CN109781097B - 一种集成化微pnt单元 - Google Patents

Abstract

本发明属于定位导航授时(PNT)领域，具体涉及一种集成化微PNT单元；包括中心微时钟模块和外侧微惯性模块；中心微时钟模块的锚点位于中心，锚点的外部分布有若干圆环，圆环与圆环之间均匀分布有径向短梁，外电极分布在最外围，工作时，通过静电力作用和闭环反馈实现稳定控制，对外提供稳定的频率信息；微惯性模块的环形锚点位于中心，圆环位于外侧，圆环与环形锚点之间均匀分布有组合梁，圆环的内、外侧均匀分布有平面外电极和平面内电极、圆环上下表面分布有离面电极，实现X、Y、Z三轴向加速度输入和X、Y、Z三轴向角运动输入的敏感。本发明整体可通过MEMS平面工艺实现，不涉及微观层面的多层堆叠和精密组装，实现工艺较为简单。

Description

一种集成化微PNT单元

技术领域

本发明属于定位导航授时(PNT)领域，具体涉及一种集成化微PNT单元。

背景技术

定位导航授时技术泛指一切用来获取对象时空信息的技术，是社会经济活动和军事行动共同的基础。基于惯性技术和时钟技术的PNT单元具有自主、连续、隐蔽等特性，是克服卫星PNT技术在受阻挡以及强干扰等复杂环境下服务性能严重下降、甚至无法工作等问题的重要技术手段。

现有PNT单元大多基于传统机械式、光学式陀螺等惯性器件，具有精度高、技术成熟的特点，但面临体积大、成本高、复杂、维护难度大等问题。

近年来，微机电(Micro Electro Mechanical Systems，简称MEMS)技术在世界范围内发展迅猛，以微电子和微机械工艺为基础制造的MEMS陀螺和MEMS加速度计等器件，具有成本低、体积重量功耗小、集成性高及抗恶劣环境等突出优点，可用于实现小型轻质化的微PNT单元。然而，为实现PNT信息的获取，单个微PNT单元通常需要三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计和一个时钟，进而通常采用多层堆叠、正交型微组装等方式将六个单轴惯性器件和时钟进行集成装配，工艺较为复杂，且不利于充分发挥体积、重量、功耗等优势。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种集成化微PNT单元，实现了三个轴向角运动和三个轴向加速度信息的敏感，克服了现有微PNT单元采用多轴集成、实现工艺较为复杂等问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明一种集成化微PNT单元，该PNT单元包括中心微时钟模块和外侧微惯性模块；

所述微时钟模块包括中心锚点、时钟圆环、径向短梁和外电极；

中心锚点为圆柱实心结构，以中心锚点为中心，沿中心锚点径向同心间隙均布设置多个时钟圆环，时钟圆环与中心锚点以及时钟圆环之间通过多个径向短梁连接，最外侧时钟圆环外侧同心均布多个外电极，每2个相对布置的外电极构成一组时钟外电极；

所述微惯性模块包括环形锚点、组合梁、惯性圆环、平面外电极、平面内电极和下离面电极和上离面电极；

环形锚点设置在外电极外侧，与外电极同心设置，以环形锚点为中心，沿环形锚点径向同心布置惯性圆环，环形锚点和惯性圆环之间通过多个组合梁连接，惯性圆环内侧和外侧分别同心均布设置多个平面内电极和平面外电极，惯性圆环上端面上侧设置上离面电极，惯性圆环下端面下侧设置下离面电极。

进一步，所述中心锚点底面与外部封装体相连，时钟圆环上端面与中心锚点上端面齐平，时钟圆环下端面悬空，外电极上端面与时钟圆环上端面齐平；时钟圆环一侧的多个径向短梁均布设置，时钟圆环内外侧之间径向短梁交错分布。

进一步，所述时钟圆环一侧设置4个径向短梁，同侧相邻径向短梁之间夹角为90°。

进一步，所述环形锚点下端面与外部封装体相连，环形锚点上端面与外电极上端面齐平；

惯性圆环上端面与环形锚点上端面齐平，惯性圆环下端面悬空；

惯性圆环内侧同心均布设置多个平面内电极，每个平面内电极与组合梁端部设置间隙，平面内电极上端面与惯性圆环上端面齐平；

惯性圆环外侧同心均布设置多个平面外电极，平面外电极上端面与惯性圆环上端面齐平。

进一步，所述平面内电极的设置数量为8个，每2个相对设置的平面内电极功能相同，组成一组；所述平面外电极的设置数量为8个，每两个相对设置的平面外电极功能相同，组成一组。

进一步，所述组合梁一端端部与环形锚点外壁连接，另一端端部与惯性圆环连接，组合梁中间梁段结构为非直线梁结构，组合梁中间梁段的周长大于环形锚点与惯性圆环的间距，组合梁以其两端端部连线为对称线呈对称结构；多个组合梁以惯性圆环圆心为中心呈中心对称分布。

进一步，所述组合梁数量为8个，组合梁中间梁段结构为“S型”绕行结构，组合梁以其两端端部连线为对称线呈对称结构。

进一步，所述组合梁数量为8个，组合梁中间梁段结构为折线结构，组合梁以其两端端部连线为对称线呈对称结构。

进一步，所述组合梁数量为8个，组合梁包括两个单梁，两个单梁左右对称，两个单梁端部分别与环形锚点外壁和惯性圆环内壁连接，每个单梁中间梁段呈“U型”绕行结构，两个单梁中间梁的“U型”口相对设置。

进一步，所述环形锚点的直径尺寸在惯性圆环直径的二分之一以内；中心锚点的直径尺寸在最外侧时钟圆环直径的二分之一以内；

所述中心锚点和环形锚点穿过下离面电极与外部封装体相连；外电极、平面外电极和平面内电极通过支撑件设置在下离面电极上，支撑件为绝缘体。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明一种集成化微PNT单元，时钟模块和惯性模块位于同一圆片上，通过单一敏感结构即可实现三个轴向角运动和三个轴向加速度信息的敏感，在体积、重量、功耗方面优势明显。

(2)本发明一种集成化微PNT单元，整体可通过MEMS平面工艺实现，不涉及微观层面的多层堆叠和精密组装，实现工艺较为简单。

附图说明

图1是本发明一种集成化微PNT单元俯视图；

图2是本发明一种集成化微PNT单元主视图；

图3是本发明微时钟模块示意图；

图4是本发明微惯性模块示意图；

图5是本发明组合梁型式示意图；

图6是本发明一种集成化微PNT单元工作振型；

图7是本发明Z向角速率输入检测振型；

图8是本发明X向加速度输入检测振型；

图9是本发明Y向加速度输入检测振型；

图10是本发明X向角速度输入检测振型；

图11是本发明Y向角速度输入检测振型；

图12是本发明Z向加速度输入检测振型；

图中：11-微时钟模块，12-微惯性模块，111-中心锚点，112-时钟圆环，113-径向短梁，114-外电极，121-环形锚点，122-组合梁，123-惯性圆环，124-平面外电极，125-平面内电极，126-下离面电极，127-上离面电极。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明一种集成化微PNT单元作详细说明。

如图1至图4所示，本发明一种集成化微PNT单元呈圆环型结构，包括中心微时钟模块11和外侧微惯性模块12，加工材料优选硅、熔融石英等。

所述微时钟模块11包括中心锚点111、时钟圆环112、径向短梁113和外电极114；

中心锚点111位于中心，中心锚点111为圆柱实心结构，中心锚点111底面与外部封装体相连，起支撑作用；

以中心锚点111为中心，沿中心锚点111径向同心间隙均布设置多个时钟圆环112，时钟圆环112上端面与中心锚点111上端面齐平，时钟圆环112下端面悬空，时钟圆环112与中心锚点111以及时钟圆环112之间通过多个径向短梁113连接；

时钟圆环112一侧的多个径向短梁113均布设置，时钟圆环111内外侧之间径向短梁113交错分布，优选时钟圆环112一侧设置4个径向短梁113，同侧相邻径向短梁113之间夹角为90°；

最外侧时钟圆环112外侧同心均布多个外电极114，优选设置4个外电极114，每2个相对布置的外电极114构成一组时钟外电极；外电极114上端面与时钟圆环112上端面齐平；

中心锚点111的直径尺寸在最外侧时钟圆环112直径的二分之一以内；

工作时，通过静电力作用一组时钟外电极，实现平面椭圆型的驱动振型，结合另一组时钟外电极进行闭环控制，向外提供稳定的频率信息。

所述微惯性模块12包括环形锚点121、组合梁122、惯性圆环123、平面外电极124、平面内电极125、下离面电极126和上离面电极127；

环形锚点121设置在外电极114外侧，与外电极114同心设置，环形锚点121下端面与外部封装体相连，起支撑作用，环形锚点121上端面与外电极114上端面齐平；

以环形锚点121为中心，沿环形锚点121径向同心布置惯性圆环123，惯性圆环123上端面与环形锚点121上端面齐平，惯性圆环123下端面悬空；

环形锚点121和惯性圆环123之间通过多个组合梁122连接，多个组合梁122以惯性圆环123圆心为中心呈中心对称分布，优选组合梁122数量为8个；

组合梁122一端端部与环形锚点121外壁连接，另一端端部与惯性圆环123连接，组合梁122中间梁段结构为非直线梁结构，组合梁122中间梁段的周长大于环形锚点121与惯性圆环123的间距，组合梁122以其两端端部连线为对称线呈对称结构；

环形锚点121的直径尺寸在惯性圆环123直径的二分之一以内；

如图5(a)所示，优选组合梁122中间梁段结构为“S型”绕行结构，组合梁122以其两端端部连线为对称线呈对称结构，“S型”绕行结构增加组合梁122中间梁段的周长；

或者如图5(c)所示，优选组合梁122中间梁段结构为折线结构，组合梁122以其两端端部连线为对称线呈对称结构，折线结构增加组合梁122中间梁段的周长；

或者如图5(b)所示，优选组合梁122包括两个单梁，两个单梁左右对称，两个单梁端部分别与环形锚点121外壁和惯性圆环123内壁连接，每个单梁中间梁段呈“U型”绕行结构，两个单梁中间梁的“U型”口相对设置；

惯性圆环123内侧同心均布设置多个平面内电极125，每个平面内电极125与组合梁122端部设置间隙，优选平面内电极125的设置数量为8个，每2个相对设置的平面内电极125功能相同，组成一组；

平面内电极125上端面与惯性圆环123上端面齐平；

平面内电极125通过提取共模信息，可实现对X向、Y向加速度输入的检测，振型如图8～图9所示；

惯性圆环123外侧同心均布设置多个平面外电极124，优选平面外电极124的设置数量为8个，每两个相对设置的平面外电极124功能相同，组成一组；

平面外电极124可实现初始工作振型的驱动，振型如图6所示，并通过提取差模信息可实现对Z向角速率输入的检测，其振型如图7所示；

平面外电极124上端面与惯性圆环123上端面齐平；

惯性圆环123上端面上侧设置上离面电极127，惯性圆环123下端面下侧设置下离面电极126，下离面电极126和上离面电极127为圆板型结构；

下离面电极126和上离面电极127通过提取差模信息可实现对X向、Y向角速度输入的检测，其振型如图10～图11所示；

下离面电极126和上离面电极127通过提取共模信息可实现对Z向加速度输入的检测，其振型如图12所示；

中心锚点111和环形锚点121穿过下离面电极126与外部封装体相连，起支撑作用；

外电极114、平面外电极124和平面内电极125通过支撑件设置在下离面电极126上，支撑件为绝缘体，保证外电极114、平面外电极124和平面内电极125相互之间，以及与下离面电极126之间不出现短路情况发生。

Claims (10)

1.一种集成化微PNT单元，其特征在于：该PNT单元包括中心微时钟模块和外侧微惯性模块；

所述微时钟模块包括中心锚点、时钟圆环、径向短梁和外电极；

中心锚点为圆柱实心结构，以中心锚点为中心，沿中心锚点径向同心间隙均布设置多个时钟圆环，时钟圆环与中心锚点以及时钟圆环之间通过多个径向短梁连接，最外侧时钟圆环外侧同心均布多个外电极，每2个相对布置的外电极构成一组时钟外电极；

所述微惯性模块包括环形锚点、组合梁、惯性圆环、平面外电极、平面内电极和下离面电极和上离面电极；

环形锚点设置在外电极外侧，与外电极同心设置，以环形锚点为中心，沿环形锚点径向同心布置惯性圆环，环形锚点和惯性圆环之间通过多个组合梁连接，惯性圆环内侧和外侧分别同心均布设置多个平面内电极和平面外电极，惯性圆环上端面上侧设置上离面电极，惯性圆环下端面下侧设置下离面电极。

2.根据权利要求1所述的一种集成化微PNT单元，其特征在于：所述中心锚点底面与外部封装体相连，时钟圆环上端面与中心锚点上端面齐平，时钟圆环下端面悬空，外电极上端面与时钟圆环上端面齐平；时钟圆环一侧的多个径向短梁均布设置，时钟圆环内外侧之间径向短梁交错分布。

3.根据权利要求2所述的一种集成化微PNT单元，其特征在于：所述时钟圆环一侧设置4个径向短梁，同侧相邻径向短梁之间夹角为90°。

4.根据权利要求1所述的一种集成化微PNT单元，其特征在于：所述环形锚点下端面与外部封装体相连，环形锚点上端面与外电极上端面齐平；

惯性圆环上端面与环形锚点上端面齐平，惯性圆环下端面悬空；

惯性圆环内侧同心均布设置多个平面内电极，每个平面内电极与组合梁端部设置间隙，平面内电极上端面与惯性圆环上端面齐平；

惯性圆环外侧同心均布设置多个平面外电极，平面外电极上端面与惯性圆环上端面齐平。

5.根据权利要求4所述的一种集成化微PNT单元，其特征在于：所述平面内电极的设置数量为8个，每2个相对设置的平面内电极功能相同，组成一组；所述平面外电极的设置数量为8个，每两个相对设置的平面外电极功能相同，组成一组。

6.根据权利要求1所述的一种集成化微PNT单元，其特征在于：所述组合梁一端端部与环形锚点外壁连接，另一端端部与惯性圆环连接，组合梁中间梁段结构为非直线梁结构，组合梁以其两端端部连线为对称线呈对称结构；多个组合梁以惯性圆环圆心为中心呈中心对称分布。

7.根据权利要求6所述的一种集成化微PNT单元，其特征在于：所述组合梁数量为8个，组合梁中间梁段结构为“S型”绕行结构，组合梁以其两端端部连线为对称线呈对称结构。

8.根据权利要求6所述的一种集成化微PNT单元，其特征在于：所述组合梁数量为8个，组合梁中间梁段结构为折线结构，组合梁以其两端端部连线为对称线呈对称结构。

9.根据权利要求6所述的一种集成化微PNT单元，其特征在于：所述组合梁数量为8个，组合梁包括两个单梁，两个单梁左右对称，两个单梁端部分别与环形锚点外壁和惯性圆环内壁连接，每个单梁中间梁段呈“U型”绕行结构，两个单梁中间梁的“U型”口相对设置。

10.根据权利要求1所述的一种集成化微PNT单元，其特征在于：所述环形锚点的直径尺寸在惯性圆环直径的二分之一以内；中心锚点的直径尺寸在最外侧时钟圆环直径的二分之一以内；

所述中心锚点和环形锚点穿过下离面电极与外部封装体相连；外电极、平面外电极和平面内电极通过支撑件设置在下离面电极上，支撑件为绝缘体。

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