一种一体化mems惯性姿态敏感器结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种惯性姿态敏感器结构，尤其涉及一种一体化的MEMS惯性姿态敏感器结构。
【背景技术】
[0002]自第一颗人造地球卫星成功发射以来，卫星的发展已走过50多年。卫星的发展初期，由于技术的限制，卫星的功能较为简单，随着航天技术的不断发展，用户需求的日益多样化，卫星在重量、功能、应用领域等方面发生了巨大的变化，20世纪80年代以来，现代小卫星以一种全新的概念出现，它采用新的技术和思想，大大提高了卫星功能的密集度。这类卫星质量轻、体积小、研制周期短、成本低、发射灵活，在很多领域具有广阔的应用前景。特别是随着MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)技术的发展，小卫星的设计思想也发生了根本变革。
[0003]尽管MEMS陀螺器件的商用化程度已经很高，并已在军事、汽车和消费电子领域得到了应用，但MEMS陀螺的空间应用则刚开始起步。设计一种具有体积小，抗冲击，可靠性高，寿命长，成本低特点的MEMS惯性姿态敏感器具有广阔的应用潜力和前景。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题:克服现有惯性敏感器产品结构体积大，重量重等不足，提供一种体积小，抗冲击，可靠性高，寿命长，成本低的MEMS惯性姿态敏感器结构，满足10kg及以下重量微型卫星的中等角速率测量精度需求。
[0005]本发明的技术解决方案是:一种一体化MEMS惯性姿态敏感器结构，包括底座、立柱、单通道线路组件、MEMS陀螺、母板组件、上罩、光学基准镜，其中由底座、MEMS陀螺组成的陀螺组件模块位于整机结构中心，MEMS陀螺固连于底座上，独立的单通道线路组件以陀螺组件模块为中心立于整机四周，通过立柱与陀螺组件模块固连，避免陀螺信号通过长线传输带来干扰，母板组件、上罩位于整机结构顶部，为陀螺组件模块抵抗空间辐射，光学基准镜粘结于底座一端的基准镜安装面上，为卫星的安装提供基准；
[0006]MEMS陀螺包括三个正交陀螺和一个斜装陀螺，其中斜装陀螺与三个正交陀螺夹角相等，三个正交陀螺的输入轴两两相互垂直，分别与星体坐标系的XYZ轴平行，形成正交的XYZ测量坐标系，可测量出卫星沿滚动轴、俯仰轴和偏航轴的角速度分量，作为备份的斜装陀螺，其输入轴和与三个正交陀螺输入轴的夹角相等；
[0007]单通道线路组件包括侧壁和线路板，线路板紧固在侧壁上，线路板分为接口部和AD/DA转换部，两部分的信号通过挠性连接传输。
[0008]母板组件包括母板和个对外连接器，与母板组件连接的单通道线路组件将通道线路的传输信号汇聚到母板上，再通过焊接在母板上的个对外连接器输出给卫星。
[0009]所述的陀螺模块组件还包括橡胶减振器，用于MEMS陀螺与底座连接的减振，以抑制1000HZ以上的振动，并隔离MEMS陀螺之间的微振动干扰。
[0010]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0011](I)模块化的整机结构:整机结构按照通用化原则设计，整机采用3+1S陀螺配置方案，即三个正交陀螺和一个斜装陀螺，4通道陀螺安装在底座中间，4通道线路各自形成独立模块以陀螺为中心分布在四周，整机结构紧凑，避免陀螺信号通过长线传输带来的干扰。
[0012](2)镁合金材料底座:底座选用镁合金MB2材料，与铝合金相比，在强度和刚度基本相同的情况下，重量可减少约三分之一。
[0013](3) MEMS陀螺采用减振器安装:MEMS陀螺安装时采用真空橡胶(Zn_37)减振措施，抑制1000Hz以上的振动，可以改善MEMS陀螺的抗力学能力，并隔离4个MEMS陀螺之间的微振动干扰。
[0014](4)线路板间引线采用挠性连接:每通道线路板安装在铝合金材料的侧壁上，铝材侧壁有利于增强产品的抗辐射能力。MEMS陀螺控制电路板为8层PCB，其接口部分和AD/DA转换部分间采用挠性连接，有良好的安装工艺性。使得整机结构内部走线整洁、有序，避免了长距离引线造成的干扰，同时避免了连接线与机械结构的接触，提高产品可靠性。
【附图说明】
[0015]图1为本发明整机结构爆炸图；
[0016]图2为MEMS陀螺组件模块结构图；
[0017]图3为单通道线路组件结构图；
[0018]图4为母板组件结构图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明作进一步详细地描述:
[0020]如图1所示，本发明由镁合金底座1、MEMS陀螺4组成的陀螺组件模块位于整机中心，4块独立的单通道线路组件3以陀螺组件模块为中心立于整机四周，通过立柱2与陀螺组件模块固连，母板组件5、上罩6位于整机结构顶部，为陀螺组件抵抗空间辐射，光学基准镜7粘结于底座一端的基准镜安装面上，为卫星的安装提供基准。
[0021]如图2所示，MEMS陀螺组件模块由四个MEMS陀螺4、镁合金底座I和橡胶减振器8组成。四个MEMS陀螺4通过减振器8和螺钉与底座I固连。
[0022]如图3所示，单通道线路组件由铝合金侧壁31和线路板32组成，线路板32分为接口部分和AD/DA转换部，两部分的信号通过挠性连接33传输。线路板32通过螺钉固紧在侧壁31上。
[0023]如图4所示，母板组件由母板41和2个对外连接器42组成。与母板组件5连接的单通道线路组件3将通道线路的传输信号汇聚到母板41上，再通过焊接在母板41上的2个对外连接器42输出给卫星。
[0024]本发明整机采用3+1S陀螺配置方案，即三个正交陀螺和一个斜装陀螺，4个陀螺安装于底座中心，其中斜装陀螺与三个正交陀螺夹角相等，其夹角α = 54.73°。三个正交陀螺的输入轴两两相互垂直，分别与星体坐标系的XYZ轴平行，形成正交的XYZ测量坐标系，可测量出卫星沿滚动轴、俯仰轴和偏航轴的角速度分量。第四个陀螺为斜装式，其输入轴和与三个正交陀螺输入轴的夹角相等，在星体坐标系的X、Y、Z方向的方向余弦分别为0.5774，0.5774，0.5774，作为备份陀螺，保证整机有较高的可靠性和较长的使用寿命；四通道线路各自独立在MEMS陀螺四周，结构紧凑，避免陀螺信号通过长线传输带来的干扰。整机大小100 X 100 X 80mm，重量小于1kg，能够满足10kg及以下重量微型卫星的中等角速率测量精度需求，拓宽卫星应用领域，满足了卫星对惯性姿态敏感器小尺寸、轻型化的需求。
[0025]本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
【主权项】
1.一种一体化MEMS惯性姿态敏感器结构，其特征在于:包括底座(I)、立柱(2)、单通道线路组件(3)、MEMS陀螺(4)、母板组件(5)、上罩(6)、光学基准镜(7)，其中由底座(1)、MEMS陀螺(4)组成的陀螺组件模块位于整机结构中心，MEMS陀螺(4)固连于底座(I)上，独立的单通道线路组件(3)以陀螺组件模块为中心立于整机四周，通过立柱(2)与陀螺组件模块固连，避免陀螺信号通过长线传输带来干扰，母板组件(5)、上罩(6)位于整机结构顶部，为陀螺组件模块抵抗空间辐射，光学基准镜(7)粘结于底座(I) 一端的基准镜安装面上，为卫星的安装提供基准； MEMS陀螺(4)包括三个正交陀螺和一个斜装陀螺，其中斜装陀螺与三个正交陀螺夹角相等，三个正交陀螺的输入轴两两相互垂直，分别与星体坐标系的XYZ轴平行，形成正交的XYZ测量坐标系，可测量出卫星沿滚动轴、俯仰轴和偏航轴的角速度分量，作为备份的斜装陀螺，其输入轴和与三个正交陀螺输入轴的夹角相等，保证整机有较高的可靠性和较长的使用寿命。2.如权利要求1所述的一种一体化MEMS惯性姿态敏感器结构，其特征在于:单通道线路组件(3)包括侧壁(31)和线路板(32)，线路板(32)紧固在侧壁(31)上，线路板(32)分为接口部和AD/DA转换部，两部分的信号通过挠性连接(33)传输。3.如权利要求2所述的一种一体化MEMS惯性姿态敏感器结构，其特征在于:所述线路板(32)为8层PCB板。4.如权利要求1所述的一种一体化MEMS惯性姿态敏感器结构，其特征在于:母板组件(5)包括母板(41)和2个对外连接器(42)，与母板组件(5)连接的单通道线路组件(3)将通道线路的传输信号汇聚到母板(41)上，再通过焊接在母板(41)上的2个对外连接器(42)输出给卫星。5.根据权利要求1所述的一种一体化MEMS惯性姿态敏感器结构，其特征在于:所述的陀螺模块组件还包括橡胶减振器(8)，用于MEMS陀螺(4)与底座(I)连接的减振，以抑制100HZ以上的振动，并隔离MEMS陀螺(4)之间的微振动干扰。
【专利摘要】本发明公开了一种一体化MEMS惯性姿态敏感器结构，包括MEMS陀螺、独立线路组件、母板组件，整机采用三个正交陀螺和一个斜装陀螺，四个陀螺安装于底座中心，其中斜装陀螺与三个正交陀螺夹角相等，三个正交陀螺的输入轴两两相互垂直，第四个陀螺为斜装式，其输入轴和与三个正交陀螺输入轴的夹角相等。四通道线路各自独立在MEMS陀螺四周，结构紧凑，避免陀螺信号通过长线传输带来的干扰。
【IPC分类】G01C21/16
【公开号】CN104931050
【申请号】CN201510303047
【发明人】张沛勇, 李恺, 王峥, 李建朋, 刘吉利, 惠欣, 丁颖, 王晓玲
【申请人】北京控制工程研究所
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月4日