專利名稱：一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型慣性測(cè)量單元(IMU)，特別是一種基于MEMS技術(shù)的、用于微小型飛行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制(GNC)系統(tǒng)的微型IMU。適用于對(duì)IMU體積、重量、精度和成本同時(shí)有較高要求的場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
微小型飛行器GNC系統(tǒng)需要其關(guān)鍵部件IMU同時(shí)滿足體積小、重量輕、精度高、成本低等要求。IMU的微型化成為制約GNC系統(tǒng)微型化的關(guān)鍵。
為解算出微小型飛行器的位置、速度、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)參量并控制飛行，微小型飛行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制(GNC)系統(tǒng)需要IMU來(lái)測(cè)量微小型飛行器機(jī)體坐標(biāo)系三個(gè)正交方向(X、Y、Z)的加速度、角速度等參數(shù)。為達(dá)到微小型飛行器GNC系統(tǒng)的要求，IMU一般采用MEMS加速度計(jì)和MEMS陀螺作為其敏感元件，且均采用芯片級(jí)封裝。
精確的安裝精度，是保證準(zhǔn)確測(cè)量的前提。為準(zhǔn)確測(cè)量微小型飛行器機(jī)體坐標(biāo)系三個(gè)正交方向(X、Y、Z)的參數(shù)，一般需要特定裝置來(lái)安裝固定加速度計(jì)和陀螺，以使三個(gè)方向的加速度計(jì)和陀螺互相垂直。現(xiàn)有的固定方式通常有兩種一種為機(jī)械加工金屬正交結(jié)構(gòu)架，把焊接好加速度計(jì)和陀螺的印刷電路板按照相互垂直的方向固定在結(jié)構(gòu)框架上；另一種方式不需要結(jié)構(gòu)框架，把焊接有加速度計(jì)和陀螺的印刷電路板通過(guò)直角彎針焊接在GNC系統(tǒng)的安裝基準(zhǔn)面上，使加速度計(jì)和陀螺與GNC系統(tǒng)安裝基準(zhǔn)面保持垂直，構(gòu)成正交結(jié)構(gòu)。前一種方式機(jī)械加工的結(jié)構(gòu)框架可達(dá)到較高的精度，但安裝工序較多，引入安裝誤差很大，而且體積較大，加工成本很高；后一種方式體積較小，加工成本較低，但安裝精度很差，無(wú)法保證三個(gè)軸之間的垂直度。鑒于上述原因，現(xiàn)有的IMU無(wú)法兼顧微小型飛行器GNC系統(tǒng)體積小、重量輕、精度高、成本低的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種隱式結(jié)構(gòu)微型IMU，能夠滿足微小型飛行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制(GNC)系統(tǒng)體積小、重量輕、精度高、成本低的要求。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為當(dāng)微型慣性測(cè)量單元由三個(gè)單軸MEMS陀螺和兩個(gè)雙軸MEMS加速度計(jì)構(gòu)成時(shí)，按照一定垂直度、平面度和光潔度的要求，采用合成陶瓷材料加工一正方體基座。根據(jù)微小型飛行器IMU系統(tǒng)所選用的加速度計(jì)和陀螺的尺寸來(lái)確定基座的尺寸。利用具有一定光潔度的合成陶瓷材料表面可電鍍電路的特點(diǎn)，根據(jù)加速度計(jì)和陀螺的封裝、電路原理圖及安裝要求，在基座表面電鍍電路并附著焊盤。三個(gè)單軸的陀螺分別焊接在基座三個(gè)互相垂直的面上，兩個(gè)雙軸的加速度計(jì)分別焊接在另外兩個(gè)互相垂直的面上，基座底面邊緣附著彎角焊盤，基座既作為IMU系統(tǒng)電路板，又作為陀螺和加速度計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)。
當(dāng)微型慣性測(cè)量單元由三個(gè)單軸MEMS陀螺和三個(gè)單軸MEMS加速度計(jì)構(gòu)成時(shí)，按照一定垂直度、平面度和光潔度的要求，采用合成陶瓷材料加工一長(zhǎng)方體基座。根據(jù)微小型飛行器IMU系統(tǒng)所選用的加速度計(jì)和陀螺的尺寸來(lái)確定基座的尺寸。利用具有一定光潔度的合成陶瓷材料表面可電鍍電路的特點(diǎn)，根據(jù)加速度計(jì)和陀螺的封裝、電路原理圖及安裝要求，在基座表面電鍍電路并附著焊盤。三個(gè)單軸的陀螺分別焊接在基座兩個(gè)互相垂直的側(cè)面和頂面上，三個(gè)單軸的加速度計(jì)分別焊接在另外兩個(gè)互相垂直的側(cè)面和頂面上，基座底面邊緣附著彎角焊盤，基座既作為IMU系統(tǒng)電路板，又作為陀螺和加速度計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)。
上述方案的原理是使用合成陶瓷材料開模加工所需尺寸的正方體或長(zhǎng)方體基座?；尚秃笥媒饎偸⒎垩心ジ鞅砻?，使其表面達(dá)到可電鍍電路的水平，并使其平行度、垂直度滿足微小型飛行器IMU系統(tǒng)的要求。按照加速度計(jì)、陀螺儀的電路原理圖及安裝要求，在基座表面電鍍電路和焊盤。把加速度計(jì)和陀螺分別焊接到基座三個(gè)相互垂直的面上，使其分別敏感沿X、Y、Z軸的加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度?；酌孢吘壐街鴱澖呛副P，使得基座既可焊接到微小型飛行器GNC系統(tǒng)板上，又使每個(gè)面上的加速度計(jì)和陀螺通過(guò)基座表面電鍍的電路與基座底面的焊盤連接?；茸鳛镮MU系統(tǒng)電路板，又作為陀螺和加速度計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明利用合成陶瓷材料可磨削加工達(dá)到較高平面度和垂直度、表面可電鍍電路且可焊接芯片的特點(diǎn)，將其加工成正方體或長(zhǎng)方體基座，使加速度計(jì)和陀螺可直接焊接于其上，構(gòu)成隱式結(jié)構(gòu)微型IMU。因其基座既作為支撐結(jié)構(gòu)，又作為電路板，故本發(fā)明隱式結(jié)構(gòu)微型IMU具有體積小、重量輕、精度高的優(yōu)點(diǎn)，加工成本非常低，且非常便于與微小型飛行器GNC系統(tǒng)進(jìn)行集成。


圖1為本發(fā)明的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元采用兩個(gè)雙軸加速度計(jì)和三個(gè)單軸陀螺情況下的基座結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元采用一種雙軸加速度計(jì)電路原理圖；圖3為本發(fā)明的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元采用一種單軸陀螺電路原理圖；
圖4為本發(fā)明的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元采用兩個(gè)雙軸加速度計(jì)和三個(gè)單軸陀螺情況下結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元基座底面焊盤連接示意圖；圖6為本發(fā)明的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元與微小型飛行器GNC系統(tǒng)板連接示意圖；圖7為本發(fā)明的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元采用三個(gè)單軸加速度計(jì)和三個(gè)單軸陀螺情況下的基座結(jié)構(gòu)圖；圖8為本發(fā)明的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元采用三個(gè)單軸加速度計(jì)和三個(gè)單軸陀螺情況下結(jié)構(gòu)圖；圖9為本發(fā)明的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元芯片焊接所需溫度曲線。
具體實(shí)施例方式
對(duì)于使用雙軸加速度計(jì)和單軸陀螺的情況，以ADXL320型加速度計(jì)(雙軸)和ADXRS300型陀螺(單軸)為例進(jìn)行說(shuō)明。首先根據(jù)微小型飛行器GNC系統(tǒng)采用的ADXL320型加速度計(jì)和ADXRS300型陀螺的尺寸、電路原理圖及安裝要求，確定正方體基座的尺寸為10mm×10mm×10mm。使用密度為3.6g/cm3的氮化鋁合成陶瓷或碳化硅合成陶瓷材料開模加工所需尺寸的正方體基座(本實(shí)施例采用氮化鋁合成陶瓷)，形狀如圖1所示(或正方體切除其中一個(gè)角或兩個(gè)角或三個(gè)角或四個(gè)角或五個(gè)角或六個(gè)角后的形狀)。正方體基座成型后用金剛石微粉研磨基座表面，使其表面平行度優(yōu)于20μm、垂直度優(yōu)于50μm、表面光潔度達(dá)到0.4的要求，其表面即可電鍍電路。然后按照加速度計(jì)、陀螺的電路原理圖(如圖2、圖3所示)及安裝要求，在正方體基座表面電鍍電路和焊盤。把三個(gè)陀螺分別焊接到面C1D1D2C2、面B1C1C2B2和面A2B2C2D2，三個(gè)陀螺分別敏感沿X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，且其三個(gè)敏感軸相互垂直；把兩個(gè)雙軸的加速度計(jì)分別焊接在面A1B1B2A2(敏感沿Y、Z軸加速度)和面D1A1A2D2(敏感沿X、Z軸加速度)，其三個(gè)敏感軸相互垂直，如圖4所示。正方體基座底面(面A1B1C1D1)邊緣附著彎角焊盤，如圖5所示，使得基座既可焊接到微小型飛行器GNC系統(tǒng)板上，又使每個(gè)面上的加速度計(jì)和陀螺通過(guò)基座表面電鍍的電路與基座底面的焊盤連接，微型慣性測(cè)量單元與GNC系統(tǒng)連接示意圖如圖6所示。
對(duì)于使用單軸加速度計(jì)和單軸陀螺的情況，以1221型加速度計(jì)(單軸)和ADXRS300型陀螺(單軸)為例進(jìn)行說(shuō)明。首先根據(jù)微小型飛行器GNC系統(tǒng)采用的加速度計(jì)和陀螺的尺寸、電路原理圖及安裝要求，確定長(zhǎng)方體基座的尺寸為25mm×10mm×10mm。使用密度為3.6g/cm3的氮化鋁合成陶瓷或碳化硅合成陶瓷材料開模加工所需尺寸的長(zhǎng)方體基座(本實(shí)施例采用氮化鋁合成陶瓷)，形狀如圖7所示(或長(zhǎng)方體切除其中一個(gè)角或兩個(gè)角或三個(gè)角或四個(gè)角或五個(gè)角或六個(gè)角后的形狀)。長(zhǎng)方體基座成型后用金剛石微粉研磨基座表面，使其表面平行度優(yōu)于20μm、垂直度優(yōu)于50μm、表面光潔度達(dá)到0.4的要求，其表面即可電鍍電路。然后按照加速度計(jì)、陀螺的電路原理圖及安裝要求，在長(zhǎng)方體基座表面電鍍電路和焊盤。把三個(gè)陀螺分別焊接到面C1D1D2C2、面B1C1C2B2和面A2B2C2D2，三個(gè)陀螺分別敏感沿X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，且其三個(gè)敏感軸相互垂直；把三個(gè)單軸的加速度計(jì)分別焊接到面A1B1B2A2、面D1A1A2D2、和面A2B2C2D2，三個(gè)加速度計(jì)分別敏感沿X、Y、Z軸的加速度，其三個(gè)敏感軸相互垂直，如圖8所示。長(zhǎng)方體基座底面(面A1B1C1D1)邊緣附著彎角焊盤，使得基座既可焊接到微小型飛行器GNC系統(tǒng)板上，又使每個(gè)面上的加速度計(jì)和陀螺通過(guò)基座表面電鍍的電路與基座底面的焊盤連接。
上述合成陶瓷基座的加工過(guò)程有如下幾步①按照所需形狀制作模具；②把粉狀合成陶瓷材料填充至模具；③高溫?zé)铺沾沙尚停虎苡媒饎偸⒎垩心セ砻?，使其平行度?yōu)于20μm、垂直度優(yōu)于50μm、表面光潔度達(dá)到0.4的要求；⑤表面電鍍；⑥按系統(tǒng)要求加工電路。
在芯片焊接時(shí)需要注意嚴(yán)格控制焊接溫度，需按照?qǐng)D9所示溫度曲線進(jìn)行焊接?？刹捎没亓骱笝C(jī)，對(duì)五個(gè)面上的芯片逐個(gè)進(jìn)行焊接。在焊接芯片時(shí)需要用錫箔紙把已焊接好的芯片完全覆蓋，以防止重復(fù)加熱對(duì)器件和焊盤的損害。
權(quán)利要求
1.一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元，由基座和三個(gè)單軸MEMS陀螺和兩個(gè)雙軸MEMS加速度計(jì)構(gòu)成，其特征在于采用合成陶瓷材料加工一正方體基座，基座表面電鍍電路和焊盤，三個(gè)單軸的陀螺分別焊接在基座三個(gè)互相垂直的面上，兩個(gè)雙軸的加速度計(jì)分別焊接在另外兩個(gè)互相垂直的面上，基座底面邊緣附著彎角焊盤，基座既作為IMU系統(tǒng)電路板，又作為陀螺和加速度計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元，其特征在于所述的基座形狀為正方體或正方體切除其中一個(gè)角或兩個(gè)角或三個(gè)角或四個(gè)角或五個(gè)角或六個(gè)角后的形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元，其特征在于所述的合成陶瓷材料為氮化鋁合成陶瓷或碳化硅合成陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元，其特征在于所述的基座各個(gè)表面光潔度優(yōu)于0.4；各個(gè)面的平行度優(yōu)于20μm；各個(gè)面的垂直度優(yōu)于50μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元，其特征在于所述的基座底面邊緣附著彎角焊盤，此焊盤既起到IMU與GNC系統(tǒng)板的電氣連接作用，又起到對(duì)IMU的固定作用。
6.一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元，由基座和三個(gè)單軸MEMS陀螺和三個(gè)單軸MEMS加速度計(jì)構(gòu)成，其特征在于采用合成陶瓷材料加工一長(zhǎng)方體基座，基座表面電鍍電路和焊盤，三個(gè)單軸的陀螺分別焊接在基座兩個(gè)互相垂直的側(cè)面和頂面上，三個(gè)單軸的加速度計(jì)分別焊接在另外兩個(gè)互相垂直的側(cè)面和頂面上，基座底面邊緣附著彎角焊盤，基座既作為IMU系統(tǒng)電路板，又作為陀螺和加速度計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元，其特征在于所述的基座形狀為長(zhǎng)方體或長(zhǎng)方體切除其中一個(gè)角或兩個(gè)角或三個(gè)角或四個(gè)角或五個(gè)角或六個(gè)角后的形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元，其特征在于所述的合成陶瓷材料為氮化鋁合成陶瓷或碳化硅合成陶瓷。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元，其特征在于所述的基座各個(gè)表面光潔度優(yōu)于0.4；各個(gè)面的平行度優(yōu)于20μm；各個(gè)面的垂直度優(yōu)于50μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元，其特征在于所述的基座底面邊緣附著彎角焊盤，此焊盤既起到IMU與GNC系統(tǒng)板的電氣連接作用，又起到對(duì)IMU的固定作用。
全文摘要
一種隱式結(jié)構(gòu)微型慣性測(cè)量單元(IMU)，按照一定垂直度、平面度和光潔度的要求，采用合成陶瓷材料加工一正方體基座。利用具有一定光潔度的合成陶瓷材料表面可電鍍電路的特點(diǎn)，根據(jù)加速度計(jì)和陀螺的封裝、電路原理圖及安裝要求，在基座表面電鍍電路并附著焊盤。把加速度計(jì)和陀螺直接焊接在基座相互垂直的面上，以保證三個(gè)敏感方向的加速度計(jì)和陀螺相互垂直。正方體基座底面邊緣附著彎角焊盤，使基座底面電路既能與側(cè)面電路聯(lián)接，又可焊接到微小型飛行器GNC系統(tǒng)板上?；茸鳛镮MU系統(tǒng)電路板，又作為陀螺和加速度計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)。本發(fā)明微型IMU同時(shí)具有體積小、重量輕、精度高、成本低等特點(diǎn)，可應(yīng)用于微小型飛行器、微小型機(jī)器人等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01C21/10GK101038173SQ20071006363
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月7日
發(fā)明者房建成, 張霄, 盛蔚, 李建利, 孫宏偉, 曹娟娟 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)