一种微小型惯性测量单元的实现方法技术

本发明专利技术公开了一种微小型惯性测量单元的实现方法，包括三块LTCC框架基板，分别是X方向基板、Y方向基板和Z方向基板；Y方向基板与X方向基板宽度相同，Y方向基板与Z方向基板长度相同；Y方向基板反面的中间位置设置一条沿宽度方向走向的焊盘；Z方向基板正面制作用于与X、Y方向基板焊接的焊盘；焊接在一起的X方向基板和Y方向基板再焊接至Z方向基板上。采用LTCC工艺制作的基板，既是器件互连电路板又是惯性传感器安装支撑板，省去了传统的金属框架，减小了体积、减轻了重量；信号传输不需要互连导线，器件的组装和系统安装使用回流焊工艺，降低了组装的难度和复杂度，提高了系统的可靠性；芯片集中分布，减小了杆臂效应的影响。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，包括三块LTCC框架基板，分别是X方向基板、Y方向基板和Z方向基板；Y方向基板与X方向基板宽度相同，Y方向基板与Z方向基板长度相同；Y方向基板反面的中间位置设置一条沿宽度方向走向的焊盘；Z方向基板正面制作用于与X、Y方向基板焊接的焊盘；焊接在一起的X方向基板和Y方向基板再焊接至Z方向基板上。采用LTCC工艺制作的基板，既是器件互连电路板又是惯性传感器安装支撑板，省去了传统的金属框架，减小了体积、减轻了重量；信号传输不需要互连导线，器件的组装和系统安装使用回流焊工艺，降低了组装的难度和复杂度，提高了系统的可靠性；芯片集中分布，减小了杆臂效应的影响。【专利说明】
本专利技术涉及，属于电路
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技术介绍
惯性测量单元是由三个加速度传感器和三个角速率传感器(陀螺)所组成六自由度的惯性测量装置，可感测运动体三个旋转方向的角速率和三个直线运动方向的加速度，进而解算出运动物体的姿态角度，广泛应用在飞行器、机器人、工业设备、平台稳定、船舶、辅助GPS导航等领域。 随着微型制造技术和MEMS技术发展，新一代微型MEMS陀螺仪和MEMS加速度计迅速发展起来，为微小型测量单元的设计和研制提供了有力支持，现有的微小型惯性测量单元的研究，主要集中在器件的选择或研制以及电路的集成和开发上，而微小型惯性测量单元的结构设计却还停留在传统惯性测量单元的设计方法上，传统方式通常为机械加工正交结构框架，把焊接好MEMS加速度计和MEMS陀螺的PCB印制板按照相互垂直的方向固定在结构框架上，使用互连导线与导航系统连接，这种方式造成其体积和重量较大，而且安装工序较多，同时引入的安装误差也较大，无法兼顾导航控制系统体积小、精度高等需求。 现有的微小型惯性测量单元的结构设计沿用了传统的结构设计，主要存在以下缺占- ^ \\\.(1)金属框架结构过于笨重，增加了微小型惯性测量单元重量，不利于突破小型化运载体承载能力有限的约束，同时也严重限制了小型运载体的进一步小型化、轻型化的发展；(2)微小型惯性测量单元的体积过大，不利于突破小型化运载体内部空间有限的约束，严重限制了小型运载体的进一步轻型化的发展；(3)各传感器板与信号处理板之间以导线相连，可靠性低，组装安装工序多，复杂度高。 LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic,低温共烧陶瓷)技术是设计制造高密度多层网络连接的一种先进技术，LTCC多层基板是由印制有导电图形和互连通孔的多层生瓷片经过层压烧结而形成的一种多层陶瓷的互连结构。这种多层陶瓷互连基板可以增加布线密度，缩短互连导线长度，从而提高组装密度和信号传输速度，可以有效的克服以上缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的:设计基于LTCC工艺的微小型惯性测量单元，克服现有技术的不足，解决现有方案互连线多，体积大，可靠性低等问题，满足个人导航、微小型飞行器的使用要求。 实现本专利技术目的的技术解决方案为:，其特征是， 包括三块LTCC工艺制作的框架基板，分别是X方向基板、Y方向基板和Z方向基板；Y方向基板与X方向基板宽度相同，Y方向基板与z方向基板长度相同；Y方向基板反面的中间位置设置一条沿宽度方向走向的焊盘，用于与X方向基板的焊接，使X方向基板和Υ方向基板焊接形成相互垂直的“丁”字形；Ζ方向基板正面制作用于与x、Y方向基板焊接的焊盘，其中，与Υ方向基板相焊接的一排焊盘设置在ζ方向基板正面的一条沿长度方向走向的中心线上，而与X方向基板相焊接的另一排焊盘设置在另一条沿宽度方向走向的中心线上；焊接在一起的X方向基板和Υ方向基板再焊接至ζ方向基板上。 X方向的基板正面安装有一加速度计，反面安装有一陀螺仪，Υ方向基板正面安装有一加速度计和陀螺仪；Ζ方向基板上包括加速度计、陀螺仪和信号处理器在内的所有的器件均安装在Ζ方向基板的正面；Υ方向基板与X方向基板焊接时，X方向基板安装有加速度计的正面朝向Υ方向基板上的加速度的一端；焊接在一起的X方向基板和Υ方向基板再焊接至ζ方向基板上时，X方向基板安装有加速度计的正面朝向Ζ方向基板上的加速度计。 X方向基板、Υ方向基板和Ζ方向基板上的所有的器件均采用回流焊的方式焊接。 在X方向基板的与Υ方向基板同宽的侧边和底边缘制作弯角焊盘，即在基板的边缘和侧边缘均附着金属焊盘，弯角焊盘分别用于与Υ和ζ方向基板的焊接。使用弯角焊盘可以使两个基板焊接强度更高，同时可以保证X方向基板和Υ方向基板的垂直度。 Υ方向基板与Ζ方向基板长度相同的一条长底边上设置弯角焊盘，用于和Ζ方向基板的焊接。χ、γ、ζ方向的基板既作为陀螺和加速度计的线路板，又是三轴正交的支撑结构。按照前述方案组装的三个加速度计位于以惯性测量单元的中心为原点的正交空间内，三个加速度计间距小，可以减小测量时的杆臂效应。 Ζ方向基板的四个侧边设置用于与微小型运载器导航制导板焊接的弯角焊盘，使惯性测量单元可以作为一个器件，采用相同的回流焊工艺与运载器导航制导板上的其他器件组装在一起，不用外引线，减少了导航制导板的复杂度。 本专利技术所达到的有益效果:(1)采用LTCC工艺制作的基板，既是器件互连电路板又是惯性传感器安装支撑板，省去了传统的金属框架，既减小了系统的体积又减轻了系统的重量。 (2)相对于传统设计，整个惯性测量单元的信号传输不需要互连导线，器件的组装和系统安装都可以使用回流焊工艺完成，降低了组装的难度和复杂度，提高了系统的可靠性。 (3)合理安排了惯性测量单元的MEMS加速度计在各个板上的分布位置，使芯片集中分布，减小了杆臂效应的影响。 【专利附图】【附图说明】 图1 X方向的基板正面安装示意图；图2 X方向的基板反面安装不意图； 图3Y方向的基板正面安装示意图；图4Υ方向的基板反面安装不意图；图5Ζ方向的基板正面安装示意图；图6Ζ方向的基板反面安装示意图。 【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。 本专利技术中的微型惯性测量单元采用三个单轴MEMS加速度计和三个单轴MEMS陀螺仪作为惯性传感器，信号处理器采用DSP处理器芯片。 本专利技术中的微型惯性测量单元采用LTCC工艺制作框架基板，此基板既是测量单元的电路板又是陀螺和加速度计的支撑结构。 本专利技术中的微型惯性测量单元包含三块LTCC基板，分别是X方向基板，Υ方向基板和Ζ方向基板。X方向的惯性传感器及其外围电路安装至X方向基板，Υ方向的惯性传感器及其外围电路安装至Υ方向基板，Ζ方向的惯性传感器及其外围电路、测量单元的信号处理器及外围电路安装至ζ方向基板。所有的器件均采用回流焊的方式焊接至各个LTCC基板。 X方向的基板安装示意图如图1、图2所示，基板为多层LTCC材料。加速度计安装在正面，如图1所示，陀螺仪安装在反面，如图2所示。在基板的长底边和侧边制作弯角焊盘，长底边焊盘用于和Ζ方向基板焊接、侧边焊盘用于和Υ方向基板焊接。 Υ方向基板正面安装示意图如图3所示，反面示意图如图4所示。Υ方向基板与X方向基板层数和宽度相同，长度与Ζ方向基板相同，加速度计和陀螺仪安装在正面，其他电阻、电容等器件安本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微小型惯性测量单元的实现方法，其特征是，包括三块LTCC工艺制作的框架基板，分别是X方向基板、Y方向基板和Z方向基板；Y方向基板与X方向基板宽度相同，Y方向基板与Z方向基板长度相同；Y方向基板反面的中间位置设置一条沿宽度方向走向的焊盘，用于与X方向基板的焊接，使X方向基板和Y方向基板焊接形成相互垂直的“丁”字形；Z方向基板正面制作用于与X、Y方向基板焊接的焊盘，其中，与Y方向基板相焊接的一排焊盘设置在Z方向基板正面的一条沿长度方向走向的中心线上，而与X方向基板相焊接的另一排焊盘设置在另一条沿宽度方向走向的中心线上；焊接在一起的X方向基板和Y方向基板再焊接至Z方向基板上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄艳辉，董冀，鞠莉娜，
申请(专利权)人：中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心，
类型：发明
国别省市：江苏;32