1、 1 Highly Integrated NanotechnologyMEMS 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、
2、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 .142 Highly Integrated Nanotechnology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
3、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（http:/）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，MEM
4、S 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
5、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
6、的生产都实现了规模化，有些企业的3 Highly Integrated Nanotechnology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/nanote
7、chnology）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
8、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。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4 Highly Integrated Nanote
9、chnology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。BOSCH SMG 070 原理图2 轴 MEMS 陀螺仪。
10、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。5 Highly Integrated Nanotechnology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
11、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6 Highly Integ
12、rated Nanotechnology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7 Highly Integ
13、rated Nanotechnology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
14、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，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
15、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
16、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 Depos
17、ition）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8 Highly Integrated Nanotechnology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。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
18、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
19、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9 Highly Integrated Nanotechnology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
20、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 Laye
21、r 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
22、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
23、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10 Highly Integrated Nanotechnology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 TI 公司推出的高速、低功耗、6
24、 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
25、(A0，A1，A2)决定 ADS8364 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 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。
