[发明专利]一种用于硅微陀螺仪的抗振动电路板设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子领域，具体涉及一种用于硅微陀螺仪的抗振动电路板设计方法。

背景技术

硅微陀螺仪具有体积小、质量轻、价格低廉的特点，可广泛的应用于消费类电子产品、工业现场、车辆检测等诸多领域。

硅微陀螺仪内含可动质量块，其通过哥式效应(Corioliseffect)测量检测轴向的角速度信号。当检测轴向存在输入角速度信号时，可动质量块将在敏感轴向上产生谐振，通过检测可动质量块与固定微结构之间间距变化，即可反推测算出输入角速度信号。

通常硅微陀螺仪芯片安装于电路板(PCB)上，然后整体安装固定到陀螺仪外壳中。电路板实现芯片与外界的电气连接，同时还起到固定陀螺芯片的作用，为其提供可靠的机械连接。

然而由于硅微陀螺仪芯片固定于电路板上，电路板通过外壳与被测物体连接。被测物体上的机械振动都将被传递到陀螺芯片的可动质量块上。因此外界环境振动也将导致陀螺可动质量发生振动，进而导致陀螺仪内敏感检测电容容值发生变化，产生误差信号。

外界环境的随机振动频率一般在2kHz范围内，而硅微陀螺仪内电路板尺寸约厘米量级，电路板固有振动频率接近或位于环境低频随机振动频率范围内。电路板会放大外界环境振动，形成共振。因此需提高电路板的固有振动频率，使之远高于2kHz的低频随机振动频率范围。

体积小、质量轻、价格低廉是硅微陀螺仪较其他类型陀螺仪的优势。虽然采用隔振器可以减小甚至消除环境振动对硅微陀螺仪性能的影响，但其存在体积大、质量重的缺点，不符合硅微陀螺仪应用场合的要求。

发明专利《用于表面贴装振动敏感装置的减振和热隔离系统》提出在电路板与表面贴装器件之间放置具有导电纤维材料的弹性体材料。其提出的弹性体材料允许信号和电流在表面贴装装置和电路板之间流动而不使用任何附接的电线或导线，与此同时弹性体材料减小了传递到贴片装置的振动。虽然该发明提出的方法实现了表面贴装器件的减振和隔热，但该方法不适用硅微陀螺仪，其原因在于若采用该方法，则弹性体材料会降低陀螺仪芯片的支撑刚度，进而会进一步降低陀螺仪和电路板整体系统的固有谐振频率，陀螺受低频随机振动的影响将更为恶劣。

实用新型专利《一种控制器PCB板垫片减振结构》提出一种PCB减振结构，其设计PCB四个角都通过上、下两层垫片夹于上、下壳体之间，通过对应螺孔进行定位，螺栓进行紧固。该结构简单，易于装配，成本低，可以承受多方向载荷，吸收冲击和高频振动。但该减振方法降低了电路板系统的整体固有谐振频率，因此该方法不适用于硅微陀螺仪的低频减振。

发明专利《一种改善低频特性的振动冲击复合传感器》提出通过传感器底座与机器高刚度连接耦合和通过柔性PCB对传感器内部谐振器件和电缆的低刚度连接，解决了传感器底座没有与机器高刚度连接而传感器内部由于连接电缆具有较高刚度所致的频率响应问题。但该方法主要针对轨道交通、风力发电等领域故障诊断所需求的振动传感器，不易应用于体积(一般为几十立方厘米或更小)和重量(一般为三百克以内)要求苛刻的微型传感器中。且该方法实现的低频响应仅达几百赫兹，不能满足硅微陀螺仪抗2kHz以内随机振动的要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本专利提供一种用于硅微陀螺仪的抗振动电路板设计方法。

由于实际使用中，外界环境存在不可避免的随机振动，随机振动频率一般在2kHz范围内，而用于安装硅微陀螺仪芯片的电路板尺寸约厘米量级，电路板固有振动频率接近或位于低频环境随机振动频率范围内，电路板会放大外界环境振动，形成共振。因此需要采取适当措施，减小或消除环境振动对硅微陀螺仪的影响。

硅微陀螺仪与其他类型陀螺仪相比的优点在于体积小、质量轻、价格低廉、可大批量生产，因此硅微陀螺仪的减振措施需要具备不显著增加硅微陀螺仪的体积、重量、成本，且易于实现的特点。

通过不同技术途径均可实现硅微陀螺仪减振。改进硅微陀螺仪敏感结构设计，如提高敏感结构固有频率，敏感结构差模输出；优化硅微陀螺仪电路设计，如增加滤波器；改进硅微陀螺仪封装和组装方式，如采用减振装配结构。这些方法均可以不同程度的减小环境随机振动对陀螺仪的影响。

改进陀螺仪敏感结构和检测电路增加滤波设计，均需要重新进行陀螺仪敏感结构和检测电路设计、仿真计算，并重新加工，导致设计周期和研发成本大幅提高。而改进硅微陀螺仪组装方式，不需要修改已完成的陀螺仪敏感结构和检测电路，仅通过改进硅微陀螺仪电路板即可实现硅微陀螺仪减振，是一种简单、有效的方法。

本发明采用的技术方案为：