一种用于硅微陀螺仪的抗振动电路板设计方法技术领域
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：
一种用于硅微陀螺仪的抗振动电路板设计方法，将陀螺芯片安装于电路板
上，然后再整体固定安装到陀螺仪金属外壳中，其特征是，通过增加电路板的
厚度以及减小电路板与外壳之间固定连接件相对于陀螺芯片的等效距离，提高
电路板固有频率。
采用质量块-弹簧-阻尼集中参数模型来近似硅微陀螺仪内陀螺芯片、电路
板、外壳之间的连接固定方式，将电路板等效为三部分，mpcb1和mpcb3为电路板
锚定到陀螺仪外壳的等效质量，mpcb2为连接陀螺芯片的等效电路板质量；
由于电路板质量mpcb正比于电路板厚度h，即
mpcb∝h
若将电路板等效为四周固定的薄板结构，其刚度kpcb正比于电路板厚度h的
三次方，即
kpcb∝h3
因此电路板固有频率fpcb近似正比于电路板厚度，
f p c b = 1 2 π k p c b m p c b ∝ h 3 h = h ]]>
所以通过增加电路板厚度h提高电路板固有频率fpcb。
由连接件穿过电路板上的连接孔将电路板固定到陀螺仪金属外壳中；电路
板等效为四周固定的薄板结构模型中，电路板刚度kpcb随薄板半径r减小而增大，
因此电路板固有频率fpcb随薄板半径r减小而增大。
所以通过减小电路板与外壳之间固定连接件相对于陀螺芯片的等效距离r，
可以提高电路板固有频率fpcb。
本发明所达到的有益效果：
采用本专利提出的方法，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，具有成本低、研制周期短的优点。同
时该方法不显著增加硅微陀螺仪的体积、重量、成本，且易于实现。
附图说明
图1为硅微陀螺仪装配结构俯视示意图。
图2为硅微陀螺仪装配结构剖视图示意图。
图3为硅微陀螺仪装配结构弹簧－阻尼－质量块集中参数等效模型。
图4为增加电路板厚度的陀螺仪装配结构剖视图示意图。
图5为调整电路板固定位置的陀螺仪装配结构俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明
本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
通常硅微陀螺仪的装配是将陀螺芯片1安装于电路板2上，然后再整体固
定安装到陀螺仪金属外壳3中，通过固定螺钉4固定，如图1、图2所示。
安装硅微陀螺仪芯片1及芯片外围阻容芯片5的电路板2尺寸约厘米量级，
电路板2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。因此需要提高电路板的固有频率。
可以采用质量块-弹簧-阻尼集中参数模型来近似硅微陀螺仪内陀螺芯片、电
路板、外壳之间的连接固定方式，如图3所示。由于电路板的杨氏模量较小，
较其他部分易于发生形变，因此将电路板等效为三部分，mpcb1和mpcb3为电路板
锚定到陀螺仪外壳的等效质量，mpcb2为连接陀螺芯片的等效电路板质量。kpcb2
为电路板连接到陀螺芯片的等效刚度，其小于电路板锚定到陀螺仪外壳的等效
刚度kpcb1和kpcb3。
本专利提出了一种简单、有效的通过提高电路板固有频率来抑制外界环境
噪声的方法。通过增加电路板2厚度，同时调整电路板2上安装的固定螺钉4
的螺孔41的位置，可以实现提高电路板固有频率，使陀螺芯片1、电路板2、
外壳3组成的系统频率远高于2kHz，进而达到降低外界环境随机振动对陀螺输
出信号干扰的目的，如图4所示。由于电路板质量mpcb正比于电路板厚度h，即
mpcb∝h
若将电路板等效为四周固定的薄板结构，其刚度kpcb正比于电路板厚度h的
三次方，即
kpcb∝h3
因此电路板固有频率fpcb可近似正比于电路板厚度，
f p c b = 1 2 π k p c b m p c b ∝ h 3 h = h ]]>
故增加电路板厚度h可以提高电路板固有频率fpcb。
通过以及减小电路板与外壳之间固定连接件相对于陀螺芯片的等效距离，
可以更进一步的提高电路板的固有频率。
图5为一种调整电路板固定位置的示意图，将电路板2固定到外壳3的螺
孔41位置由电路板的四个顶角附近调整到电路板各边的中点附近后，从陀螺芯
片的角度，电路板等效的薄板半径减小了，因此电路板的谐振频率可以得到进
一步的提高，进而更加高于2kHz的低频随机振动频率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通
技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变
形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。