CN109827570B

CN109827570B - 惯性测量模块

Info

Publication number: CN109827570B
Application number: CN201910140358.7A
Authority: CN
Inventors: 陆海峰; 卞江
Original assignee: Shanghai Daisch Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Daisch Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: CN109827570A

Abstract

一种惯性测量模块。惯性测量模块（100），其包括控制单元（110）、惯性元件（120）、温度传感器（125）、基板（130）、温控元件（140）和外壳（160），其中，控制单元（110）通过温度传感器（125）监测惯性元件（120）的温度，并且通过控制温控元件（140）来控制惯性元件（120）的温度，其特征在于，控制单元（110）与惯性元件（120）安装在基板（130）的同一面上，温控元件（140）安装于基板（130）的另一面上，温控元件（140）同时安装于外壳（160）上。

Description

惯性测量模块

技术领域

本发明涉及一种惯性测量模块（IMU），尤其涉及使用微机电元件（MEMS）作为惯性传感器的场合。

背景技术

惯性传感器用于采集加速度和角速度。目前存在的趋势是，越来越多使用基于MEMS传感器的惯性测量模块，专利CN104729505A公开了一种类似技术。这类技术方案的不足在于，MEMS传感器本身具有较高的零偏不稳定性（Bias instability）及比例因子误差（Scaling error），两者都会受到温度变化的影响，最终影响惯性测量的精度。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种惯性测量模块，所述模块提高了对温度变化的鲁棒性，使得可以提供更高的惯性测量精度，且大幅降低标定成本，增加系统可靠性，并使结构十分紧凑。

该目的通过根据本发明的惯性测量模块实现。

按照本发明的一个方面，惯性测量模块包括控制单元、惯性元件、温度传感器、基板、温控元件和外壳，其中，控制单元通过温度传感器监测惯性元件的温度，并且通过控制温控元件来控制惯性元件的温度，其特征在于，控制单元与惯性元件安装在基板的同一面上，温控元件安装于基板的另一面上，温控元件同时安装于外壳上。

所述方法基于这样的构思，在对精度要求较高的应用场合下，为了解决基于MEMS的惯性传感器的精度问题，通常需要对每一个IMU采用基于全温度量程的标定，大量增加了成本与生产流程的复杂性。通常为了减小工作量，会按一定温度间隔选取标定温度点，在标定间隔之内采用线性插值的方式推算，但如此又引入新的误差，因为此类误差通常与温度变化并不是线性的关系。对于采用加热方案的IMU，由于需要保证IMU的温度高于所有极限环境工况，经常要使得IMU工作在一个较高的温度（60~80℃），这对于系统的寿命带来了一定负面效果。在所述方法的框架内建议，采用温控元件与惯性元件高度集成安装，实现对惯性元件温度的精准控制，而不是单纯加热。由此可获得的益处是，惯性元件的精度可以得到有效提高，且降低了标定成本，也延长了惯性元件的寿命。

另一种优选的扩展方案是，温控元件是一种半导体热泵，当惯性元件的当前温度T1低于目标温度T0时，控制单元控制温控元件正向工作，即对基板侧进行加热，对外壳侧进行制冷，当惯性元件的当前温度T1高于目标温度T0时，控制单元控制温控元件反向工作，即对基板侧进行制冷，对外壳侧进行加热。由此可获得的益处是，采用半导体热泵可以使温度的控制范围具有很高的灵活性，可以适应不同的应用场景。热泵元件利用珀耳帖效应（Peltier effect），两种不同的导体形成节点，当向其施加电压时，热量从一侧传递到另一侧，产生温差。同时可以通过改变电流的方向来改变热流的方向。由此可以将惯性元件的温度控制在有利于寿命周期或易于标定的温度点，或是将温度控制在设备所处环境相接近的温度点，以减少控温成本。通过反馈控制，热泵元件可用于实现高度稳定的温度控制器，将所需温度保持在±0.01℃范围内。不需要额外的风扇或是加热部件，减少噪音，节省空间。

另一种优选的扩展方案是，加热或制冷的功率W与目标温度T0与当前温度T1之间的差值成正比。反馈控制根据温差进行比例调节热泵的热量搬运功率可以获得快速的响应且避免超调。

另一种优选的扩展方案是，惯性元件焊接于基板上，两者之间可以互相导热，温控元件与基板之间可以互相导热。由此可获得的益处是，通过基板作为连接惯性元件和温控元件的介质，可以最大限度简化制造工艺，并使结构紧凑，并确保惯性元件与温控元件之间的电气隔离。同时惯性元件、基板与温控元件之间的相互导热可以确保传热的高效性。

另一种优选的扩展方案是，温控元件与外壳之间可以互相导热。由此可获得的益处是，温控元件为了控制惯性元件的温度，会从惯性元件侧搬运热量到外壳侧，不论是工作在制冷或是制热模式下，温控元件都需要从外界获取或向外界释放差额的热量，以维持温控的热平衡。

另一种优选的扩展方案是，外壳外侧拥有翅片结构。翅片结构可以进一步增加温控元件与外界换热的效率。

另一种优选的扩展方案是，外壳内壁覆盖有保温材料。将被控温的目标惯性元件与外界（包括外壳）相对隔离，有利于提升控温的稳定性。

另一种优选的扩展方案是，温度传感器布置在所述惯性元件内部。在传感器中安装温度传感器，有利于精确地获取实时的温度信息，有利于闭环控制惯性元件的温度。

另一种优选的扩展方案是，所述惯性元件可以是加速度传感器，或是角速度传感器。由此可获得的益处是，此类方法可以方便的扩展到基于MEMS原理的不同惯性元器件上，如加速度传感器或是角速度传感器。

另一种优选的扩展方案是，所述惯性元件可以有多个。由此可获得的益处是，不同场合下，惯性元件的配置会有所不同，可带来最大的自由度和最优的成本效益。如在车身稳定控制时，通常使用三个加速度传感器以及一个角速度传感器；而在飞行控制或自动驾驶场合，通常使用三个加速度传感器以及三个角速度传感器等等。

附图说明

图1：惯性测量模块结构图；

图2：基板导热结构；

图3：一种可能的基板导热微观结构；

图4：温控元件驱动示意图；

图5：另一种温控元件驱动示意图；

图6：温控元件驱动电压电流图。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等或类似表述仅用于描述与区分目的，而不能理解为指示或暗示相应的构件的相对重要性。

图1显示了按本发明的一个具体实施例的惯性测量模块结构图。所述惯性测量模块100包括控制单元110、惯性元件120、基板130、温控元件140、外壳160。

在该实施例中，惯性元件120为一个单轴角速度传感器，内部集成温度传感器125。

控制单元110与惯性元件120安装于基板130的上表面，温控元件140安装于基板130的下表面。温控元件140的另一面安装于外壳160上。

惯性元件120、基板130、温控元件140三者互相可以导热。其中基板130的导热结构如图2所示。在安装有惯性元件120的区域内，基板130采用蜂窝孔的形式200，蜂窝孔的横截面如图2中的截面图所示。在基板的蜂窝孔的区域内，基板的上表面210、下表面220以及蜂窝孔内壁230都覆盖有铜镀层，增加基板的导热系数。同时，为了增加接触面积，在惯性元件120与基板130、基板130与温控元件140的接触面涂有导热硅脂，以保证导热面接触良好。

在图2所显示的基板导热蜂窝孔的排列布置方式基础上，为了进一步优化性能表现和可加工性。可以采用图3所示的一种可能的基板导热微观结构300。其中基板310与铜镀层320共同组成具有“工字”横截面特征的结构。该“工字”的上下平面有利于增加基板与惯性元件120和温控元件140的导热系数。同时该结构可以增加铜镀层320与基板310的机械强度，防止铜镀层剥落，延长寿命。通过改变“工字”结构的内孔径、上下表面面积和铜镀层厚度，可以在导热性能、机械强度和成本之间进行平衡取舍，以适应不同的使用场景需要。

控制单元110通过温度传感器125监测惯性元件120的温度，并通过电缆150控制温控元件140，最终实现对惯性元件120的温度控制。

温控元件140是一种半导体热泵，在该实施例中，其为一种合金，而基体材料为碲化铋。半导体热泵由两种合金组成PN节，一种是Bi2Te3-Sb2Te3，另一种是Bi2Te3-Bi2Se3。

当惯性元件120的当前温度T₁低于目标温度T₀时，控制单元110控制温控元件140正向工作，即对基板130侧进行加热，对外壳160侧进行制冷。当惯性元件120的当前温度T₁高于目标温度T₀时，控制单元110控制温控元件140反向工作，即对基板130侧进行制冷，对外壳160侧进行加热。加热或制冷的功率W与目标温度T₀与当前温度T₁之间的差值成正比。同时，外壳160内壁覆盖有保温材料聚氨酯泡沫塑料，可以进一步帮助稳定惯性元件120的温度。

在该实施例中，控制单元110为了驱动半导体热泵，采用的驱动原理如图4所示。图中HP为半导体热泵；VCC为电源；0V为接地；L1、L2、H1、H2为四个开关元件（一种优选方案为MOSFET）；DCS1与DCS2为两组差分电流采样单元。差分电流采样通过检测微小电阻两端的电压差计算其流通的电流大小。在驱动过程中，控制单元110控制L1与H1开关导通，L2与H2开关断路，使HP的电流方向为回路a，并通过DCS1进行电流采样，闭环控制驱动电流的大小，此时半导体热泵为正向搬运热量。当控制单元110控制L2与H2开关导通，L1与H1开关断路，使HP的电流方向为回路b，并通过DCS2进行电流采样，闭环控制驱动电流的大小，此时半导体热泵为反向搬运热量。

在对温度控制的敏捷性要求较高的场合，可以采用图5所示的另一种温控元件驱动。该驱动在图4所示驱动的基础上，将电源增加为两个，其中HV为高压电源，LV为低压电源，分别可以满足不同电流大小的驱动需要。采用L1、L2、H1、H2、H3为五个开关元件，其中H1和H2共同组成一个双路电流通路a和b。图6所示为温控元件驱动电压电流图，该图是以驱动半导体热泵HP正向工作为例，为了使其迅速增加制热/制冷功率，先使H1和L1导通，HV电压为60V，在高电压驱动下，电流快速上升达到8A，半导体热泵HP迅速提升。此后需要使半导体热泵HP工作在平稳工作模式下，则需要降低驱动功率，此时关闭H1，使H2和L1导通，通过电压为12V的LV为半导体热泵HP供电，并采用PWM控制技术，使半导体热泵HP上的电流维持在4A左右，热泵进入一个相对较低功率的恒定工作模式。最后在停止工作的时候，关闭L1、H1、H2，使H3和L2导通，为半导体热泵HP反向供电，快速补偿系统热惯性导致的迟滞。该种驱动方式具有较高的自由度，可以使半导体热泵HP的驱动在较宽功率范围内灵活的切换变动，即可以增加半导体热泵HP的响应速度，也可以精确控制制热/制冷功率。该复合驱动的方法可以同时应用于半导体热泵HP的正向与反向工作，进一步扩展热泵的控制自由度。

当控制温控元件140对基板130侧进行加热时，外壳160侧的温度会低于外界温度，此时外壳160外侧通过翅片结构与外界进行空气换热，维持热平衡，防止外壳160的温度低于温控元件140的冷端热泵极限。反之，外壳160外侧通过翅片结构对外界进行散热，防止外壳160的温度高于温控元件140的热端热泵极限。

应当理解的是，所有以上的优选实施例都是示例性而非限制性的，本领域技术人员在本发明的构思下对以上描述的具体实施例做出的各种改型或变形都应在本发明的法律保护范围内。

Claims

1.惯性测量模块（100），其包括控制单元（110）、惯性元件（120）、温度传感器（125）、基板（130）、温控元件（140）和外壳（160），其中，控制单元（110）通过温度传感器（125）监测惯性元件（120）的温度，并且通过控制温控元件（140）来控制惯性元件（120）的温度，其特征在于，控制单元（110）与惯性元件（120）安装在基板（130）的同一面上，温控元件（140）安装于基板（130）的另一面上，温控元件（140）同时安装于外壳（160）上，温控元件（140）是一种半导体热泵，当惯性元件（120）的当前温度T₁低于目标温度T₀时，控制单元（110）控制温控元件（140）正向工作，即对基板（130）侧进行加热，对外壳（160）侧进行制冷，当惯性元件（120）的当前温度T₁高于目标温度T₀时，控制单元（110）控制温控元件（140）反向工作，即对基板（130）侧进行制冷，对外壳（160）侧进行加热，首先用60V电压驱动所述半导体热泵，使所述半导体热泵制热或制冷功率迅速提升，然后用12V电压驱动所述半导体热泵并采用PWM技术，使所述半导体热泵工作在平稳工作模式下，最后在停止工作的时候，为所述半导体热泵反向供电，以便快速补偿系统热惯性导致的迟滞。

2.根据权利要求1所述的惯性测量模块（100），其特征在于，加热或制冷的功率W与目标温度T₀与当前温度T₁之间的差值成正比。

3.根据权利要求1到2中任一项所述的惯性测量模块（100），其特征在于，惯性元件（120）焊接于基板（130）上，两者之间可以互相导热，温控元件（140）与基板（130）之间可以互相导热，温控元件（140）与外壳（160）之间可以互相导热。

4.根据权利要求1到2中任一项所述的惯性测量模块（100），其特征在于，外壳（160）外侧拥有翅片结构。

5.根据权利要求1到2中任一项所述的惯性测量模块（100），其特征在于，外壳（160）内壁覆盖有保温材料。

6.根据权利要求1到2中任一项所述的惯性测量模块（100），其特征在于，温度传感器（125）布置在所述惯性元件（120）内部。

7.根据权利要求1到2中任一项所述的惯性测量模块（100），其特征在于，所述惯性元件（120）可以是加速度传感器，或是角速度传感器，所述惯性元件（120）可以有多个。

8.根据权利要求1到2中任一项所述的惯性测量模块（100），其特征在于，所述基板（130）采用蜂窝孔的形式，在所述基板（130）的蜂窝孔的区域内，基板的上表面（210）、下表面（220）以及蜂窝孔内壁（230）都覆盖有铜镀层，所述基板（130）与铜镀层共同组成具有“工字”横截面特征的结构。