CN209745299U - 一种三轴石英微机械陀螺仪衬底及陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及石英陀螺仪技术领域，尤其涉及一种三轴石英微机械陀螺仪衬底及陀螺仪，三轴石英微机械陀螺仪衬底，包括衬底本体，衬底本体包括用于安装电路板的第四安装位，衬底本体上还设有第一安装位、第二安装位以及第三安装位，第一安装位、第二安装位以及第三安装位分别用于安装检测X轴、Y轴以及Z轴的角速度的石英MEMS表芯，具有体积小、质量小、降低误差和装配流程简单的优点。本实用新型还公开一种三轴石英微机械陀螺仪，包括：三个石英MEMS表芯、减振支架、电路软硬结合板、外壳以及本三轴石英微机械陀螺仪衬底，安装方便且减少了导线焊接，提高生产效率，有利于批量生产，可靠性高，具有较强的可扩展性。

Description

一种三轴石英微机械陀螺仪衬底及陀螺仪

技术领域

本实用新型实施例涉及石英陀螺仪技术领域，尤其涉及一种三轴石英微机械陀螺仪衬底及陀螺仪。

背景技术

石英陀螺是通过MEMS(微机电系统，全称：Micro-Electro-Mechanical System，以下简称为MEMS)技术研制而成的新型微型惯性器件，能够敏感载体的角速度，具有体积小，重量轻，成本低，性能好，启动快，环境适应性强和可靠性高等突出特点。石英MEMS惯性陀螺仪的关键敏感元件为基于MEMS工艺生产的双端石英音叉表芯，工作原理是石英晶体的压电/逆压电效应和柯氏效应。三轴石英微机械陀螺仪是一款测量载体三轴角速度、高度集成的陀螺仪，产品由三轴石英微机械陀螺仪和数据采集处理电路板等组成，经过温度和安装误差补偿后，输出角速度信号。在三轴石英微机械陀螺仪的基础上加上三轴加速度计即构成石英微机械惯性测量单元；然后再加上导航计算机板就可以组成微机械惯性导航系统；在导航系统的基础上增加GPS导航模块构成微机械惯性/卫星组合导航系统。

单轴石英微机械陀螺仪由机械结构(第一衬底2，减振支架，上盖5，下盖1)、石英MEMS表芯3以及第一数据采集处理电路板4组成，各部分组成如图1所示。在装配中，需要先将石英MEMS表芯胶粘在减振支架上，然后固定在衬底上，接着把数据采集处理电路板固定在衬底上，最后将上下盖固定在衬底上。现有的三轴石英微机械陀螺仪由机械结构(第二衬底9，外壳)、三轴正交安装的石英微机械陀螺仪(包括第一石英微机械陀螺仪6、第二石英微机械陀螺仪7以及第三石英微机械陀螺仪8) 和一个第二数据采集处理电路板10组成，各部分组成如图2所示。装配中，三轴正交安装的石英微机械陀螺仪分别安装在衬底的相应位置，然后将数据采集处理电路板固定在衬底上，接着分别焊接三只单轴石英微机械陀螺仪与数据采集处理电路板之间的连接的导线，并引出输出信号导线，最后将外壳固定在衬底上。

随着技术的发展，对产品的体积和质量提出了更高的要求；更小的体积无法按要求安装三轴石英微机械陀螺仪。典型结构的装配过程中，三轴石英微机械陀螺仪与数据采集处理电路板之间需要导线连接，多根线的焊接，耗时长，不利于产品的批量生产，生产效率低。典型三轴石英微机械陀螺仪的装配需要经过两次装配，分别是一次单轴石英微机械陀螺仪的装配和一次三只单轴石英微机械陀螺仪装配到三轴石英微机械陀螺仪的衬底上；这样安装误差累计变大，即便进行安装误差补偿，精度也很难大幅提高。典型三轴石英微机械陀螺仪都是作为独立产品的，不可在产品结构上外进行扩展作为其他相关产品如石英微机械惯性测量单元、惯性导航系统和惯性/卫星组合导航系统等。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种三轴石英微机械陀螺仪衬底及陀螺仪，以解决现有技术中三轴石英微机械陀螺仪体积大，质量大，装配复杂，误差大以及扩展性差的问题。

本实用新型实施例提供一种三轴石英微机械陀螺仪衬底，包括衬底本体，所述衬底本体包括用于安装电路板的第四安装位，所述衬底本体上还设有第一安装位、第二安装位以及第三安装位，其中，所述第一安装位与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的X轴平行，所述第二安装位与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的Y轴平行，所述第三安装位与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的Z轴平行，所述第一安装位、第二安装位以及第三安装位分别用于安装检测X轴、Y轴以及Z轴的角速度的石英MEMS表芯。

其中，所述衬底本体还包括用于安装外壳的第一组螺纹孔，所述第一组螺纹孔设于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的周侧。

其中，所述衬底本体还包括第五安装位，所述第五安装位位于所述第一安装位和第二安装位的上方，所述第五安装位用于安装导航计算机板。

其中，所述衬底本体还包括用于固定所述衬底本体的第一组通孔，所述第一组通孔沿竖直方向贯穿于所述衬底本体。

本实用新型还公开一种三轴石英微机械陀螺仪，包括：三个石英MEMS 表芯、减振支架、电路软硬结合板、外壳以及如本实用新型实施例的三轴石英微机械陀螺仪衬底，所述石英MEMS表芯分别通过所述减振支架对应安装于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的所述第一安装位、第二安装位以及第三安装位，所述电路软硬结合板安装于所述第四安装位，所述外壳扣设于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上。

其中，所述外壳通过所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上的第一组螺纹孔与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底螺纹连接。

其中，还包括三个单轴加速度计，所述单轴加速度计分别安装于所述三轴石英微机械陀螺仪的沿X轴、Y轴以及Z轴靠面上。

其中，还包括导航计算机板，所述导航计算机板通过所述第五安装位安装于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上。

其中，还包括对外接插件支架，所述第五安装位包括在所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上设有的第二组螺纹孔，所述对外接插件支架的顶部设有第三组螺纹孔，所述导航计算机板通过所述第二组螺纹孔和所述第三组螺纹孔安装固定。

其中，所述减振支架包括减振内支架和减振外支架，所述减振内支架对应安装于所述减振外支架的内侧，所述石英MEMS表芯分别安装于对应的所述减振内支架。

本实用新型实施例提供的一种三轴石英微机械陀螺仪衬底及陀螺仪，直接在衬底上设有用于安装石英MEMS表芯和电路板的安装位，仅需要将石英 MEMS表芯和电路板依次安装好，仅一次装配过程，节省了单轴石英微机械陀螺仪上盖和下盖等结构，结构更加紧凑，避免了现有技术中包含单轴石英微机械陀螺仪的装配工序和三只单轴石英微机械陀螺仪的装配工序，两次装配过程中所导致的误差累计过大的问题。本实用新型提供的三轴石英微机械陀螺仪衬底具有体积小、质量小、降低误差和装配流程简单的优点。本实用新型还公开一种三轴石英微机械陀螺仪，通讯连接采用电路软硬结合板的方式，减少导线焊接，方便安装，提高生产效率，有利于批量生产，可靠性高；本三轴石英微机械陀螺仪具有较强的可扩展性，可以加装加速度计制成石英微机械惯性测量单元，再加装导航计算机板制成石英微机械惯性导航系统，再加装GPS模块制成微机械惯性/卫星组合导航系统。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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为现有技术中单轴石英微机械陀螺仪的结构示意图；

图2为现有技术中三轴石英微机械陀螺仪的结构示意图；

图3为本实用新型一种三轴石英微机械陀螺仪衬底的第一视角结构示意图；

图4为本实用新型一种三轴石英微机械陀螺仪衬底的第二视角结构示意图；

图5为本实用新型一种三轴石英微机械陀螺仪的结构示意图；

图6为本实用新型一种三轴石英微机械陀螺仪的爆炸图；

图7为本实用新型减振支架的结构示意图；

图8为本实用新型对外接插件支架的结构示意图。

1、下盖；2、第一衬底；3、石英MEMS表芯；4、第一数据采集处理电路板；5、上盖；6、第一石英微机械陀螺仪；7、第二石英微机械陀螺仪；8、第三石英微机械陀螺仪；9、第二衬底；10、第二数据采集处理电路板；11、第一安装位；12、第二安装位；13、第三安装位；14、第一靠面；15、对外接插件支架安装位；16、第五螺纹孔；17、第六螺纹孔；18、第一通孔；19、第二通孔；20、第三通孔；21、第一螺纹孔；22、第二靠面；23、第七螺纹孔；24、第八螺纹孔；25、第二螺纹孔；26、第三螺纹孔；27、第四螺纹孔； 28、第九螺纹孔；29、第十螺纹孔；30、第三靠面；31、减振内支架；32、减振外支架；33、第十一螺纹孔；34、第十二螺纹孔；35、外壳；36、对外接插件；37、对外接插件支架；38、第一加速度计；39、第二加速度计；40、第三加速度计；41、电路软硬结合板。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图3-图8所示，本实用新型公开一种三轴石英微机械陀螺仪衬底，包括衬底本体，所述衬底本体包括用于安装电路板的第四安装位，所述衬底本体上还设有第一安装位11、第二安装位12以及第三安装位13，其中，所述第一安装位11与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的X轴平行，所述第二安装位12与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的Y轴平行，所述第三安装位13 与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的Z轴平行，所述第一安装位11、第二安装位12以及第三安装位13分别用于安装检测X轴、Y轴以及Z轴的角速度的石英MEMS表芯3。

具体的，本实用新型公开的三轴石英微机械陀螺仪衬底具有可直接安装石英MEMS表芯3的第一安装位11、第二安装位12以及第三安装位13。如图3所示，第一安装位11、第二安装位12以及第三安装位13为凹槽结构，可将石英MEMS表芯3放入到凹槽当中，为了保证能够测量X轴、Y轴以及 Z轴的角速度，应保证三个安装位分别与本三轴石英微机械陀螺仪衬底的X 轴、Y轴和Z轴平行，其具体位置分别为附图3标号11、标号12和标号13。石英MEMS表芯3在三轴石英微机械陀螺仪衬底安装都是依赖于相应的电路板的，因此需要电路板的第四安装位，而第四安装位可以利用螺纹、卡扣或插槽等固定方式将电路板固定在三轴石英微机械陀螺仪衬底上，如图3所示，本实施例采用螺纹将电路板固定住，具体利用第一螺纹孔21、第二螺纹孔25、第三螺纹孔26以及第四螺纹孔27将电路板固定住。

本实用新型实施例提供的一种三轴石英微机械陀螺仪衬底及陀螺仪，直接在衬底上设有用于安装石英MEMS表芯和电路板的安装位，仅需要将石英 MEMS表芯和电路板依次安装好，仅一次装配过程，节省了单轴石英微机械陀螺仪上盖和下盖等结构，结构更加紧凑，避免了现有技术中包含单轴石英微机械陀螺仪的装配工序和三只单轴石英微机械陀螺仪的装配工序，两次装配过程中所导致的误差累计过大的问题。本实用新型提供的三轴石英微机械陀螺仪衬底具有体积小、质量小、降低误差和装配流程简单的优点。

其中，所述衬底本体还包括用于安装外壳35的第一组螺纹孔，所述第一组螺纹孔设于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的周侧。具体的，如图3所示，本实施例中的第一组螺纹孔数量为四个，具体为第五螺纹孔16、第六螺纹孔 17、第七螺纹孔23以及第八螺纹孔24，且第五螺纹孔16和第六螺纹孔17 为水平平行设置在三轴石英微机械陀螺仪衬底的一侧面，第七螺纹孔23和第八螺纹孔24同样水平平行设置在三轴石英微机械陀螺仪衬底的另一侧面(设置在与第五螺纹孔16和第六螺纹孔17的对面)，第五螺纹孔16与第八螺纹孔24相对设置，第六螺纹孔17与第七螺纹孔23相对设置。

其中，所述衬底本体还包括第五安装位(图中未示出)，所述第五安装位位于所述第一安装位11和第二安装位12的上方，所述第五安装位用于安装导航计算机板(图中未示出)。具体的，第五安装位包括若干个沿竖直方向的螺纹孔，利用螺纹连接，将导航计算机板固定好。

其中，所述衬底本体还包括用于固定所述衬底本体的第一组通孔，所述第一组通孔沿竖直方向贯穿于所述衬底本体。如图3所示，本实施例中的第一组通孔用于固定整个衬底本体于其他部件上，其可以是较大的螺纹孔，具体包括第一通孔18、第二通孔19以及第三通孔20，这三个螺纹孔呈三角形设置于衬底本体，这种三角形的固定方式可以避免晃动，保证其稳定性。

如图5-8所示，本实用新型还公开一种三轴石英微机械陀螺仪，包括：三个石英MEMS表芯3、减振支架、电路软硬结合板41、外壳35以及如实用新型的三轴石英微机械陀螺仪衬底，所述石英MEMS表芯3分别通过所述减振支架对应安装于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的所述第一安装位11、第二安装位12以及第三安装位13，所述电路软硬结合板安装于所述第四安装位，所述外壳35扣设于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上。

具体的，为了提高精度，减小误差，应使得三个石英MEMS表芯3的敏感轴尽量分别与本三轴石英微机械陀螺仪的X轴、Y轴以及Z轴重合。由于每个石英MEMS表芯3都需要一块电路板，并且，若加装加速度计制成石英微机械惯性测量单元，每个加速度计也需要配置电路板，因此所有电路板之间均采用电路软硬结合板连接，减少结构装配过程中导线焊接的数量，电路板与三轴石英微机械陀螺仪衬底之间采用螺钉连接。

其中，如图7所示，所述减振支架包括减振内支架31和减振外支架32，所述减振内支架31对应安装于所述减振外支架32的内侧，所述石英MEMS 表芯分别安装于对应的所述减振内支架32。具体的，石英MEMS表芯通过胶粘方式贴在减振内支架31上，减振内支架31与减振外支架32通过灌胶的方式装配。

本实施例的三轴石英微机械陀螺仪衬底设有对外接插件支架安装位15，其为带有螺纹孔的凸台。本三轴石英微机械陀螺仪采用的对外接口采用 J-30-J-15ZKP对外接插件36。

其中，如图3、4和图6所示，所述外壳35通过所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上的第一组螺纹孔与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底螺纹连接。相应的，外壳上需要设有与第五螺纹孔16、第六螺纹孔17、第七螺纹孔23以及第八螺纹孔24相对应的通孔，利用螺钉进行紧固固定。

其中，还包括三个单轴加速度计，所述单轴加速度计分别安装于所述三轴石英微机械陀螺仪的沿X轴、Y轴以及Z轴的靠面上。本实施例在三轴石英微机械陀螺仪的基础上增设测量三轴加速度的加速度计，使之成为石英微机械惯性测量单元。具体的，包括第一加速度计38、第二加速度计39以及第三加速度计40，分别测量X轴、Y轴以及Z轴的加速度，其分别安装于图 3中第三安装位的第一靠面14、图4中第三安装位的第二靠面22以及图5外壳的第三靠面30。

其中，还包括导航计算机板(图中未示出)，所述导航计算机板通过所述第五安装位安装于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上。本实施例在石英微机械惯性测量单元的基础上增设导航计算机板，制成石英微机械惯性导航系统。优选地，还包括对外接插件支架37，所述第五安装位包括在所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上设有的第二组螺纹孔，所述对外接插件支架37的顶部设有第三组螺纹孔，所述导航计算机板通过所述第二组螺纹孔和所述第三组螺纹孔安装固定。具体的，本实施例的基础上再加装GPS模块可制成微机械惯性/卫星组合导航系统。其中，如图4和8所示，第二组螺纹孔包括第九螺纹孔28和第十螺纹孔29，第三组螺纹孔包括第十一螺纹孔33和第十二螺纹孔34，这四个螺纹孔处于同一水平面，便于导航计算机板的安装。

本实用新型实施例提供的一种三轴石英微机械陀螺仪衬底及陀螺仪，直接在衬底上设有用于安装石英MEMS表芯和电路板的安装位，仅需要将石英 MEMS表芯和电路板依次安装好，仅一次装配过程，节省了单轴石英微机械陀螺仪上盖和下盖等结构，结构更加紧凑，避免了现有技术中包含单轴石英微机械陀螺仪的装配工序和三只单轴石英微机械陀螺仪的装配工序，两次装配过程中所导致的误差累计过大的问题。本实用新型提供的三轴石英微机械陀螺仪衬底具有体积小、质量小、降低误差和装配流程简单的优点。本实用新型还公开一种三轴石英微机械陀螺仪，内部电路采用电路软硬结合板的方式，减少导线焊接，方便安装，提高生产效率，有利于批量生产，可靠性高；本三轴石英微机械陀螺仪具有较强的可扩展性，可以加装加速度计制成石英微机械惯性测量单元，再加装导航计算机板制成石英微机械惯性导航系统，再加装GPS模块制成微机械惯性/卫星组合导航系统。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种三轴石英微机械陀螺仪衬底，包括衬底本体，所述衬底本体包括用于安装电路板的第四安装位，其特征在于，所述衬底本体上还设有第一安装位、第二安装位以及第三安装位，其中，所述第一安装位与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的X轴平行，所述第二安装位与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的Y轴平行，所述第三安装位与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的Z轴平行，所述第一安装位、第二安装位以及第三安装位分别用于安装检测X轴、Y轴以及Z轴的角速度的石英MEMS表芯。

2.根据权利要求1所述的三轴石英微机械陀螺仪衬底，其特征在于，所述衬底本体还包括用于安装外壳的第一组螺纹孔，所述第一组螺纹孔设于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的周侧。

3.根据权利要求2所述的三轴石英微机械陀螺仪衬底，其特征在于，所述衬底本体还包括第五安装位，所述第五安装位位于所述第一安装位和第二安装位的上方，所述第五安装位用于安装导航计算机板。

4.根据权利要求1所述的三轴石英微机械陀螺仪衬底，其特征在于，所述衬底本体还包括用于固定所述衬底本体的第一组通孔，所述第一组通孔沿竖直方向贯穿于所述衬底本体。

5.一种三轴石英微机械陀螺仪，其特征在于，包括：三个石英MEMS表芯、减振支架、电路软硬结合板、外壳以及如权利要求3所述的三轴石英微机械陀螺仪衬底，所述石英MEMS表芯分别通过所述减振支架对应安装于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底的所述第一安装位、第二安装位以及第三安装位，所述电路软硬结合板安装于所述第四安装位，所述外壳扣设于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上。

6.根据权利要求5所述的三轴石英微机械陀螺仪，其特征在于，所述外壳通过所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上的第一组螺纹孔与所述三轴石英微机械陀螺仪衬底螺纹连接。

7.根据权利要求5所述的三轴石英微机械陀螺仪，其特征在于，还包括三个单轴加速度计，所述单轴加速度计分别安装于所述三轴石英微机械陀螺仪的沿X轴、Y轴以及Z轴靠面上。

8.根据权利要求7所述的三轴石英微机械陀螺仪，其特征在于，还包括导航计算机板，所述导航计算机板通过所述第五安装位安装于所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上。

9.根据权利要求8所述的三轴石英微机械陀螺仪，其特征在于，还包括对外接插件支架，所述第五安装位包括在所述三轴石英微机械陀螺仪衬底上设有的第二组螺纹孔，所述对外接插件支架的顶部设有第三组螺纹孔，所述导航计算机板通过所述第二组螺纹孔和所述第三组螺纹孔安装固定。

10.根据权利要求5所述的三轴石英微机械陀螺仪，其特征在于，所述减振支架包括减振内支架和减振外支架，所述减振内支架对应安装于所述减振外支架的内侧，所述石英MEMS表芯分别安装于对应的所述减振内支架。