电子陀螺仪原理与构造

1HighlyIntegratedNanotechnologyMEMS陀螺仪传感器产业探究目录：一、MEMS陀螺仪市场现状..........................................................................................2第一节、MEMS主要厂家产品资料汇总...............................................................2第二节、MEMS在我国的产业现状.......................................................................2二、MEMS陀螺仪介绍..................................................................................................3第一节、什么是微机械（MEMS）？....................................................................3第二节、微机械陀螺仪（MEMSgyroscope）的工作原理................................3第三节、微机械陀螺仪的结构............................................................................4三、MEMS技术的加工工艺..........................................................................................6第一节、体加工工艺............................................................................................6第二节、硅表面微机械加工技术........................................................................7第三节、结合技术................................................................................................7第四节、逐次加工................................................................................................8第五节、LIGA工艺...............................................................................................8第六节、THEMLA工艺流程...................................................................................9四、基于DSP的MEMS陀螺仪信号处理平台设计.....................................................9第一节、MEMS陀螺仪信号处理平台的硬件结构...............................................9第二节、MEMS陀螺仪信号处理平台系统任务分析.........................................10第三节、MEMS信号处理平台软件设计方案.....................................................11五、基于GPS的汽车导航系统的设计与实现.........................................................12第一节、主体控制方案......................................................................................12第二节、GPS定位系统设计...............................................................................13第三节、车体部分MCU主控模块设计.............................................................14第四节、系统软件设计......................................................................................142HighlyIntegratedNanotechnology一、MEMS陀螺仪市场现状MEMS陀螺仪即微机电系统陀螺仪，是一种微型传感器，主要用于手机及游戏机等领域。与普通芯片相比，除计算功能外，此产品还具有感知功能，通过内置的陀螺仪传感器可以感知外界运动，并做出相应反应。在具体应用上，MEMS芯片可以用在消费类电子产品上，比如游戏机中的动作控制；可以用在汽车安全领域，在汽车出现紧急情况时及时作出反应；在军事、航海中，陀螺仪被用来导航。此前全球针对消费电子产品的陀螺仪厂商只有意法半导体（ST）、飞思卡尔半导体（Freescale）两家，深迪半导体（）成为第三家，打破了国内众多消费电子厂商陀螺仪全部依赖进口的局面。深迪半导体成立于2008年8月，目前在国内还没有竞争对手。根据著名市场研究顾问机构YoleDevelopment的最新预测，MEMS陀螺仪、加速度计和IMU的销售额在2013年将达到45亿美元的规模，在消费类应用市场的年增长率达到了27%，而中国未来将是消费类电子、汽车工业以及其产业链的中心和全球最大的市场。第一节、MEMS主要厂家产品资料汇总（1）InvenSense：网上放出的目前只有2轴的产品，加速度和陀螺仪一体化，号称封装尺寸最小。2009年，借助任天堂（日本最著名的游戏制作公司）的成功，InvenSense在MEMS市场成长速度位居第一。（2）ST：ST的产品线比较长，主打3轴。陀螺仪L3G系列和加速度传感器LIS属于两个不同的系列。（3）EPSON：x,y2轴加速度传感器加单轴陀螺仪。（4）飞思卡尔：分的很细，根据加速度分成低/中/高三类，典型应用案例是汽车气囊。没有找到陀螺仪的介绍。应该是以工业产品为主。（5）村田（Murata）网上资料很少，最新的也是2009年5月的。提供2款产品，都是单轴陀螺仪。（6）松下作为2009年MEMS市场的成长速度名列第二的松下，主要面向车用传感器市场。第二节、MEMS在我国的产业现状目前国内已有1688家企事业从事传感器的研制、生产和应用，其中从事MEMS研制生产的只有50多家，其规模和应用领域都较小。在国际市场上，德国、日本、美国、俄罗斯等老牌工业国家的企业主导了传感器市场，许多厂家的生产都实现了规模化，有些企业的年3HighlyIntegratedNanotechnology生产能力达到几千万只甚至几亿只。相比之下，中国传感器的应用范围较窄，更多的应用仍然停留在工业测量与控制等基础应用领域。深迪半导体，发布了旗下第一款陀螺仪产品--SSZ030CG，这标志着第一款具有中国自主知识产权的商用MEMS陀螺仪诞生。二、MEMS陀螺仪介绍第一节、什么是微机械（MEMS）？微机械MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。第二节、微机械陀螺仪（MEMSgyroscope）的工作原理传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。但是微机械陀螺仪的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事。微机械陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。下面是导出科里奥利力的方法。有力学知识的读者应该不难理解。在空间设立动态坐标系。用以下方程计算加速度可以得到三项，分别来自径向加速、科里奥利加速度和向心加速度。科里奥利力4HighlyIntegratedNanotechnology动态坐标系公式推导如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就不会产生。因此，在MEMS陀螺仪的设计上，这个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化，并有可能使物体在横向作微小震荡，相位正好与驱动力差90度。MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动（有点象加速度计中的自测试模式），横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化（就象加速度计测量加速度）。因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。BOSCHSMG070原理图2轴MEMS陀螺仪。它采用了闭合回路、数字输出和传感器芯片跟ASIC芯片分开平放连线的封装方法。第三节、微机械陀螺仪的结构微机械陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样，但是公开的微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的微机械陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。5HighlyIntegratedNanotechnology为机械陀螺结构示意图绝大多数微机械陀螺仪依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动力学系统是二维弹性阻尼系统，在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式。通过改进设计和静电调试使得驱动和传感的共振频率一致，以实现最大可能的能量转移，从而获得最大灵敏度。大多数微机械陀螺仪驱动和传感模式完全匹配或接近匹配，它对系统的振动参数变化极其敏感驱动和感应的频宽，而这些系统参数会改变振动的固有频率，因此需要一个好的控制架构来做修正。如果需要高的品质因子（Q），驱动和感应的频宽必须很窄。增加1%的频宽可能降低20%的信号输出。(上图a）还有阻尼大小也会影响信号输出。（上图b）一般的微机械陀螺仪由梳子结构的驱动部分和电容板形状的传感部分组成。有的设计还带有去驱动和传感耦合的结构。梳子结构的驱动部分6HighlyIntegratedNanotechnology传感耦合的结构三、MEMS技术的加工工艺微机械加工工艺分为硅基加工和非硅基加工。下面主要介绍体加工工艺、硅表面微机械加工技术、结合加工、逐次加工。下图是微机械加工工艺的流程落图。第一节、体加工工艺体加工工艺包括去加工（腐蚀）、附着加工（镀膜）、改质加工（掺杂）和结合加工（键合）。主要介绍腐蚀技术。腐蚀技术