大过载高动态应用环境下的层叠式微惯性测量单元的制作方法

本发明涉及微惯性测量单元的结构与力学防护设计技术领域，具体地涉及一种大过载高动态应用环境下的层叠式微惯性测量单元。

背景技术：

随着半导体技术的发展，mems（微机电系统）技术由于其微型化、低成本以及高可靠性等特点，广泛地应用在无人机，制导弹药、稳定平台等军事领域。而基于mems技术的微惯性测量单元作为测量载体动态数据的传感器系统，具有精度高、体积小、环境适应性强、成本低等优点，可应用于大过载、高动态等恶劣环境。微惯性测量单元通过内部集成的mems惯性传感器进行运动感知，其测量原理是：传感器内部硅微机械结构的运动与相对位移产生可供检测电学信号，专用集成电路对该电学信号进行处理，对外输出模拟或者数字量，从而感知载体的运动信息。

微惯性测量单元作为载体运动状态的检测装置，需满足六自由度的惯性参数测量需求，通常采用惯性传感器正交装配实现其敏感轴向的六自由度测量。由于mems惯性传感器的硅微机械结构设计原理，在侧向竖直安装情况下，承受过载冲击能力较弱。并且在大过载、高动态环境下，微惯性测量测量单元会承受极大的传递应力与高频振动，均会对系统功能造成影响甚至失效。因此针对恶劣应用环境下的可靠性，需对微惯性测量单元的系统方案进行优化与环境防护设计。并且为了降低机械加工、装配等误差，同时保证系统可靠性与配合强度，微惯性测量单元尽量避免多零件的拼接组装设计。现有的一些做法及存在的缺陷如下：

公告号cn110017835a的发明专利《惯性测量单元及应用该惯性测量单元的可移动装置》提出了一种具有恒温加热功能的惯性测量单元与应用该惯性测量单元的可移动装置。该惯性测量单元内部采用高导热率的框架结构，利用加热源产生热量对框架内嵌电路板进行加热，通过多传感器感知系统实时温度，内部隔热板与胶套维持系统预设温度。该方案通过特殊的结构与导热路径设计，保证系统在工作时处于恒温状态，减低系统的温度漂移，提升系统性能。该设计主要针对惯性测量单元的温度特性进行系统环境优化设计，未对大过载、高动态应用环境进行特殊防护。

公告号cn105352501a的发明专利《模块化、可扩展型mems惯性测量单元》提出了一种敏感模块正交装配与正方体框架，内部叠层计算机模块的可扩展型mems惯性测量单元。该方案将四个敏感模块通过螺钉竖直装配与正方支架四个侧框，两个敏感模块与计算机模块水平装配于正方体支架内部，通过单头螺柱实现互连支撑。该惯性测量单元内部紧凑，模块化与灵活性程度较高，系统可配置性好。但由于正方体支架内部层叠三个模块，内部空间十分有限，且敏感模块存在竖直与水平安装，因此敏感模块与计算机模块的信号连接将提高该惯性测量单元的装配复杂程度。

公告号cn104296746a的发明专利《一种新型微惯性测量单元》提出了一种可将mems加速度计、mems陀螺仪与安装基座进行同一平面或者平行叠层焊接装配的微型惯性测量单元组合。该发明选择不同敏感结构的mems加速度计与mems陀螺仪，使其惯性测量轴向水平或垂直与传感器焊接平面，从而满足六自由度的惯性参数测量需求。此方案避免惯性传感器的正交装配，空间利用率大，系统集成度较高，抗过载能力强。但是其未对大过载、高动态应用环境进行特殊防护。

公告号cn107966144a的发明专利《一种基于mems传感器的惯性测量组合的装配体结构》提出一种通过安装基座实现mems惯性传感器三轴正交安装的装配体结构方案。安装基座结构近似六面体，顶面与侧面安装mems传感器，底面安装陀螺信号处理电路。安装基座预留走线槽，信号线经绑扎形成线束并对外引出。该方案将信号转换电路至于基座底部密闭腔体，实现物理隔离，减少信号干扰。但该装配体结构较为复杂，加工难度大，且内部信号传输采用导线方式,增加装配流程。

公告号cn105922836a的发明专利《可调阻尼的抗冲击微型惯性测量单元》提出了一种由外部壳体、惯性装配体、减振器以及密封垫组成的微惯性测量单元。其中外部壳体与密封垫形成密闭空间，惯性装配体通过减震器悬挂于密闭壳体中，内部空气性高阻尼弹性体。下壳体内表面设有凸起止挡结构，可调节系统抗冲击性能。减震器包含的减振橡胶上下表面具有均匀凹槽，可控制减震器谐振频率。该方案抗冲击与减振性能可根据应用环境进行调整，灵活度较高，多种阻尼设计利于振动隔离。但该方案惯性器件的敏感轴向与微型惯性测量单元的轴向存在一定角度，需通过系统补偿进行比例尺调整，增加了系统误差。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供了一种大过载高动态应用环境下的层叠式微惯性测量单元，微惯性测量单元采用叠层式设计，将所有的惯性传感器进行平面安装，提升了系统抗大过载能力，系统内部电子部件均采用特殊设计的弹性体支撑材料进行叠层装配，实现了微惯性测量单元在大过载高动态环境下的力学防护。

本发明的技术方案是：

一种大过载高动态应用环境下的层叠式微惯性测量单元，包括至少两块电路板，所述电路板上设置有至少一种惯性传感器，所述电路板间通过弹性支撑结构叠层固定，所述弹性支撑结构包括固定部和弹性部，所述弹性部由弹性材料制成，所述电路板间通过柔性导带连接器进行电气互联，所述柔性导带连接器包括柔性导带，所述柔性导带的长度大于电路板之间的间距。

优选的技术方案中，所述弹性材料的材料参数根据应用环境进行设计，保证在承受大过载阶段，弹性部的形变处于弹性区间。

优选的技术方案中，计算弹性材料的阻尼特性与系统固有频率，使得弹性材料的阻尼特性与系统固有频率不一致。

优选的技术方案中，所述固定部通过镶嵌式结构与弹性部连接，通过粘胶进行固连。

优选的技术方案中，所述弹性支撑结构为圆台结构，所述固定部设置有螺纹。

优选的技术方案中，所述述柔性导带连接器还包括金手指焊盘结构和塑料体结构，所述柔性导带两端引出内部走线铜箔，通过增厚形成一定强度的金手指焊盘，将金手指焊盘与部分柔性导带进行注塑，得到塑料体结构。

优选的技术方案中，控制电路板通过柔性导带连接器连接至电气结构接插件。

优选的技术方案中，所述层叠式微惯性测量单元的外围设置有金属壳体，所述金属壳体包括方形套筒与平面底座，所述方形套筒与平面底座每侧具有安装法兰。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明系统内部电子部件均采用特殊设计的弹性体支撑材料进行叠层装配，实现了微惯性测量单元在大过载高动态环境下的力学防护，且电路板之间通过柔性导带进行信息互联，保证了电气接口的可靠性。同时该层叠结构与信息互联方式，使微惯性测量单元功能具备灵活性与可拓展性。

2、微惯性测量单元采用叠层式设计，将所有的惯性传感器进行平面安装，使得微惯性测量单元在承受大过载状态下，惯性传感器硅微敏感结构的运动方向与过载方向非重合，提升了系统抗大过载能力。电路板支撑结构采用一定强度的弹性体材料，使其通过形变缓解大过载冲击与高频振动，电路板之间的机械连接采用同种方式，可衰减过载与振动的传递。设计弹性支撑结构的材料特性，使其在承受大过载的过程中，材料处于弹性变形区间，保证大过载冲击阶段结束后，微惯性测量单元的传感器电路板可回归至初始位置。由于支撑结构采用弹性材料，在外界振动传递至微惯性测量单元结构内部，电路板由于其本身惯性会压缩或者拉伸弹性支撑结构，减少由振动引起的位移，起到衰减振动的作用。这种情况会造成电路板间的间距发生一定变化，电路板采用传统线束的电气互联方式会造成线束在电路板之间移动撞击，对输出信号产生极大的噪声，影响系统功能；采用接插件互联的方式，振动会对电路板之间对插强度与可靠性造成影响。本发明采用柔性导带的电气互联方式，导带长度略长于电路板之间的间距，使得电路板间距被压缩或者拉伸的状态下，电气互联保持牢固可靠。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的微惯性测量单元示意图；

图2是本发明微惯性测量单元系统示意图；

图3为本发明微惯性测量单元叠层设计示意图；

图4为本发明一种实施例的弹性支撑结构设计示意图；

图5为图4的连接结构示意图；

图6为本发明另一种实施例的弹性支撑结构设计示意图；

图7为图6的连接结构示意图；

图8为本发明柔性导带连接器的整体结构示意图；

图9为本发明柔性导带连接器去掉注塑后的结构示意图。

1：方形套筒、2：平面底座、3：电路板锁紧件、41：上部弹性支撑结构、411：上端金属外螺纹结构、412：弹性阻尼材料结构、413：下端金属外螺纹结构、42：中部弹性支撑结构、421：上端金属内螺纹结构、422：弹性阻尼材料结构、423：下端金属外螺纹结构、43：下部弹性支撑结构、431：上端金属内螺纹结构、432：弹性阻尼材料结构、433：下端金属外螺纹结构、5：加速度计电路板、51：x轴加速度计、52：y轴加速度计、53：z轴加速度计、6：陀螺仪电路板、61：x轴陀螺仪、62：y轴陀螺仪、63：z轴陀螺仪、7：控制电路板、71：控制芯片、8：柔性导带连接器、801：金手指焊盘、802：塑性结构、803：柔性导带、9：电气结构接插件、10：凹槽、11：通孔、12：凸块、13：延伸部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，本发明设计的叠层式微惯性测量单元，外部金属壳体采用高强度超硬铝，以方形套筒1与平面底座2的形式进行配合。方形套筒1与平面底座2每侧具有安装法兰，并根据装配结构分别设有螺纹孔与圆通孔，实现微惯性测量单元的系统装配与位于载体安装平面的定位安装。

大过载高动态应用环境下的层叠式微惯性测量单元，包括至少两块电路板，电路板上设置有至少一种惯性传感器，电路板间通过弹性支撑结构叠层固定，弹性支撑结构包括固定部和弹性部，弹性部由弹性材料制成，电路板间通过柔性导带连接器进行电气互联，柔性导带连接器包括柔性导带，所述柔性导带的长度大于电路板之间的间距。

如图2、3所示，本实施例以三块电路板为例进行说明，包括控制电路板7、加速度计电路板5与陀螺仪电路板6。控制电路板7上设置有控制芯片71，加速度计电路板5上设置有x轴加速度计51，y轴加速度计52，z轴加速度计53，陀螺仪电路板6上设置有x轴陀螺仪61，y轴陀螺仪62，z轴陀螺仪63。

平面底座2内部通过螺纹孔固定下部弹性支撑结构43，下部弹性支撑结构43包括上端金属内螺纹结构431、弹性阻尼材料结构432、下端金属外螺纹结构433，下部弹性支撑结构43近似为两层圆台结构，如图6、7所示，下层圆台为金属材料并设有外螺纹，与平面底座2进行锁紧配合；上层圆台包含弹性材料且顶面设有金属结构内螺纹，与中部弹性支撑结构42进行配合，固定控制电路板7。上端金属内螺纹结构431和下端金属外螺纹结构433通过镶嵌式结构与弹性阻尼材料结构432连接，如图7所示，通过粘胶进行固连，镶嵌式结构设计增大粘接面，使装配牢固，提高可靠性。

中部弹性支撑结构42与下部弹性支撑结构43相同，如图6、7所示，包括上端金属内螺纹结构421、弹性阻尼材料结构422、下端金属外螺纹结构423，中部弹性支撑结构42与上部弹性支撑结构41进行配合，固定陀螺仪电路板6，上部弹性支撑结构41包括上端金属外螺纹结构411，弹性阻尼材料结构412，下端金属外螺纹结构413，如图4、5所示，上部弹性支撑结构41与电路板锁紧件3固定加速度计电路板5。上端金属外螺纹结构411和下端金属外螺纹结构413通过镶嵌式结构与弹性阻尼材料结构412连接，然后通过粘胶进行固连。

镶嵌式结构的一种较佳的实施例，如图5所示，弹性阻尼材料结构412为圆台结构，两端设置有凹槽10，中部设置有通孔11，上端金属外螺纹结构411和下端金属外螺纹结构413的中部设置有与通孔11配合的凸块12，边缘设置有向下延伸的延伸部13，延伸部13与凹槽10卡扣配合。

弹性阻尼材料结构采用弹性材料制成，例如硬质硅橡胶或者聚氨酯材料，由于硬质硅橡胶或者聚氨酯材料相关材料参数范围较广且组份不同特性不同，在此不列举详细参数。弹性材料根据微惯性测量单元的应用环境，设计其材料参数，保证在承受在大过载阶段，支撑结构的形变处于弹性区间。同时考虑其阻尼特性与系统固有频率，衰减工作状态下外界传入的高频振动，并避开载体系统的谐振频率，提升微惯性测量单元的可靠性。

电路板之间设计柔性导带连接器8，实现电路板之间的信号互联。如图8和9所示，柔性导带连接器8采用设有金手指焊盘的塑料体结构，中间采用聚酰亚胺(pi)或其他高可靠性基材的柔性导带，柔性导带连接器8包括金手指焊盘801、塑性结构802、柔性导带803。柔性导带803两端引出内部走线铜箔，通过增厚形成一定强度的金手指焊盘801，利用特殊设计的模具将金手指焊盘801与部分柔性导带803进行注塑，建立塑料体结构802，从而实现电气互联作用的柔性导带连接器8。微惯性测量单元电气接口同样采用柔性导带进行连接，由控制电路板7引出，通过柔性导带连接器8连接至电气结构接插件9。微惯性测量单元的加速度计电路板5与陀螺仪电路板6的结构相同，信号接口在电路板内的相对位置相同，通讯方式相同，如spi,iic等，实现与控制电路板7的等位连接与按需装配。如系统功能需求为六轴微惯性测量单元，则按照标准结构：控制电路-陀螺仪电路-加速度计电路由下向上叠层装配，实现功能；如系统功能需求为三（两）轴加速度计，则去除陀螺仪电路，按照控制电路与-加速度计电路由下向上叠层装配；如系统功能需求为三（两）轴陀螺仪，则去除加速度计电路，按照控制电路与-陀螺仪电路由下向上叠层装配。如需拓展测量功能，可按照现有信号接口进行电路板设计，如增加地磁、倾角仪电路板等。也可对控制电路板进行功能延伸，增加导航模块，使微惯性测量组件改造为微惯性导航组件。

由于系统内部电子部件均采用特殊设计的弹性体支撑材料进行叠层装配，实现了微惯性测量单元在大过载高动态环境下的力学防护，且电路板之间通过柔性导带进行信息互联，保证了电气接口的可靠性。同时该层叠结构与信息互联方式，使微惯性测量单元功能具备灵活性与可拓展性。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。