專利名稱：微機械－電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本

發(fā)明內(nèi)容
屬于慣性測量器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于測量空間坐標系中三個軸的角速率和線加速度的慣性測量單元，其產(chǎn)品可廣泛用于導(dǎo)彈控制、地質(zhì)勘探、工業(yè)測控、航空飛行器穩(wěn)定控制、捷聯(lián)慣導(dǎo)、汽車自動駕駛及機器人控制等行業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前在上述各行業(yè)領(lǐng)域中普遍使用的慣性測量單元(IMU)，包括角速率陀螺(角速率傳感器)和線加速度傳感器，其產(chǎn)品絕大部分都是機械式的，如液浮或半液浮、撓性有旋轉(zhuǎn)馬達的角速率陀螺、有質(zhì)塊的線加速度傳感器等，這些老式慣性測量單元在實際應(yīng)用中存在的突出缺點是體積大、價格昂貴、易損壞、耐沖擊加速度低、壽命短、測量范圍小(老式角速率陀螺最大測量值僅500°/s，線加速度傳感器最大測量值僅10g)、頻響低(最多為100HZ)以及多不具備自檢測(Self-Test)功能等，即使是當今較先進的光纖或激光慣性測量單元，也由于其價格昂貴及體積大等原因而很難得到廣泛的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，進而提供一種結(jié)構(gòu)性能實用合理、操作方便、體積小、重量輕、造價低、應(yīng)用范圍廣的微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元。
用于實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是這樣的所提供的微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元具有三個分別用于測量空間X、Y、Z軸角速率的角速率陀螺和三個分別用于測量空間X、Y、Z軸線加速度的線加速度傳感器，通過一塊適配轉(zhuǎn)接線路板使各角速率陀螺和各線加速度傳感器并行設(shè)置，其中每一個空間軸角速率陀螺和每一個空間軸線加速度傳感器均由采用微機械-電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的芯片構(gòu)成的敏感電路、信號處理器(解調(diào)濾波器)、主放大器以及零偏置控制器、非線性糾正器、量程擴展器、溫漂補償器、帶寬擴展器組成，敏感電路的輸出端經(jīng)信號處理器接至主放大器的輸入端，零偏置控制器、非線性糾正器、量程擴展器、溫漂補償器和帶寬擴展器相并聯(lián)，其共同輸出端接至主放大器的輸入端。
本發(fā)明所述的微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元是三軸六自由度固態(tài)慣性傳感器的組合，內(nèi)中的角速率陀螺屬于無旋轉(zhuǎn)馬達的固態(tài)角速率傳感器，線加速度傳感器屬于無質(zhì)塊的傳感器，它們的內(nèi)部電路工作構(gòu)件均采用微機械-電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的芯片，其制造采用雙極型金屬氧化物半導(dǎo)體(BIMOS)技術(shù)的生產(chǎn)工藝和球形網(wǎng)格排列的載流焊工藝技術(shù)，產(chǎn)品具有高可靠性和高封裝堅固性，可準確測量空間坐標系中X、Y、Z三個軸的角速率和線加速度；測量單元內(nèi)置有高精度溫度傳感器，可給出IMU內(nèi)隨溫度變化的電壓值；六個自由度傳感器中的每一個都具備自檢測功能，能夠?qū)崿F(xiàn)機內(nèi)檢測(BIT)，并且六個自由度均為模擬信號輸出。此外，本發(fā)明內(nèi)還設(shè)置了零偏置控制器、非線性糾正器、量程擴展器、溫漂補償器、帶寬擴展器，使產(chǎn)品具有零偏置校準、溫漂補償、寬的測量范圍和帶寬以及非線性糾正功能，同時也使之具有寬范圍的工作溫度和體積小、重量輕、啟動快、壽命長及耐沖擊加速度高等特點。


圖1為本發(fā)明的總電氣設(shè)計原理框圖。
圖2為角速率陀螺的設(shè)計原理框圖。
圖3為線加速度傳感器的設(shè)計原理框圖。
圖4為角速率陀螺的一個具體實施例的電路原理圖。
圖5為線加速度傳感器的一個具體實施例的電路原理圖。
圖6為角速率陀螺或線加速度傳感器所用零偏置控制器的設(shè)計原理框圖。
圖7為零偏置控制器的電氣線路圖。
圖8為角速率陀螺或線加速度傳感器所用非線性糾正器的設(shè)計原理框圖。
圖9為非線性糾正器的電氣線路圖。
圖10為角速率陀螺或線加速度傳感器所用量程擴展器的設(shè)計原理框圖。
圖11為量程擴展器的電氣線路圖。
圖12為角速率陀螺或線加速度傳感器所用溫漂補償器的設(shè)計原理框圖。
圖13為溫漂補償器的電氣線路圖。
圖14為角速率陀螺或線加速度傳感器所用帶寬擴展器的設(shè)計原理框圖。
圖15為帶寬擴展器的電氣線路圖。
具體實施例方式
參見附圖，本發(fā)明所述的微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元的總電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括三個分別用于測量空間X、Y、Z軸角速率的角速率陀螺I、II、III和三個分別用于測量空間X、Y、Z軸線加速度的線加速度傳感器IV、V、VI，通過一塊CS-01型適配轉(zhuǎn)接線路板VII使各角速率陀螺I、II、III和各線加速度傳感器IV、V、VI并行設(shè)置，使用時將各角速率陀螺I、II、III和各線加速度傳感器IV、V、VI的輸入及輸出端通過纜線連接在CS-01型適配轉(zhuǎn)接線路板VII相應(yīng)的轉(zhuǎn)接孔內(nèi)。本發(fā)明設(shè)計方案中的每一個空間軸角速率陀螺的工作原理結(jié)構(gòu)如圖2所示，每一個空間軸線加速度傳感器的工作原理結(jié)構(gòu)如圖3所示，它們均由采用微機械-電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的芯片構(gòu)成的敏感電路M、信號處理器6、主放大器10以及零偏置控制器7、非線性糾正器8、量程擴展器9、溫漂補償器11、帶寬擴展器12組成，敏感電路M的輸出端經(jīng)信號處理器6接至主放大器10的輸入端，零偏置控制器7、非線性糾正器8、量程擴展器9、溫漂補償器11和帶寬擴展器12相并聯(lián)，其共同輸出端接至主放大器10的輸入端。該慣性測量單元中每一個空間軸角速率陀螺的敏感電路M由離散控制器1、ST接口電路2、敏感器3、諧振器4和激勵器5組成，離散控制器1和激勵器5的輸出端分別通過ST接口電路2和諧振器4接至敏感器3的輸入端，敏感器3的輸出端與信號處理器6的輸入端聯(lián)接；每一個空間軸線加速度傳感器中的敏感電路M均由離散控制器1、ST接口電路2和敏感器3組成，離散控制器1的輸出端通過ST接口電路2接至敏感器3的輸入端，敏感器3的輸出端與信號處理器6的輸入端聯(lián)接。在圖4所示的角速率陀螺的實際電路中，敏感電路M中的敏感器3由型號為PO-XRS的敏感器件芯片構(gòu)成，PO-XRS的輸入端接角速率輸入信號ωin，諧振器4由兩只型號為LTC2053的芯片相互串聯(lián)形成，激勵器5由型號為REG711-5的充電泵調(diào)節(jié)器構(gòu)成，信號處理器6由型號為LTC2053和LB8207的芯片構(gòu)成，主放大器10由型號為LTC2053的集成芯片構(gòu)成。在圖5所示的線加速度傳感器的實際電路中，敏感電路M中的敏感器3由型號為PO-XL的敏感器件芯片構(gòu)成，PO-XL的輸入端接線加速度輸入信號ain，信號處理器6由型號為LB8207的芯片構(gòu)成，主放大器10由型號為LTC2053的集成芯片構(gòu)成。
圖6～圖15所示的各功能電路的結(jié)構(gòu)組成及工作形式分別如下所述。
為使零偏在性能有差異的不同芯片下一致，在慣性測量單元內(nèi)設(shè)計了零偏置控制器7。零偏置控制器7由主放大器7c、輸入回路7a、校準回路7b、反饋回路7d和運算器7e組成(圖6)，其中主放大器7c的輸入端與輸入回路7a的輸出端聯(lián)接，主放大器7c的輸出信號可分流至反饋回路7d和運算器7e的輸入端，運算器7e輸出端經(jīng)校準回路7b后與反饋回路7d輸出端一道回接至主放大器7c的輸入端。在圖7所示的實際工作電路中，輸入回路7a由電阻R1、R2和電容C1組成，主放大器7c由型號為LTC2053的芯片構(gòu)成，運算器7e由型號為LM339的芯片構(gòu)成，標準回路7b由電阻R 3和電子開關(guān)K組成，反饋回路7d由電阻R4構(gòu)成。零偏置控制器7的設(shè)置可以使IMU內(nèi)的每個自由度的零偏一致，達到2.5±0.1V，便于用戶的使用。
在要求準確控制的場合，客戶往往要求非線性越小越好，為此在慣性測量單元內(nèi)設(shè)置了非線性糾正器8。非線性糾正器8由主放大器8d、輸入回路8a、糾正器8b、反饋回路8e和運算器8c組成(圖8)，其中主放大器8d的輸入端與輸入回路8a的輸出端聯(lián)接，主放大器8d的輸出信號可分流至反饋回路8e和運算器8c的輸入端，運算器8c輸出端與反饋回路8e輸出端再回接至主放大器8d的輸入端，糾正器8b輸出端接運算器8c的輸入端。在圖9所示的實際工作電路中，輸入回路8a由電阻R5、R6和電容C2組成，主放大器8d由型號為LTC2053的集成芯片構(gòu)成，運算器8c由型號為LM339的芯片構(gòu)成，反饋回路8e由電阻R7構(gòu)成，糾正器8b由型號為ADUC816的微轉(zhuǎn)換器芯片構(gòu)成。本發(fā)明非線性糾正器8對三個軸的角速率陀螺和三個軸的線加速度傳感器來說完全一樣，它可以使產(chǎn)品在要求非線性指標很小(非線性指標達到±0.1％)的場合下使用，以充分滿足用戶的要求。
依據(jù)市場客戶對量程的要求，本發(fā)明設(shè)計了量程擴展器9，該量程擴展器9由主放大器9c、輸入回路9a、擴展回路9b和反饋回路9d組成(圖10)，其中主放大器9c的輸入端與輸入回路9a的輸出端聯(lián)接，主放大器9c的輸出信號可分流至反饋回路9d和擴展回路9b的輸入端，擴展回路9b輸出端再與反饋回路9d輸出端一道回接至主放大器9c的輸入端。在圖11所示的實際工作電路中，輸入回路9a由電阻R8、R9和電容C3組成，主放大器9c由型號為LTC2053的芯片構(gòu)成，擴展回路9b由電阻Rx1構(gòu)成，反饋回路9d由電阻R10構(gòu)成。通過量程擴展器9的設(shè)置可以使該慣性測量單元中角速率陀螺產(chǎn)品的測量范圍在5°/s～50000°/s可選，使X軸線加速度傳感器產(chǎn)品和Y軸線加速度傳感器產(chǎn)品的量程在±2g、±10g、±50g三檔可選，使Z軸線加速度傳感器產(chǎn)品的量程在±5g、±50g、±100g三檔可選，以滿足用戶不同測量范圍的要求。
固態(tài)角速率陀螺或線加速度傳感器的弱點是對溫度比較敏感，容易產(chǎn)生隨溫度漂移，為消除這種漂移，本發(fā)明特設(shè)置有溫漂補償器11對輸出隨溫度的漂移進行補償，以使正常輸出值不受因溫度變化而產(chǎn)生的不良影響。這種溫漂補償器11由輸入回路11a、主放大器11b、運算器11c、溫度傳感器11d、恒流源11e、差動放大器11f和反饋回路11g構(gòu)成(圖12)，其中主放大器11b的輸入端與輸入回路11a的輸出端聯(lián)接，主放大器11b的輸出信號端與恒流源11e的輸出端均接至差動放大器11f的輸入端，差動放大器11f的反饋輸出端依次經(jīng)反饋回路11g和運算器11c后回接至主放大器11b的輸入端，溫度傳感器11d的輸出端經(jīng)運算器11c后接至主放大器11b的輸入端。在圖13所示的實際工作電路中，輸入回路11a由電阻R11、R12和電容C4組成，主放大器11b由型號為LTC2053的集成芯片構(gòu)成，運算器11c由型號為LM339的集成芯片構(gòu)成，溫度傳感器11d由PTAT型集成芯片構(gòu)成，恒流源11e由電阻R13、穩(wěn)壓二極管D和三極管T組成，差動放大器11f由型號為AD623的集成芯片構(gòu)成，反饋回路11g由電阻R14構(gòu)成。實際使用中，該溫漂補償器11可在-45℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)進行補償，其中溫度范圍中的-45℃是本產(chǎn)品的獨特溫度。
在該慣性測量單元內(nèi)設(shè)置的帶寬擴展器12由主放大器12c、輸入回路12a、擴展器12b和反饋回路12d組成(圖14)，其中主放大器12c的輸入端與輸入回路12a的輸出端聯(lián)接，主放大器12c的輸出信號可分流至反饋回路12d和擴展器12b的輸入端，擴展器12b輸出端再與反饋回路12d輸出端一道回接至主放大器12c的輸入端。在圖15所示的實際工作電路中，輸入回路12a由電阻R15、R16和電容C5組成，主放大器12c由型號為LTC2053的芯片構(gòu)成，擴展器12b由電容Cx/C6構(gòu)成，反饋回路12d由電阻R17/Rx構(gòu)成。通過帶寬擴展器12的設(shè)置可使三個軸的角速率陀螺的帶寬從40HZ擴展為9HZ～500HZ，使三個軸的線加速度傳感器的帶寬從40HZ擴展為5HZ～5KHZ，這樣就使產(chǎn)品的使用范圍更加寬闊。
本發(fā)明產(chǎn)品的外形尺寸為38×38×36mm3，而且三軸六自由度的慣性傳感器包括三個軸的角速率陀螺和三個軸的線加速度傳感器、以及適配轉(zhuǎn)接線路板、外接插頭座都合理有序地安裝在殼體之內(nèi)。本產(chǎn)品帶機械外殼的重量僅為90克，是目前國內(nèi)外體積最小、重量最輕的三軸六自由度IMU產(chǎn)品。此外，該產(chǎn)品在不供電、任何軸、0.5ms條件下，可承受1000g的沖擊加速度；在供電、任何軸、0.5ms條件下，可承受500g的沖擊加速度，耐沖擊加速度指標大大優(yōu)于本領(lǐng)域已有的同類技術(shù)產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元，其特征在于具有三個分別用于測量空間X、Y、Z軸角速率的角速率陀螺(I、II、III)和三個分別用于測量空間X、Y、Z軸線加速度的線加速度傳感器(IV、V、VI)，通過一塊適配轉(zhuǎn)接線路板(VII)使各角速率陀螺(I、II、III)和各線加速度傳感器(IV、V、VI)并行設(shè)置，其中每一個空間軸角速率陀螺和每一個空間軸線加速度傳感器均由采用微機械-電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的芯片構(gòu)成的敏感電路(M)、信號處理器(6)、主放大器(10)以及零偏置控制器(7)、非線性糾正器(8)、量程擴展器(9)、溫漂補償器(11)、帶寬擴展器(12)組成，敏感電路(M)的輸出端經(jīng)信號處理器(6)接至主放大器(10)的輸入端，零偏置控制器(7)、非線性糾正器(8)、量程擴展器(9)、溫漂補償器(11)和帶寬擴展器(12)相并聯(lián)，其共同輸出端接至主放大器(10)的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元，其特征在于每一個空間軸角速率陀螺中的敏感電路(M)均由離散控制器(1)、ST接口電路(2)、敏感器(3)、諧振器(4)和激勵器(5)組成，離散控制器(1)和激勵器(5)的輸出端分別通過ST接口電路(2)和諧振器(4)接至敏感器(3)的輸入端，敏感器(3)的輸出端與信號處理器(6)的輸入端聯(lián)接。
3.如權(quán)利要求1所述的微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元，其特征在于每一個空間軸線加速度傳感器中的敏感電路(M)均由離散控制器(1)、ST接口電路(2)和敏感器(3)組成，離散控制器(1)的輸出端通過ST接口電路(2)接至敏感器(3)的輸入端，敏感器(3)的輸出端與信號處理器(6)的輸入端聯(lián)接。
4.如權(quán)利要求1所述的微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元，其特征在于每一個空間軸角速率陀螺和空間軸線加速度傳感器中的零偏置控制器(7)均由主放大器(7c)、輸入回路(7a)、校準回路(7b)、反饋回路(7d)和運算器(7e)組成，其中主放大器(7c)的輸入端與輸入回路(7a)的輸出端聯(lián)接，主放大器(7c)的輸出信號可分流至反饋回路(7d)和運算器(7e)的輸入端，運算器(7e)輸出端經(jīng)校準回路(7b)后與反饋回路(7d)輸出端一道回接至主放大器(7c)的輸入端。
5.如權(quán)利要求1所述的微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元，其特征在于每一個空間軸角速率陀螺和空間軸線加速度傳感器中的非線性糾正器(8)均由主放大器(8d)、輸入回路(8a)、糾正器(8b)、反饋回路(8e)和運算器(8c)組成，其中主放大器(8d)的輸入端與輸入回路(8a)的輸出端聯(lián)接，主放大器(8d)的輸出信號可分流至反饋回路(8e)和運算器(8c)的輸入端，運算器(8c)輸出端與反饋回路(8e)輸出端再回接至主放大器(8d)的輸入端，糾正器(8b)輸出端接運算器(8c)的輸入端。
6.如權(quán)利要求1所述的微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元，其特征在于每一個空間軸角速率陀螺和空間軸線加速度傳感器中的量程擴展器(9)均由主放大器(9c)、輸入回路(9a)、擴展回路(9b)和反饋回路(9d)組成，其中主放大器(9c)的輸入端與輸入回路(9a)的輸出端聯(lián)接，主放大器(9c)的輸出信號可分流至反饋回路(9d)和擴展回路(9b)的輸入端，擴展回路(9b)輸出端再與反饋回路(9d)輸出端一道回接至主放大器(9c)的輸入端。
7.如權(quán)利要求1所述的微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元，其特征在于每一個空間軸角速率陀螺和空間軸線加速度傳感器中的溫漂補償器(11)均由輸入回路(11a)、主放大器(11b)、運算器(11c)、溫度傳感器(11d)、恒流源(11e)、差動放大器(11f)和反饋回路(11g)構(gòu)成，其中主放大器(11b)的輸入端與輸入回路(11a)的輸出端聯(lián)接，主放大器(11b)的輸出信號端與恒流源(11e)的輸出端均接至差動放大器(11f)的輸入端，差動放大器(11f)的反饋輸出端依次經(jīng)反饋回路(11g)和運算器(11c)后回接至主放大器(11b)的輸入端，溫度傳感器(11d)的輸出端經(jīng)運算器(11c)后接至主放大器(11b)的輸入端。
8.如權(quán)利要求1所述的微機械-電子系統(tǒng)技術(shù)慣性測量單元，其特征在于每一個空間軸角速率陀螺和空間軸線加速度傳感器中的帶寬擴展器(12)均由主放大器(12c)、輸入回路(12a)、擴展器(12b)和反饋回路(12d)組成，其中主放大器(12c)的輸入端與輸入回路(12a)的輸出端聯(lián)接，主放大器(12c)的輸出信號可分流至反饋回路(12d)和擴展器(12b)的輸入端，擴展器(12b)輸出端再與反饋回路(12d)輸出端一道回接至主放大器(12c)的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于導(dǎo)彈控制、工業(yè)測控、捷聯(lián)慣導(dǎo)等領(lǐng)域中測量空間坐標系中三個軸的角速率和線加速度的三軸六自由度固態(tài)慣性傳感器的組合，由三個空間軸角速率陀螺和三個空間軸線加速度傳感器構(gòu)成，各角速率陀螺和線加速度傳感器均由采用微機械－電子系統(tǒng)技術(shù)的芯片構(gòu)成的敏感電路、信號處理器、主放大器及零偏置控制器、非線性糾正器、量程擴展器、溫漂補償器、帶寬擴展器組成，敏感電路輸出端經(jīng)信號處理器接至主放大器的輸入端，零偏置控制器、非線性糾正器、量程擴展器、溫漂補償器和帶寬擴展器相并聯(lián)，其輸出端接主放大器輸入端。產(chǎn)品具有高可靠性和高封裝堅固性，并具備自檢測功能，可準確測量空間坐標系中三個軸的角速率和線加速度。
文檔編號G01C23/00GK1865853SQ20051004268
公開日2006年11月22日 申請日期2005年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月19日
發(fā)明者谷榮祥, 張志英, 何永革, 王革命, 董紅娟 申請人:西安中星測控有限公司