CN113514063A - Mems微惯导结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MEMS微惯导结构，该MEMS微惯导结构包括：壳体组件；空间多面体电路板组件，空间多面体电路板组件设置在壳体组件内，空间多面体电路板组件包括多个电路板，任意两个相邻的电路板之间呈夹角设置；惯性传感器组件，惯性传感器组件设置在空间多面体电路板组件上，惯性传感器组件用于检测载体的角速度和加速度；灌封吸振单元，灌封吸振单元填充在惯性传感器组件、空间多面体电路板组件以及壳体组件之间的所有孔隙，灌封吸振单元用于对外界冲击及内部组件间的振动及应力能进行缓冲吸振。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中MEMS微惯导结构体积重量大的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航与控制技术领域，尤其涉及一种MEMS微惯导结构。
背景技术
传统的MEMS微惯导由IMU组合(包含IMU结构件、三轴陀螺、三轴加表)、电路板及壳体等组成，通过金属-橡胶减振器增加其环境适应性，各环节的安装由紧固件施加力矩后保证其安装可靠性。但紧固件安装需要一定的安装空间，紧固件也增加了MEMS微惯导重量，且体积、重量随着转接环节的增加而增加。电路板与IMU组合之间的信号由连接器及其自带线的形式实现，进一步增加了转接环节，增加了体积重量。传统金属-橡胶减振器受限于MEMS微惯导的体积，极易处于非线性区工作，衰减效果大打折扣。
发明内容
本发明提供了一种MEMS微惯导结构，能够解决现有技术中MEMS微惯导结构体积重量大的技术问题。
本发明提供了一种MEMS微惯导结构，MEMS微惯导结构包括：壳体组件；空间多面体电路板组件，空间多面体电路板组件设置在壳体组件内，空间多面体电路板组件包括多个电路板，任意两个相邻的电路板之间呈夹角设置；惯性传感器组件，惯性传感器组件设置在空间多面体电路板组件上，惯性传感器组件用于检测载体的角速度和加速度；灌封吸振单元，灌封吸振单元填充在惯性传感器组件、空间多面体电路板组件以及壳体组件之间的所有孔隙，灌封吸振单元用于对外界冲击及内部组件间的振动及应力能进行缓冲吸振。
进一步地，MEMS微惯导结构还包括橡胶垫，橡胶垫设置在空间多面体电路板组件和壳体组件之间。
进一步地，空间多面体电路板组件包括第一电路板、第二电路板、第三电路板、第四电路板、第五电路板、第六电路板和第七电路板，第一电路板、第二电路板、第三电路板、第四电路板、第五电路板和第六电路板依次相连接构成六面体结构，第七电路板设置在六面体结构内，第一电路板和第二电路板平行设置，第三电路板和第四电路板平行设置，第五电路板和第六电路板平行设置，第七电路板分别与第一电路板、第二电路板、第三电路板和第四电路板连接。
进一步地，壳体组件包括第一壳体和第二壳体，第一壳体和第二壳体固定连接。
进一步地，第一壳体包括第一壳体本体、第一定位凸起和第一定位凹槽，第一定位凸起和第一定位凹槽间隔设置在第一壳体本体的周缘；第二壳体包括第二壳体本体、第二定位凸起和第二定位凹槽，第二定位凸起和第二定位凹槽间隔设置在第二壳体本体的周缘，第一定位凸起与第二定位凹槽相配合，第二定位凸起与第一定位凹槽相配合。
进一步地，第一壳体与第二壳体之间采用搭接连接方式实现连接。
进一步地，第一壳体与第二壳体的材料均包括奥氏体不锈钢。
进一步地，橡胶垫包括硅橡胶。
进一步地，惯性传感器组件包括三个陀螺和三个加速度计，三个陀螺分别用于检测载体沿俯仰、偏航和滚转三个方向的角速度，三个加速度计分别用于检测载体沿俯仰、偏航和滚转三个方向的加速度，三个陀螺和三个加速度计设置在第一电路板、第二电路板、第三电路板和第七电路板上。
进一步地，灌封吸振单元的材质包括环氧胶。
应用本发明的技术方案，提供了一种MEMS微惯导结构，该MEMS微惯导结构通过设置空间多面体电路板组件，在实现了IMU组合、电路板的功能的基础上，避免了紧固件安装、连接器转接等传统方法，大幅减少了体积和重量；针对大冲击、高过载、强振动等恶劣环境，通过灌封工艺，在惯性传感器组件、空间多面体电路板组件以及壳体组件之间的所有孔隙均填充灌封吸振单元，此种方式能够有效防止冲击过程中电路板产生过大变形和器件脱落，为微惯导结构在大冲击、高过载恶劣环境下的使用奠定了基础，具有更高的环境适应性。因此，本发明所提供的MEMS微惯导结构与现有技术相比，其无紧固件的安装形式、无连接器的信号连接方式突破了金属-橡胶减振器的体积限制，达到减小体积、重量的同时增强环境适应性的目的，保证了减振器的衰减效果。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1和图2示出了根据本发明的具体实施例提供的MEMS微惯导结构的外形及组成示意图；
图3和图4示出了根据本发明的具体实施例提供的空间多面体电路板组件的外形及组成示意图；
图5示出了根据本发明的具体实施例提供的第一壳体的结构示意图；
图6示出了根据本发明的具体实施例提供的第二壳体的结构示意图；
图7示出了根据本发明的具体实施例提供的MEMS微惯导结构的灌封示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、壳体组件；11、第一壳体；11a、灌封口及排气口；11b、出线区；111、第一壳体本体；112、第一定位凸起；113、第一定位凹槽；12、第二壳体；121、第二壳体本体；122、第二定位凸起；123、第二定位凹槽；20、空间多面体电路板组件；21、第一电路板；22、第二电路板；23、第三电路板；24、第四电路板；25、第五电路板；26、第六电路板；27、第七电路板；30、惯性传感器组件；31、陀螺；32、加速度计；50、橡胶垫；60、焊针。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1至图7所示，根据本发明的具体实施例提供了一种MEMS微惯导结构，该MEMS微惯导结构包括壳体组件10、空间多面体电路板组件20、惯性传感器组件30和灌封吸振单元，空间多面体电路板组件20设置在壳体组件10内，空间多面体电路板组件20包括多个电路板，任意两个相邻的电路板之间呈夹角设置，惯性传感器组件30设置在空间多面体电路板组件20上，惯性传感器组件30用于检测载体的角速度和加速度，灌封吸振单元填充在惯性传感器组件30、空间多面体电路板组件20以及壳体组件10之间的所有孔隙，灌封吸振单元用于对外界冲击及内部组件间的振动及应力能进行缓冲吸振。
应用此种配置方式，提供了一种MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微电子机械系统)微惯导结构，该MEMS微惯导结构通过设置空间多面体电路板组件，在实现了IMU组合、电路板的功能的基础上，避免了紧固件安装、连接器转接等传统方法，大幅减少了体积和重量；针对大冲击、高过载、强振动等恶劣环境，通过灌封工艺，在惯性传感器组件、空间多面体电路板组件以及壳体组件之间的所有孔隙均填充灌封吸振单元，此种方式能够有效防止冲击过程中电路板产生过大变形和器件脱落，为微惯导结构在大冲击、高过载恶劣环境下的使用奠定了基础，具有更高的环境适应性。因此，本发明所提供的MEMS微惯导结构与现有技术相比，其无紧固件的安装形式、无连接器的信号连接方式突破了金属-橡胶减振器的体积限制，达到减小体积、重量的同时增强环境适应性的目的，保证了减振器的衰减效果。
进一步地，在本发明中，为了方便拆装，可将壳体组件10配置为包括第一壳体11和第二壳体12，第一壳体11和第二壳体12固定连接。
在本发明中，为了进一步地提高MEMS微惯导结构的抗冲击能力，可将MEMS微惯导结构配置为还包括橡胶垫40，橡胶垫40设置在空间多面体电路板组件20和壳体组件10之间。作为本发明的一个具体实施例，空间多面体电路板组件20通过橡胶垫40夹紧在第一壳体11和第二壳体12之间，橡胶垫40与壳体表面采用冷粘工艺连接。橡胶垫材料为6144硅橡胶，厚度为1.5mm至2mm。
进一步地，在本发明中，如图3和图4所示，为了有效提升空间多面体电路板组件的结构刚度，可将空间多面体电路板组件20配置为包括第一电路板21、第二电路板22、第三电路板23、第四电路板24、第五电路板25、第六电路板26和第七电路板27，第一电路板21、第二电路板22、第三电路板23、第四电路板24、第五电路板25和第六电路板26依次相连接构成六面体结构，第七电路板27设置在六面体结构内，第一电路板21和第二电路板22平行设置，第三电路板23和第四电路板24平行设置，第五电路板25和第六电路板26平行设置，第七电路板27分别与第一电路板21、第二电路板22、第三电路板23和第四电路板24连接。
在此种配置方式下，空间多面体电路板组件20由七块印制电路板通过焊针60拼接组成，第五电路板25、第六电路板26和第四电路板24上焊接电阻、电容等器件，具有导航计算机等电路板的功能；第一电路板21、第二电路板22、第三电路板23和第七电路板27上焊接惯性传感器组件30，在分布上保证惯性传感器组件30的三轴陀螺、三轴加表具有正交性，其中第七电路板27还起到结构加强的作用，有效提升空间六面体电路板的结构刚度。七块印制电路板排布时，通过布局调整可以有效利用器件高度空间，将体积压缩至最小。
具体地，在本发明中，惯性传感器组件30包括三个陀螺31和三个加速度计32，三个陀螺31分别用于检测载体沿俯仰、偏航和滚转三个方向的角速度，三个加速度计32分别用于检测载体沿俯仰、偏航和滚转三个方向的加速度，三个陀螺31和三个加速度计32设置在第一电路板21、第二电路板22、第三电路板23和第七电路板27上。
进一步地，在本发明中，为了实现第一壳体与第二壳体之间的精确配合定位，可将第一壳体11配置为包括第一壳体本体111、第一定位凸起112和第一定位凹槽113，第一定位凸起112和第一定位凹槽113间隔设置在第一壳体本体111的周缘；第二壳体12包括第二壳体本体121、第二定位凸起122和第二定位凹槽123，第二定位凸起122和第二定位凹槽123间隔设置在第二壳体本体121的周缘，第一定位凸起112与第二定位凹槽123相配合，第二定位凸起122与第一定位凹槽113相配合。
此外，在本发明中，为了避免壳体组件在焊接时通过缝隙误伤空间六面体电路板结构，可将第一壳体与第二壳体之间采用搭接连接方式实现连接。
作为本发明的一个具体实施例，第一壳体11与第二壳体12之间采用焊接工艺连接，第一壳体11和第二壳体12的材料均为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢，第一壳体11与第二壳体12的厚度均为1mm，第一壳体11和第二壳体12钝化后具有较高的防腐蚀性能。第一壳体11和第二壳体12在设计时采用搭接结构及卡槽设计，既起到精确配合定位的作用，又在焊接时避免通过缝隙误伤空间六面体结构。
进一步地，在本发明中，MEMS微惯导结构的第一壳体11上部具有灌封口及排气口11a和出线区11b，组装成型后，需通过上盖的灌封口及排气口11a注射灌封吸振单元。作为本发明的一个具体实施例，灌封吸振单元的材质包括环氧胶。由于橡胶垫将空间六面体电路板组件与第一壳体11和第二壳体12之间隔开，且空间六面体电路板的器件之间均存在间隙，因而具有极佳的灌封流通性。灌封后的MEMS微惯导具有较强的环境适应性，已通过炮射环境的考验。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图7对本发明所提供的MEMS微惯导结构进行详细说明。
如图1至图7所示，根据本发明的具体实施例提供了一种MEMS微惯导结构，该MEMS微惯导结构包括壳体组件10、空间多面体电路板组件20、惯性传感器组件30、灌封吸振单元和橡胶垫40，灌封吸振单元填充在惯性传感器组件30、空间多面体电路板组件20以及壳体组件10之间的所有孔隙，灌封吸振单元用于对外界冲击及内部组件间的振动及应力能进行缓冲吸振，通过灌封吸振单元保证其环境适应性。
空间多面体电路板组件20由七块印制电路板通过焊针60拼接组成，第五电路板25、第六电路板26和第四电路板24上焊接电阻、电容等器件，具有导航计算机等电路板的功能；第一电路板21、第二电路板22、第三电路板23和第七电路板27上焊接惯性传感器组件30，在分布上保证惯性传感器组件30的三轴陀螺、三轴加表具有正交性，其中第七电路板27还起到结构加强的作用，有效提升空间六面体电路板的结构刚度。七块印制电路板排布时，通过布局调整可以有效利用器件高度空间，将体积压缩至最小。
空间多面体电路板组件20通过橡胶垫40夹紧在第一壳体11和第二壳体12之间，橡胶垫40与壳体表面采用冷粘工艺连接。橡胶垫材料为6144硅橡胶，厚度为1.5mm至2mm。
第一壳体11与第二壳体12之间采用焊接工艺连接，第一壳体11和第二壳体12的材料均为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢，第一壳体11与第二壳体12的厚度均为1mm，第一壳体11和第二壳体12钝化后具有较高的防腐蚀性能。第一壳体11和第二壳体12在设计时采用搭接结构及卡槽设计，既起到精确配合定位的作用，又在焊接时避免通过缝隙误伤空间六面体结构。
MEMS微惯导结构的第一壳体11上部具有灌封口及排气口11a和出线区11b，组装成型后，需通过上盖的灌封口及排气口11a注射灌封吸振单元。在本实施例中，灌封吸振单元包括环氧胶。由于橡胶垫将空间六面体电路板组件与第一壳体11和第二壳体12之间隔开，且空间六面体电路板的器件之间均存在间隙，因而具有极佳的灌封流通性。灌封后的MEMS微惯导具有较强的环境适应性，已通过炮射环境的考验。
综上所述，本发明提供了一种MEMS微惯导结构，该MEMS微惯导结构通过设置空间多面体电路板组件，在实现了IMU组合、电路板的功能的基础上，避免了紧固件安装、连接器转接等传统方法，大幅减少了体积和重量；针对大冲击、高过载、强振动等恶劣环境，通过灌封工艺，在惯性传感器组件、空间多面体电路板组件以及壳体组件之间的所有孔隙均填充灌封吸振单元，此种方式能够有效防止冲击过程中电路板产生过大变形和器件脱落，为微惯导结构在大冲击、高过载恶劣环境下的使用奠定了基础，具有更高的环境适应性；目前本发明所提供的MEMS微惯导结构的外形尺寸为直径44mm、高度44mm，重量仅为80g，与传统MEMS微惯导相比具有更大的体积重量优势，更突出了MEMS微惯导体积小、成本低、可靠性高、重量轻且易于大批量生产的优势。因此，本发明所提供的MEMS微惯导结构与现有技术相比，其无紧固件的安装形式、无连接器的信号连接方式突破了金属-橡胶减振器的体积限制，达到减小体积、重量的同时增强环境适应性的目的，保证了减振器的衰减效果。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MEMS微惯导结构，其特征在于，所述MEMS微惯导结构包括：
壳体组件(10)；
空间多面体电路板组件(20)，所述空间多面体电路板组件(20)设置在所述壳体组件(10)内，所述空间多面体电路板组件(20)包括多个电路板，任意两个相邻的电路板之间呈夹角设置；
惯性传感器组件(30)，所述惯性传感器组件(30)设置在所述空间多面体电路板组件(20)上，所述惯性传感器组件(30)用于检测载体的角速度和加速度；
灌封吸振单元，所述灌封吸振单元填充在所述惯性传感器组件(30)、所述空间多面体电路板组件(20)以及所述壳体组件(10)之间的所有孔隙，所述灌封吸振单元用于对外界冲击及内部组件间的振动及应力能进行缓冲吸振。
2.根据权利要求1所述的MEMS微惯导结构，其特征在于，所述MEMS微惯导结构还包括橡胶垫(40)，所述橡胶垫(40)设置在所述空间多面体电路板组件(20)和所述壳体组件(10)之间。
3.根据权利要求1所述的MEMS微惯导结构，其特征在于，所述空间多面体电路板组件(20)包括第一电路板(21)、第二电路板(22)、第三电路板(23)、第四电路板(24)、第五电路板(25)、第六电路板(26)和第七电路板(27)，所述第一电路板(21)、所述第二电路板(22)、所述第三电路板(23)、所述第四电路板(24)、所述第五电路板(25)和所述第六电路板(26)依次相连接构成六面体结构，所述第七电路板(27)设置在所述六面体结构内，所述第一电路板(21)和所述第二电路板(22)平行设置，所述第三电路板(23)和所述第四电路板(24)平行设置，所述第五电路板(25)和所述第六电路板(26)平行设置，所述第七电路板(27)分别与所述第一电路板(21)、所述第二电路板(22)、所述第三电路板(23)和所述第四电路板(24)连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS微惯导结构，其特征在于，所述壳体组件(10)包括第一壳体(11)和第二壳体(12)，所述第一壳体(11)和所述第二壳体(12)固定连接。
5.根据权利要求4所述的MEMS微惯导结构，其特征在于，所述第一壳体(11)包括第一壳体本体(111)、第一定位凸起(112)和第一定位凹槽(113)，所述第一定位凸起(112)和所述第一定位凹槽(113)间隔设置在所述第一壳体本体(111)的周缘；所述第二壳体(12)包括第二壳体本体(121)、第二定位凸起(122)和第二定位凹槽(123)，所述第二定位凸起(122)和所述第二定位凹槽(123)间隔设置在所述第二壳体本体(121)的周缘，所述第一定位凸起(112)与所述第二定位凹槽(123)相配合，所述第二定位凸起(122)与所述第一定位凹槽(113)相配合。
6.根据权利要求4所述的MEMS微惯导结构，其特征在于，所述第一壳体(11)与所述第二壳体(12)之间采用搭接连接方式实现连接。
7.根据权利要求4所述的MEMS微惯导结构，其特征在于，所述第一壳体(11)与所述第二壳体(12)的材料均包括奥氏体不锈钢。
8.根据权利要求1所述的MEMS微惯导结构，其特征在于，所述橡胶垫(40)包括硅橡胶。
9.根据权利要求1所述的MEMS微惯导结构，其特征在于，所述惯性传感器组件(30)包括三个陀螺(31)和三个加速度计(32)，三个所述陀螺(31)分别用于检测载体沿俯仰、偏航和滚转三个方向的角速度，三个所述加速度计(32)分别用于检测载体沿俯仰、偏航和滚转三个方向的加速度，三个所述陀螺(31)和三个所述加速度计(32)设置在所述第一电路板(21)、所述第二电路板(22)、所述第三电路板(23)和所述第七电路板(27)上。
10.根据权利要求1所述的MEMS微惯导结构，其特征在于，所述灌封吸振单元的材质包括环氧胶。
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