CN220251041U - 一种mems惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种MEMS惯性传感器，包括封装壳体、控温组件、ASIC芯片和惯性器件，所述控温组件设置于封装壳体内，所述ASIC芯片和惯性器件设置于封装壳体表面，所述惯性器件与ASIC芯片电连接。该实用新型通过将ASIC芯片、惯性器件和控温组件封装在封装壳体内，通过控温组件实时测控惯性器件内部温度，使得惯性器件可在最佳温度范围内工作，减小输出信号温漂。

Description

一种MEMS惯性传感器

技术领域

本实用新型属于惯性传感器封装技术领域，具体涉及一种MEMS惯性传感器。

背景技术

惯性传感器包括有惯性器件，即三轴加速度计或三轴陀螺仪，三轴加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而三轴陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态，在导航中有着很重要的应用价值。

现有惯性传感器的封装方式均采用分散式封装，且不带控温系统。然而分散式封装结构形式的整体体积较大，空间利用率不高；不带有控温芯片，温漂大，影响工艺制作良率，且不利于节约成本和集成系统的小型化。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种MEMS惯性传感器，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种MEMS惯性传感器，包括封装壳体、控温组件、ASIC芯片和惯性器件，所述控温组件设置于封装壳体内，所述ASIC芯片和惯性器件设置于封装壳体表面，所述惯性器件与ASIC芯片电连接。

进一步的，所述惯性器件包括X轴惯性器件、Y轴惯性器件和Z轴惯性器件。

进一步的，所述封装壳体顶部开设有顶部凹槽，所述X轴惯性器件和Y轴惯性器件固定安装于顶部凹槽内。

进一步的，所述顶部凹槽内还安装ASIC芯片，所述X轴惯性器件和Y轴惯性器件分别布置于ASIC芯片两侧。

进一步的，所述封装壳体侧壁开设有侧壁凹槽，所述Z轴惯性器件固定安装于侧壁凹槽内。

进一步的，所述X轴惯性器件、Y轴惯性器件和Z轴惯性器件均为平面集成结构。

进一步的，所述X轴惯性器件包括X轴加速度计和/或X轴陀螺仪，所述Y轴惯性器件包括Y轴加速度计和/或Y轴陀螺仪，所述Z轴惯性器件包括Z轴加速度计和/或Z轴陀螺仪。

进一步的，所述封装壳体外侧壁上设有若干个长条凸起状的散热条。

进一步的，所述封装壳体底部设有用于后端封装限位的突起。

进一步的，所述控温组件包括半导体制冷器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型提供的这种MEMS惯性传感器通过将ASIC芯片、惯性器件和控温组件封装在封装壳体内，通过控温组件实时测控惯性器件内部温度，使得惯性器件可在最佳温度范围内工作，减小输出信号温漂。

(2)本实用新型提供的这种MEMS惯性传感器通过在封装壳体上定制开设顶部凹槽和侧壁凹槽，以固定安装ASIC芯片和惯性器件，减小了惯性器件安装误差，同时增加空间利用率，减小了整体封装体积。

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型MEMS惯性传感器的示意图；

图2是本实用新型MEMS惯性传感器中半导体制冷器的安装示意图；

图3是本实用新型MEMS惯性传感器中ASIC芯片与X轴惯性器件、Y轴惯性器件的安装示意图；

图4是本实用新型MEMS惯性传感器中ASIC芯片与Z轴惯性器件安装示意图；

图5是本实用新型MEMS惯性传感器中单轴加速度计的结构示意图；

图6是本实用新型MEMS惯性传感器中单轴陀螺仪的结构示意图。

附图标记说明：1、X轴加速度计；2、X轴陀螺仪；3、ASIC芯片；4、Y轴加速度；5、Y轴陀螺仪；6、Z轴陀螺仪；7、散热条；8、半导体制冷器；9、封装壳体；10、顶部凹槽；11、侧壁凹槽；12、Z轴加速度计；13、弹簧；14、加速度计敏感质量块；15、定梳齿模块；16、自检梳齿模块；17、锚点；18、驱动梳齿模块；19、陀螺敏感质量块；20、陀螺弹簧；21、检测梳齿模块；22、正交校正梳齿模块。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义；在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种MEMS惯性传感器，包括封装壳体9、控温组件、ASIC芯片3和惯性器件，所述控温组件设置于封装壳体9内部，所述ASIC芯片3和惯性器件设置于封装壳体9表面，所述惯性器件与ASIC芯片3电连接。本实施例中，通过增加控温组件，并将ASIC芯片3、惯性器件和控温组件封装在封装壳体9内，利用控温组件实时测控惯性器件内部温度，并准确控制惯性器件的环境温度，使得其在最佳温度范围内工作，减小输出信号温漂。其中，控温组件可采用但不限于半导体制冷器8。

作为一种具体实施方式，所述惯性器件包括X轴惯性器件、Y轴惯性器件和Z轴惯性器件，以测量物体在三维空间中惯性信号。优选的，在所述封装壳体9顶部开设有顶部凹槽10，所述X轴惯性器件和Y轴惯性器件固定安装于顶部凹槽10内，利用顶部凹槽10对X轴惯性器件和Y轴惯性器件的安装起到限位作用，从而减小X轴惯性器件和Y轴惯性器件安装误差；同样，在所述封装壳体9侧壁开设有侧壁凹槽11，所述Z轴惯性器件固定安装于侧壁凹槽11内，利用侧壁凹槽11对Z轴惯性器件的安装起到限位作用，从而减小Z轴惯性器件的安装误差。进一步的，为了方便惯性器件与ASIC芯片3的电连接，将所述ASIC芯片3安装于封装壳体9的顶部凹槽10内，同时将所述X轴惯性器件和Y轴惯性器件分别布置于ASIC芯片3两侧，而Z轴惯性器件则对应ASIC芯片3的端部。另外，通过在封装壳体9开设顶部凹槽10和侧壁凹槽11对ASIC芯片3和惯性器件进行限位安装的方式，增加了空间利用率，减小了整体封装体积。

优选的，所述X轴惯性器件、Y轴惯性器件和Z轴惯性器件均采用平面集成结构设计，以便于其在封装外壳9上安装，进一步减小整体封装体积。

作为一种具体实施方式，所述X轴惯性器件包括X轴加速度计1和/或X轴陀螺仪2，所述Y轴惯性器件包括Y轴加速度计4和/或Y轴陀螺仪5，所述Z轴惯性器件包括Z轴加速度计12和/或Z轴陀螺仪6。

在一些实施例中，惯性器件采用三轴加速度计（图中未标示），即X轴惯性器件为X轴加速度计，Y轴惯性器件为Y轴加速度计，Z轴惯性器件为Z轴加速度计；所述X轴加速度计、Y轴加速度计和ASIC芯片固定安装于顶部凹槽10内，并且X轴加速度计、Y轴加速度计分别布置于ASIC芯片两侧，所述Z轴加速度计固定安装于侧壁凹槽11内；X轴加速度计、Y轴加速度计、Z轴加速度计均通过金属导线与ASIC芯片电连接。

在一些实施例中，惯性器件采用三轴陀螺仪（图中未标示），即X轴惯性器件为X轴陀螺仪，Y轴惯性器件为Y轴陀螺仪，Z轴惯性器件为Z轴陀螺仪；所述X轴陀螺仪、Y轴陀螺仪和ASIC芯片固定安装于顶部凹槽10内，所述Z轴陀螺仪固定安装于侧壁凹槽11内；X轴陀螺仪、Y轴陀螺仪、Z轴陀螺仪均通过金属导线与ASIC芯片电连接。

在一些实施例中，惯性器件包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，如图1、图3和图4所示，即X轴惯性器件包括X轴加速度计1和X轴陀螺仪2，所述Y轴惯性器件包括Y轴加速度计4和Y轴陀螺仪5，所述Z轴惯性器件包括Z轴加速度计12和Z轴陀螺仪6；所述X轴加速度计1、Y轴加速度计4、X轴陀螺仪2、Y轴陀螺仪5和ASIC芯片3固定安装于顶部凹槽10内，所述Z轴加速度计12和Z轴陀螺仪6固定安装于侧壁凹槽11内；X轴加速度计1、Y轴加速度计4、Z轴加速度计12、X轴陀螺仪2、Y轴陀螺仪5、Z轴陀螺仪6均通过金属导线与ASIC芯片3电连接。

进一步的，如图3和图4所示，所述ASIC芯片3安装于顶部凹槽10的中间，所述X轴加速度计1和Y轴加速度计4分别位于ASIC芯片3相对两侧，所述X轴陀螺仪2和Y轴陀螺仪5分别位于ASIC芯片3相对两侧，且所述X轴加速度计1和X轴陀螺仪2位于ASIC芯片3的同侧，所述Y轴加速度计4和Y轴陀螺仪5位于ASIC芯片3的同侧；其中，顶部凹槽10的尺寸大小正好为X轴加速度计1、Y轴加速度计4、X轴陀螺仪2、Y轴陀螺5仪及ASIC芯片3平铺拼装的尺寸之和。所述侧壁凹槽11设置于封装壳体9上相对的两个侧壁上，所述Z轴加速度计12和Z轴陀螺仪6分别固定安装于两个侧壁凹槽11内，同时Z轴加速度计12位于靠近X轴加速度计1和Y轴加速度计4一侧的侧壁凹槽11，Z轴陀螺仪6位于靠近X轴陀螺仪2和Y轴陀螺仪5一侧的侧壁凹槽11；其中，侧壁凹槽11的开槽宽度设计为对应Z轴加速度计12和Z轴陀螺仪6的宽度，使得Z轴加速度计12和Z轴陀螺仪6正好可卡合固定于侧壁凹槽11内。本实施例中对X轴加速度计1、Y轴加速度4、Z轴加速度计12、X轴陀螺仪2、Y轴陀螺仪5、Z轴陀螺仪6及ASIC芯片3的位置分布进行合理设计，并对顶部凹槽10和侧壁凹槽11的尺寸大小进行定制，减小了三轴加速度计和三轴陀螺仪安装误差，增加空间利用率。

作为一种实施方式，所述X轴加速度计1、Y轴加速度计5和Z轴加速度计12采用相同平面集成结构的单轴加速度计。具体的，如图5所示，所述单轴加速度计包括加速度计敏感质量块14、弹簧13、定梳齿模块15和自检梳齿模块16，其中，所述弹簧13有两个，分别连接于加速度计敏感质量块14轴向两端，所述加速度计敏感质量块14两侧设有梳齿结构的可动电极，所述定梳齿模块15和自检梳齿模块16上均具有固定电极，所述固定电极与所述加速度计敏感质量块14上的可动电极交替错位布置，且所述自检梳齿模块16靠近弹簧13布置。以X轴加速计为例，当X方向有外界加速度来临时，与弹簧13相连的加速度计敏感质量块14产生位移，进而产生电容变化，通过电路检测电容变化量来确定加速度大小；其中，自检梳齿模块16用于初始状态检测。

作为一种实施方式，所述X轴陀螺仪2、Y轴陀螺仪5和Z轴陀螺仪6采用相同平面集成结构的单轴陀螺仪。具体的，如图6所示，所述单轴陀螺仪包括锚点17、陀螺弹簧20、陀螺敏感质量块19和梳齿模块，四个所述锚点17和四个所述梳齿模块间隔布置呈环状，所述陀螺敏感质量块19位于该环状中间，四个所述梳齿模块为两个驱动梳齿模块18和两个检测梳齿模块21，两个所述驱动梳齿模块18相对布置，两个所述检测梳齿模块21相对布置，所述驱动梳齿模块18和检测梳齿模块21均具有固定梳齿电极和运动梳齿电极，所述固定梳齿电极与所述锚点17相连，所述运动梳齿电极通过陀螺弹簧20与所述锚点17和所述陀螺敏感质量块19相连。以Z轴陀螺仪为例，当Z轴有角速度输入时，由于驱动梳齿模块18在X轴方向的振动，检测梳齿模块21会在Y轴方向产生位移变化，进而产生电容变化，通过电路检测电容变化量来确定输入角速度大小。

优选的，所述陀螺弹簧20采用Ω型结构；所述陀螺敏感质量块19采用日字型框架结构，具体的，如图6所示，日字型框架结构由矩形方框及连接于矩形方框内的竖直条构成，其中，竖直条上设有梳齿电极，所述陀螺敏感质量块19内部竖直条的两侧还设有正交校正梳齿模块22，正交校正梳齿模块22上亦具有梳齿电极，与陀螺敏感质量块19内部竖直条上的梳齿电极配合，用来校正误差。

优化的实施方式，所述封装壳体9外侧壁上设有若干个长条凸起状的散热条7，用于提高封装壳体9内元器件的散热。所述封装壳体9底部还设有突起（图中未标示），该突起作为此MEMS惯性传感器的底部与其它器件配合连接时的限位结构，起到限位作用。

以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS惯性传感器，其特征在于：包括封装壳体、控温组件、ASIC芯片和惯性器件，所述控温组件设置于封装壳体内，所述ASIC芯片和惯性器件设置于封装壳体表面，所述惯性器件与ASIC芯片电连接。

2.如权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述惯性器件包括X轴惯性器件、Y轴惯性器件和Z轴惯性器件。

3.如权利要求2所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述封装壳体顶部开设有顶部凹槽，所述X轴惯性器件和Y轴惯性器件固定安装于顶部凹槽内。

4.如权利要求3所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述顶部凹槽内还安装ASIC芯片，所述X轴惯性器件和Y轴惯性器件分别布置于ASIC芯片两侧。

5.如权利要求2所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述封装壳体侧壁开设有侧壁凹槽，所述Z轴惯性器件固定安装于侧壁凹槽内。

6.如权利要求2所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述X轴惯性器件、Y轴惯性器件和Z轴惯性器件均为平面集成结构。

7.如权利要求2～6任一项所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述X轴惯性器件包括X轴加速度计和/或X轴陀螺仪，所述Y轴惯性器件包括Y轴加速度计和/或Y轴陀螺仪，所述Z轴惯性器件包括Z轴加速度计和/或Z轴陀螺仪。

8.如权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述封装壳体外侧壁上设有若干个长条凸起状的散热条。

9.如权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述封装壳体底部设有用于后端封装限位的突起。

10.如权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述控温组件包括半导体制冷器。