Микромеханический инерциальный измерительный модуль
Использование: в области измерительной техники, для измерения ускорений подвижных объектов, в частности, в инерциальных системах навигации. Сущность изобретения: Микромеханический инерциальный измерительный модуль содержит корпус, включающий основание и крышку, плату питания и настройки, плату преобразователей линейного ускорения, включающую электронный блок обработки информации и коммутационную плату, первый и второй микромеханические акселерометры, каждый из которых включает инерционную массу, емкостной датчик перемещения и датчик силы. Корпус выполнен герметичным, основание имеет выводы и стеклотаблетки, а крышка имеет цилиндрическую форму, торец и диаметр которой являются установочными поверхностями устройства. Плата питания и настройки расположена вне корпуса и смонтирована на выводах основания с зазором между платой и основанием. Плата преобразователей линейного ускорения установлена на основании и расположена внутри корпуса. Электронный блок обработки информации выполнен в виде аналоговой двухканальной микросхемы, реализованной в одном кристалле. Первый и второй микромеханические акселерометры установлены на плате преобразователей линейного ускорения так, что их измерительные оси взаимно перпендикулярны и расположены в плоскости платы 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения, и может найти применение в инерциальных системах подвижных объектов, в автопилотах авиа- и судомоделей, в системах безопасности транспортных средств.
Особенностью микромеханических инерциальных датчиков параметров движения является преимущественное изготовление этих устройств из материалов на основе кремниевой технологии, что определяет малые габариты и вес датчиков, возможность применения групповой технологии изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.
Известен микромеханический инерциальный измерительный блок [Патент РФ, №2058534, МКИ G01C 21/00, 1993], содержащий микромеханические чувствительные элементы, основание, электроды съема информации, при этом основание блока выполнено в виде параллелепипеда с базовыми плоскостями по его граням и внутренней плоскостью, электроды съема информации выполнены непосредственно на основании, а основание закреплено на подложке, содержащей микросборки сервисной электроники, в полости основания размещен источник тока, а на одной из плоскостей основания установлен датчик температуры.
Недостатками данного инерциального блока являются сложность конструкции, большие габариты и невысокая надежность измерений.
Известен также бесплатформенный инерциальный измерительный блок [Патент РФ, №2162203, МКИ G01C 21/00, приоритет от 13.03.2000 г.], содержащий микромеханические чувствительные элементы, размещенные на основании, закрепленном на подложке. Подложка выполнена в виде двухсторонней платы из диэлектрика, а основание - в виде правильной шестиугольной усеченной пирамиды, на боковых гранях которой размещены чувствительные элементы. Основание закреплено в центральной части подложки, а микросборки сервисной электроники установлены вокруг основания по периферии подложки и выполнены по тонкопленочной технологии.
Недостатком данного бесплатформенного измерительного блока являются большая масса и габариты устройства, а также сложная технология его изготовления.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является инерциальный измерительный блок [Dan Coskren, Tim Easterly and Robert Polutchko,
Draper Laboratory, Low-Cost GPS/INS Guidance for Navy Munitions, Launches. GPS World, September 2005], содержащий корпус, включающий основание и крышку, платы питания и настройки, плату преобразователей сигналов, включающую электронный блок обработки информации и коммутационную плату, микромеханические чувствительные элементы.
Особенностью конструкции стала компоновка элементов блока в цилиндрический столбик, имеющий восемь сантиметров в диаметре и девять сантиметров высотой.
Недостатком подобного устройства являются сравнительно большие габариты устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка универсального малогабаритного микромеханического инерциального измерительного модуля.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в микромеханическом инерциальном измерительном модуле, содержащем корпус, включающий основание и крышку, плату питания и настройки, плату преобразователей линейного ускорения, включающую электронный блок обработки информации и коммутационную плату, первый и второй микромеханические акселерометры, каждый из которых включает инерционную массу, емкостной датчик перемещения и датчик силы, корпус может быть выполнен герметичным, основание может иметь выводы и стеклотаблетки. Крышка может иметь цилиндрическую форму, торец и диаметр которой являются установочными поверхностями устройства. Кроме того, плата питания и настройки может быть расположена вне корпуса и смонтирована на выводах основания с зазором между платой и основанием. Плата преобразователей линейного ускорения может быть установлена на основании и расположена внутри корпуса. Электронный блок обработки информации может быть выполнен в виде аналоговой двухканальной микросхемы, реализованной в одном кристалле. Первый и второй микромеханические акселерометры могут быть установлены на плате преобразователей линейного ускорения так, что их измерительные оси взаимно перпендикулярны и расположены в плоскости платы.
При выполнении корпуса герметичным повышается надежность работы устройства. Форма крышки позволяет смонтировать микромеханические датчики с осями чувствительности, расположенными в разных плоскостях. Предлагаемое
решение позволяет уменьшить массогабаритные характеристики модуля, увеличить надежность его работы и сделать всю конструкцию более технологичной.
На чертеже представлена конструктивная схема микромеханического инерциального измерительного модуля.
Микромеханический инерциальный измерительный модуль содержит корпус, включающий основание 1 и крышку 2, плату питания и настройки 3, плату преобразователей линейного ускорения 4, включающую электронный блок обработки информации и коммутационную плату, первый микромеханический акселерометр 5, второй микромеханический акселерометр 6. Каждый из акселерометров включает инерционную массу, емкостной датчик перемещения и датчик силы. Основание 1 имеем выводы 7 и стеклотаблетки. Крышка 2 имеет цилиндрическую форму. Плата питания и настройки 3 расположена вне корпуса и смонтирована на выводах 7 основания 1 с зазором между платой 3 и основанием 1. Плата преобразователей линейного ускорения 4 установлена на основании и расположена внутри корпуса.
Первый и второй микромеханические акселерометры 5 и 6 установлены на плате 4, их измерительные оси расположены в плоскости платы 4 и взаимно перпендикулярны.
Предложенное устройство работает следующим образом. При действии линейного ускорения в направлении оси чувствительности каждого из двух микромеханических акселерометров инерционная масса отклоняется от своего исходного положения. Сигнал, снимаемый с емкостного датчика перемещений, преобразуется электронной схемой обработки сигналов и порождает возникновение электростатического момента, стремящегося возвратить инерционную массу в исходное установившееся положение. В установившемся состоянии сила инерции, действующая на инерционную массу, уравновешивается электростатическими силами датчика силы. Напряжение на выходе электронного блока обработки информации является выходным сигналом устройства.
Предложенная конструкция позволяет наиболее точно расположить модуль на подвижном объекте, выставить в нужное положение и зафиксировать его.
Реализация технического результата, полученного от использования предлагаемого изобретения, в конкретной конструкции обеспечила создание микромеханического инерциального измерительного модуля массой 30 г. Габаритные размеры модуля D=
32 мм, Н=5,5 мм.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известными того же назначения позволяет обеспечить необходимый технический результат, заключающийся в существенном уменьшении массогабаритных характеристик и упрощении обеспечения привязки измерительных осей микромеханических датчиков параметров движения.
1. Микромеханический инерциальный измерительный модуль, содержащий корпус, включающий основание и крышку, плату питания и настройки, плату преобразователей линейного ускорения, включающую электронный блок обработки информации и коммутационную плату, первый и второй микромеханические акселерометры, каждый из которых включает инерционную массу, емкостной датчик перемещения и датчик силы, отличающийся тем, что корпус выполнен герметичным, основание имеет выводы и стеклотаблетки, а крышка имеет цилиндрическую форму, торец и диаметр которой являются установочными поверхностями устройства.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плата питания и настройки расположена вне корпуса и смонтирована на выводах основания с зазором между платой и основанием.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плата преобразователей линейного ускорения установлена на основании и расположена внутри корпуса.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электронный блок обработки информации выполнен в виде аналоговой двухканальной микросхемы, реализованной в одном кристалле.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй микромеханические акселерометры установлены на плате преобразователей линейного ускорения так, что их измерительные оси взаимно перпендикулярны и расположены в плоскости платы.
