上，没有采取减震措施，设备动力源运转所产生的振动被直接传导到MEMS惯性传感器上，导致误差噪声的产生，继而导致整个设备姿态控制的误差。而传统的减振材料以及市面上的减振器很难应用在这种单板固定的情况并对设备传导而来的多方向振动进行有效抑制。
FR4作为最常见的低成本印刷电路板材料，具有硅十分之一的低杨氏模量，高结构阻尼，以及易于与电子器件集成等特点。因其优良的机械特性，FR4已经被用来替代传统材料制作低频谐振器。因此FR4-PCB本身可以作为减振材料，通过将传统PCB边缘通过刻蚀制成平面弹簧结构作为减振弹性梁，达到改变振动振幅传导率的效果，从而对一定频段的振动起到抑制效果。
发明内容。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明是将传统PCB板划分为处于同一平面的多级PCB板，对振动敏感的MEMS惯性传感器及相关电路处于中心级板，外部的多个回形外板主要起到固定支撑的作用，内板和外板通过一对中心对称的FR4弹性梁连接在一起，已经通过FR4弹性梁连接在外板上的内板因FR4弹性梁在三轴方向上刚度设计的不同，而可以在法向与面内横轴或者纵轴中其中一个方向相对外板位移，而在另一个方向由于极高的刚度，而等效为刚性。最后依靠多级PCB板及不同的FR4弹性梁结构改变对多方向振动幅度的传导率，从而对一定频段的振动起到抑制效果。
当振动由固定螺孔传到最外层回形板时，由于最外层板与设备刚性连接，最外层板与设备振动完全同步，振动信号传到下一层板上时，振动的幅度通过FR4弹性梁及结构阻尼和空气阻尼已经被减弱，由此当振动最后传导到处于最后一级的用来安装MEMS 惯性传感器的PCB上，振动的幅度已经被大大削弱。
本发明的有益效果是：在没有增加测量系统电路板的体积与质量的同时，提供了一种低成本的本身带有减振功能的PCB板，以此来降低MEMS惯性传感器的三轴振动输出误差，实际中可根据情况考虑增加或减少分板的级数来达到所需的效果。
附图说明
图1是本身带有减振功能PCB板的俯视图；
图2是本身带有减振功能PCB板的侧视图的部分放大图；
图3是带有减振功能PCB板受到单横轴方向振动时的相对位移示意图（为了更明显的显示，形变已被放大，下同）；
图4是带有减振功能PCB板受到单纵轴方向振动时的相对位移示意图；
图5是带有减振功能PCB板只受到垂直于PCB板方向振动时的相对位移示意图；
图1中，1：MEMS惯性传感器及其余电路所在一级矩形板，2：二级固定回形板，3：三级固定回形板， 4.1、4.2、4.3、4.4：与设备直接相连的固定螺孔，5.1、5.2：FR4-U形弹性梁，6.1、6.2：FR4弹性梁；
图2中：7：上表面覆铜，8：FR4材料，9：下表面覆铜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在图1中，PCB板被分为3块处于同一平面的3块板，一级矩形板1放置MEMS惯性传感器及其余系统电路，二级回形板2通过关于一级矩形板1中心成中心对称的FR4-U形弹性梁5.1,5.2与一级矩形板1相连，三级回形板3通过关于二级回形板2中心成中心对称的一字型FR4弹性梁6.1,6.2与二级回形板2相连。所有弹性梁被设计成宽度相等，厚度与整版厚度相同，板之间的缝隙需要根据实际振幅的大小来设计。
在图2中，所示为本发明的结构侧视图的部分放大图，本设计采用常用的双面覆铜PCB板，经验证表面覆有薄铜对FR4-PCB板的机械性能影响极小，并且铜的密度较大，增加了整体的质量，更加扩展了带有减振功能PCB板的振动抑制频段。
在图3,4,5中，所示为整个 PCB板受到由设备传来某个单方向振动时的放大的相对位移示意图，由于FR4弹性梁的存在，一级矩形板1的位移不在与设备同步，振幅的传导率与系统本身的谐振频率有关，该结构仅对频率大于系统本身的谐振频率并大于某个固定频率点（不大于2倍谐振频率并受阻尼影响）的振动起到抑制效果。经计算FR4弹性梁的刚度可以被设计到很低，继而得到极低的谐振频率，并且可以通过折叠梁如FR4-U形弹性梁5.1,5.2以及M形梁等降低整个系统的谐振频率，基本可以应对所有设备的振动源。
本发明的工作过程：如图1所示，设外部设备动力源产生平行PCB板横轴线的振动信号，此时由于FR4弹性梁6.1,6.2在横轴方向极高的刚度，振动近似刚性传导到二级回形板2，通过FR4-U形弹性梁5.1,5.2以及结构阻尼与空气阻尼的作用，传导到一级矩形板1的振动幅度被降低，从而达到抑制振动的效果。设外部设备动力源产生平行PCB板纵轴线的振动信号，通过FR4弹性梁6.1,6.2以及结构阻尼与空气阻尼的作用，传导到二级回形板2的振动幅度被降低，此时由于FR4-U形弹性梁5.1,5.2在纵轴方向极高的刚度，振动近似刚性传导到一级矩形板1，相对与源振动，振动幅度被降低，从而达到抑制振动的效果。对于最主要的法向振动，设外部设备动力源产生垂直于PCB板的振动信号，首先通过FR4弹性梁6.1,6.2以及结构阻尼空气阻尼的作用，传导到二级回形板2的振动幅度被降低，再通过FR4-U形弹性梁5.1,5.2以及结构阻尼与空气阻尼的作用，传导到一级矩形板1的振动幅度进一步被降低，从而达到多重减振的效果。其余方向上的振动都可以分解为三轴方向的振动，并被分别抑制，从而达到多方向振动的抑制效果也就是三轴减振功能。

Claims (1)

1.一种基于FR4印制电路板的三轴减振结构，其特征在于：包括处于同一平面的矩形板、第一回形板和第二回形板，其中矩形板用于放置MEMS惯性测量系统中的惯性传感器及系统电路，矩形板位于第一回形板内，通过四个减振连接器与第一回形板连接，所述的第一回形板用于放置系统电路；第一回形板在第二回形板内，也通过四个减振连接器与第二回形板连接，所述的第二回形板通过固定螺孔与外部设备直接相连；
第一回形板通过关于矩形板中心成中心对称的第一弹性梁与矩形板板相连，第一回形板在第二回形板内，第二回形板通过关于第一回形板中心成中心对称的第二弹性梁与第一回形板相连，所述的第二回形板通过固定螺孔与外部设备直接相连；
所述的第一弹性梁呈U字型；所述的第二弹性梁呈一字型，材料等级均为FR4，所述的第一弹性梁与第二弹性梁垂直设置且宽度相等，所述的第一弹性梁、第二弹性梁与FR4 印制电路板的厚度相同。
CN201810527029.3A 2018-05-29 2018-05-29 一种基于fr4印制电路板的三轴减振结构 Active CN108770183B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810527029.3A CN108770183B (zh) 2018-05-29 2018-05-29 一种基于fr4印制电路板的三轴减振结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810527029.3A CN108770183B (zh) 2018-05-29 2018-05-29 一种基于fr4印制电路板的三轴减振结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108770183A true CN108770183A (zh) 2018-11-06
CN108770183B CN108770183B (zh) 2020-05-05

Family

ID=64003247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810527029.3A Active CN108770183B (zh) 2018-05-29 2018-05-29 一种基于fr4印制电路板的三轴减振结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108770183B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112964253A (zh) * 2021-05-18 2021-06-15 北京三快在线科技有限公司 惯性测量组件的减振机构、飞控惯性测量组件及飞行器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5644282A (en) * 1995-02-06 1997-07-01 Motorola, Inc. Fuse and Battery apparatus utilizing same
GB2394365A (en) * 2002-10-19 2004-04-21 Motorola Inc Circuit board constructions
CN201489821U (zh) * 2009-07-15 2010-05-26 深圳市合正汽车电子有限公司 车载电脑的硬盘减震结构

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5644282A (en) * 1995-02-06 1997-07-01 Motorola, Inc. Fuse and Battery apparatus utilizing same
GB2394365A (en) * 2002-10-19 2004-04-21 Motorola Inc Circuit board constructions
CN201489821U (zh) * 2009-07-15 2010-05-26 深圳市合正汽车电子有限公司 车载电脑的硬盘减震结构

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112964253A (zh) * 2021-05-18 2021-06-15 北京三快在线科技有限公司 惯性测量组件的减振机构、飞控惯性测量组件及飞行器

Also Published As

Publication number Publication date
CN108770183B (zh) 2020-05-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11293937B2 (en) Inertia measurement module for unmanned aircraft
JP6154324B2 (ja) マイクロ慣性測定装置
US20090175477A1 (en) Vibration transducer
CN103528578B (zh) 微机电系统
KR101929149B1 (ko) 관성 측정 모듈 및 ３축 가속도계
US9366535B2 (en) Vibration gyro element, gyro sensor, and electronic apparatus
CN102168975A (zh) 角速度传感器和电子装置
JP2008046057A (ja) 複合センサ
JP2012198224A (ja) 音叉ジャイロスコープ装置を有する２軸ヨーレート検知ユニット
CN209745299U (zh) 一种三轴石英微机械陀螺仪衬底及陀螺仪
CN108770183A (zh) 一种基于fr4印制电路板的三轴减振结构
CN110988396A (zh) 石英振梁加速度计敏感组件
JP2016133352A (ja) 複合センサ
JP2009002964A (ja) 回転率センサ
CN109029431B (zh) 一种用于mems惯性测量系统的三轴多级pcb减振结构
JPWO2010092806A1 (ja) 慣性力センサとそれに用いる検出素子
JP2009162778A (ja) 回転率センサ
JP2008185385A (ja) 角速度センサ及び電子機器
JP4626858B2 (ja) 角速度センサ素子
JP2007101203A (ja) 角速度センサ
US9964561B2 (en) Acceleration sensor
US20180352348A1 (en) Bone conduction device
JPH10170375A (ja) 圧力・振動検知装置
JP2008256648A (ja) 傾斜角センサ及びこれを備えた被検出装置
JP5166585B2 (ja) 慣性センサ素子

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20220125

Address after: 313000 Room 201, building 4, Zone C, Deqing geographic information Town, Wuyang street, Deqing County, Huzhou City, Zhejiang Province (Moganshan national high tech Zone)

Patentee after: Zhejiang Hongzhen intelligent chip Co.,Ltd.

Address before: 310018 No. 2 street, Xiasha Higher Education Zone, Hangzhou, Zhejiang

Patentee before: HANGZHOU DIANZI University