电子陀螺仪原理与构造

1、MEMS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（MEMS gyroscope）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

2、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14一、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

3、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 Yole Development 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

4、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

5、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

6、文Micro Electro Mechanical systems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

7、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（MEMS gyroscope）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

8、。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

9、的变化可以计算出角速度。BOSCH SMG 070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。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

10、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传感耦合的结构三

11、、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。    腐蚀技术主要包括干法腐蚀和湿法腐蚀，也可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。    （1）干法腐蚀是气

12、体利用反应性气体或离子流进行的腐蚀。干法腐蚀可以腐蚀多种金属，也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性刻蚀，又可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或MEMS工艺常用设备。按刻蚀原理分，可分为等离子体刻蚀（PE：Plasma Etching）、反应离子刻蚀（RIE：Reaction Ion Etching）和电感耦合等离子体刻蚀（ICP：Induction Couple Plasma Etching）。在等离子气体中，可是实现各向同性的等离子腐蚀。通过离子流腐蚀，可以实现方向性腐蚀。    （2）湿法腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液体里进行的腐

13、蚀。硅的各向同性腐蚀是在硅的各个腐蚀方向上的腐蚀速度相等。比如化学抛光等等。常用的腐蚀液是HF-HNO3腐蚀系统，一般在HF和HNO3中加H2O或者CH3COOH。与H2O相比，CH3COOH可以在更广泛的范围内稀释而保持HNO3的氧化能力，因此腐蚀液的氧化能力在使用期内相当稳定。硅的各向异性腐蚀，是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。比如， 100/111面的腐蚀速率比为100：1。基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW（乙二胺，邻苯二酸和水）和联胺等。另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如：KOH，NaOH，LiOH，

14、CsOH和NH4OH等。    在硅的微结构的腐蚀中，不仅可以利用各向异性腐蚀技术控制理想的几何形状，而且还可以采用自停止技术来控制腐蚀的深度。比如阳极自停止腐蚀、PN结自停止腐蚀、异质自停止腐蚀、重掺杂自停止腐蚀、无电极自停止腐蚀还有利用光电效应实现自停止腐蚀等等。 第二节、硅表面微机械加工技术    美国加州大学Berkeley分校的Sensor and Actuator小组首先完成了三层多晶硅表面微机械加工工艺，确立了硅表面微加工工艺的体系。    表面微机械加工是把MEMS的“机械”（运

15、动或传感）部分制作在沉积于硅晶体的表面膜（如多晶硅、氮化硅等）上，然后使其局部与硅体部分分离，呈现可运动的机构。分离主要依靠牺牲层（Sacrifice Layer）技术，即在硅衬底上先沉积上一层最后要被腐蚀（牺牲）掉的膜（如SiO2可用HF腐蚀），再在其上淀积制造运动机构的膜，然后用光刻技术制造出机构图形和腐蚀下面膜的通道，待一切完成后就可以进行牺牲层腐蚀而使微机构自由释放出来。    硅表面微机械加工技术包括制膜工艺和薄膜腐蚀工艺。制膜工艺包括湿法制膜和干式制膜。湿法制膜包括电镀（LIGA工艺）、浇铸法和旋转涂层法、阳极氧化工艺。其中LIGA工艺是利用光制造工艺

16、制作高宽比结构的方法，它利用同步辐射源发出的X射线照射到一种特殊的PMMA感光胶上获得高宽比的铸型，然后通过电镀或化学镀的方法得到所要的金属结构。干式制膜主要包括CVD（Chemical Vapor Deposition）和PVD（Physical Vapor Deposition）。薄膜腐蚀工艺主要是采用湿法腐蚀，所以要选择合适的腐蚀液。 第三节、结合技术    微加工工艺中有时需要将两块微加工后的基片粘结起来，可以获得复杂的结构，实现更多的功能。将基片结合起来的办法有焊接、融接、压接（固相结合）、粘接、阳极键合、硅直接键合、扩散键合等方法。 

17、;第四节、逐次加工    逐次加工是同时加工工艺的补充，常用于模具等复杂形状的加工，其优点是容易制作自由形状，可对非平面加工，缺点是加工时间很长，属单件生产，成本高。包括以下几种：    逐次除去加工：如用于硅片切割的砂轮加工；细微放电加工、激光束加工、离子束加工、STM（扫描隧道显微镜）加工。    逐次附着加工：如利用离子束CVD技术，可使仅被照射部分的材料堆积，形成某种结构。    逐次改质加工：比如可以利用电子束或激光照射的办法使基板表面局部改质的技术，它的应用有电子

18、束掩膜制作、非平面光刻、局部掺杂等。    逐次结合加工：比如IC引线焊接、局部粘结等。第五节、LIGA工艺  LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术（工艺流程如图所示），主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使LIGA技术能够制造出高宽比达到500、厚度大于1500 m、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。这是其它微制造技术所无法实现的。LIGA技术被视为微纳米制造技术中最有生命力、最有前途的加工技术。利用LIGA技术，不仅可制造

19、微纳尺度结构，而且还能加工尺度为毫米级的Meso结构。目前,国内新兴发展起来的使用SU-8负型胶代替PMMA正胶作光敏材料，以减少曝光时间和提高加工效率，是LIGA技术新的发展动向。这是,由于LIGA技术需要极其昂贵的X射线光源和制作复杂的掩模板，使其工艺成本非常高，限制该技术在工业上推广应用。于是出现了一类应用低成本光刻光源和(或)掩模制造工艺而制造性能与LIGA技术相当的新的加工技术，通称为准LIGA技术或LIGA-like技术。如，用紫外光源曝光的UV-LIGA技术，准分子激光光源的Laser-LIGA技术和用微细电火花加工技术制作掩模的MicroEDMLIGA技术.用DRIE工艺制作掩

20、模的DEM技术等等。其中，以SU-8光刻胶为光敏材料，紫外光为曝光源的UV-LIGA技术因有诸多优点而被广泛采用。第六节、THEMLA工艺流程ST的MEMS工艺采用THEMLA流程，即THick Epitaxial Layer for Micromotor and Accelerometer(微电机和加速度计的厚外延层)，它可以分为六个步骤：生长一层硅；在硅上生长氧化层；在氧化层上蚀刻小孔用于生成固定点；在氧化层上生长15um厚的外延层；进行深度蚀刻，形成电容极板；最后移除氧化层，完成机械部分。四、基于DSP的MEMS陀螺仪信号处理平台设计第一节、MEMS陀螺仪信号处理平台的硬件结构1信号处理

21、平台的硬件结构及工作原理 MEMS陀螺仪信号的处理平台的硬件系统应该包括以下几个部分：DSP模块，数据采集模块，上位机通信模块和JTAG调试接口模块。数据采集模块由两部分组成：6路16位模数转换器ADS8364和同步时序控制器FPGA(A3P250VQ100)。FPGA(A3P250VQ100)一方面是控制各个单元时序，另一方面是为了对AD采集来的陀螺信号进行预处理。模数转换器ADS8364通过FPGA与DSPVC33相连，采集三轴陀螺信号。DSP主要完成对陀螺信号的降噪运算。陀螺信号经DSP处理后再由SCI接口传送到上位机。系统设计的原理框图如图1所示。在图1中三路陀螺模拟信号经过各自的信号

22、调理、抗混迭滤波后进入多通道AD转换器，在FPGA的控制下选择一路信号进行转换，转换结果送入FPGA片上FIFO缓存，由DSP读取数据并进行数字信号处理。同时FPGA对AD转换器传过来的信号进行预处理，再送到DSP进行信号降噪处理，保证了MEMS陀螺信号处理系统处理的实时性。然后DSP把处理后的结果送至上位机和经过串口输出，完成数字输出和模拟输出，满足不同的应用要求。2.信号处理平台AD电路设计 在整个MEME陀螺信号处理平台中，AD转换器是整个系统数据采集部分关键核心器件，信号处理系统中选用了美国德州仪器(TI)公司的ADS8364作为MEMS陀螺信号处理平台的AD转换器。ADS8364是T

23、I公司推出的高速、低功耗、6通道16位AD转换芯片，共有64个引脚。其时钟信号由外部提供，最高频率为5 MHz，对应的采样频率是250 kHz。数字电源供电电压为35 V，即可以与33 V供电的微控制器接口，也可以与5 V供电的微控制器接口。所以ADS8364非常适合应用在精度要求较高，结构简单的嵌入式信号处理系统中。ADS8364的时钟信号由外部提供，这里由FPGA提供时钟信号，主要是考虑到FPGA可以灵活地改变时钟频率，进而改变系统的采样频率。AD转换完成后产生转换结束信号EOC。将ADS8364的BYTE引脚接低电平，使转换结果以16位的方式输出。地址模式信号(A0，A1，A2)决定AD

24、S8364的数据读取方式，可以选择的方式包括单通道、周期或FIFO模式。将ADD引脚置为高电平，使得读出的数据中包含转换通道信息。考虑到数据采集处理系统的采样频率一般较高，如果用DSP直接控制ADS8364的访问，将占用DSP较多的资源，同时对DSP的实时性要求也较高。因此在本系统设计中，用FPGA实现ADS8364的接口控制电路，并将转换结果存储在FPGA中，用DSP实现FPGA芯片的输出接口。图2为ADS8364与FPGA的接口电路设计图。3.DSP的串行通信接口设计TMS320VC33 DSP中的串口是一种同步串行接口，串行通信接口(SCI)是采用双线通信的异步串行通信接口，即通常所说的

25、UART口，VC33内部带有串行通信模块，该串口支持16级接收和发送FIFO，可以与PC和其他异步通信外设进行数字通信，在信号处理平台系统中采用RS 232通信方式将数据发给上位机，与TMS320VC33接口的外设选用MAX3232。第二节、MEMS陀螺仪信号处理平台系统任务分析MEMS信号处理系统划分为三个独立的任务：数据采集任务、陀螺信号处理任务和上位机通信任务。各个任务之间通过DSPBIOS的旗语信号量进行同步和协调。数据采集任务是负责对MEMS陀螺的信号进行采集。该任务是系统的关键部分，优先级最高，执行时间比其他任务短，因此选用DSPBIOs的硬件中断模块(HWI)。硬件中断模块(HW

26、I)具有严格的实时性和高优先级，一旦SPIFIFO接收寄存器被外部ADC写满，立即产生相应的中断，CPU立即挂起当前的任务，调用相应的中断服务程序数据采集任务，将FIFO缓冲区内的采样值读入接收数据缓冲区，启动后续采样。这时中断服务程序退出，CPU的控制权返还给先前的任务。陀螺信号处理任务负责对采集到的数字量信号进行小波除噪和温度补偿等算法处理。在设计时引入了DSPBIOS的另一种线程类型TSK来实现。任务是独立使用的CPU进程，真正体现了多线程的思想，支持阻塞和优先级抢断。TSK共有15个优先级，每个任务均有自己独立的堆栈，响应延时比较长，适合对实时性要求不是很高的进程。TSK对象的优先级低

27、于硬件中断(HWI)，可根据任务的优先级和当前执行状况调度或抢占任务。陀螺信号处理任务在数据采集任务的空闲周期执行，也就是在采样值写入FIFO缓冲区这段时间执行。当数据采集任务执行完成，发送旗语信号量SEM_PROC陀螺信号的处理任务，对数据缓冲区内的采样值进行处理，如果没有收到旗语信号量SEM_PROC任务自动挂起。上位机通信任务负责系统与外部通信，将处理完成的数据通过SCI接口传输给上位机。上位机通信任务同样采用DSPBIOS中的TSK线程实现。上位机通信任务的优先级低于任务陀螺信号处理任务，在数据采集和信号处理的间隙执行。陀螺信号处理任务执行完成，发送旗语信号量SEM-XMIT上位机通信

28、任务，将数据送出。第三节、MEMS信号处理平台软件设计方案MEMS陀螺仪信号处理平台的软件设计包括DSP程序设计、FPGA控制和时序程序设计。DSP编程的主要任务是初始化、管理板上的资源，并实现前端数字信号处理的算法。这里以TI公司提供的功能强大的CCS(Code Composer Studio)为集成开发环境。系统上电复位后。首先完成DSP自身的初始化，包括配置RAM模块，设置IO模式、定时器模式、中断等，然后程序进人循环状态，等待中断。FPGA的软件设计主要包括对AD的采集控制、数据存储与传输的控制、信号的预处理和同步时序的产生与控制。首先由FPGA把AD采集来的MEMS陀螺仪的数据存储在

29、FPGA中，然后由FPGA对采集来的信号进行预处理，然后等待DSP的控制信号把预处理的信号送入DSP中进行信号处理和传输。系统软件的设计方案如图3所示。五、基于GPS的汽车导航系统的设计与实现第一节、主体控制方案本系统是以单片机为主要控制器件，基于GSP 模块的新型智能电动汽车底盘的导航系统设计。该车底盘具有智能避障、寻迹、测距、报警、寻光、行驶路程显示、行驶时间显示、车体所在环境温度显示、车体所在环境湿度显示、人工定位等功能。可以使用无线遥控器控制，并可以在上位机显示出它所在的位置等数据信息。本系统设计主要包括硬件电路的设计、实时操作系统程序设计、多机通信设计与总线接口的设计。系统框图如图1

30、 所示。本系统硬件电路主要包括控制模块、GPS 定位模块、电机驱动模块、传感器数据采集模块、网络节点接口模块、光报警模块、显示驱动模块、时间模块、键盘模块与无线通信模块组成。传感器数据采集模块由光电传感器进行对光线的跟踪，红外传感器进行对近距离的数据采集，声纳传感器进行对远距离的数据采集，温度传感器对车体周围的环境温度采集，湿度传感器对周围环境的相对湿度采集等。网络接口采用串行通信方式。显示驱动模块由LED 数码管与液晶共同显示。无线通信模块采用FSK方式进行无线传输。图1 系统框图第二节、GPS定位系统设计GPS 定位主要采用技术非常成熟的GPS 模块进行与单片机的接口通信完成。电机驱动电路

31、模块主要采用H 型电路构建而成。GPS模块的电源接口供电有15v、12v、5v、3.3v不等，本系统为了设计简单采用全新台湾HOLUX 公司推出的SIRF 第三代高灵敏度超小型GPS接收模块这是最新推出的产品，采用SiRF第三代芯片，主要是定位灵敏度大大提高，例如在汽车上应用时，只要靠近车窗就能较好工作，使用更方便，定位也更准确。本模块主要是提供给从事GPS模块二次开发的客户使用的，GPS 模块使用3.3 伏（70 毫安）直流工作电压，默认每秒输出一次TTL的NMEA-0183 信号。此模块接口定义如表1 所示。GPS 控制模块口控制模块方框图如图2 所示。为了使车具有导航系统，所以在车体上安

32、装了GPS 模块，本设计采用全新台湾HOLUX 公司推出的SIRF 第三代高灵敏度超小型GPS接收模块，该模块由6 个控制脚组成。为了减轻主控CPU 的负担，并且为了模块化硬件，所以该GPS模块由一块STC12C2052单片机进行单独的控制，并且通过74HS573与主单片机进行总线通信。STC12C2052 单片机与GPS通过串行口连接，并且以4800bps的波特率进行通信。单片机的P1 口与74HC573 的数据输入口相连接，作为并行的8为数据总线使用，而LE 端口通过一个反响器与STC12C2052 单片机的P3.7 连接，并且P3.7 口通过一个74HC14与主控单片机的INT0 相连。这样当P3.7 为低电平时数据缓冲器74HC573 的LE 被选通，并且单片机的INT0 为低电平，这样就可以使用并