2022年电子陀螺仪原理和构造.docx
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1、精品学习资源目录:MEMS陀螺仪传感器产业探究欢迎下载精品学习资源一、MEMS陀螺仪市场现状 1第一节、 MEMS主要厂家产品资料汇总 2其次节、 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( MEM)S ? 3其次节、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其次节、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
2、螺仪信号处理平台的硬件结构9其次节、 MEMS陀螺仪信号处理平台系统任务分析11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、主体掌握方案12其次节、 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,主要用于手机及嬉戏机等领欢迎下载精品学习资源域;与一般芯片相比,除运算功能外,此产品仍具有感知功能,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;在详细应用上, MEMS芯片可以用在消费类电子产品上,比如嬉戏机中的
3、动作掌握;可以用在汽车安全领域,在汽车显现紧急情形时准时作出反应;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靠进口的局面;深迪半导体成立于2021 年 8 月,目前在国内仍没有竞争对手;依据闻名市场讨论顾问机构Yole Development的最新猜测, MEMS陀螺仪、加速度计和 IMU的销售额在 2021 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%,而中国将来将是消费类电子、汽车工业以及其产业链的中心和全球
4、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;2021年,借助任天堂(日本最闻名的嬉戏制作公司)的胜利,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,依据加速度分成低/ 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;应当是以工业产品为主;( 5)村田( Murata
5、)网上资料很少,最新的也是2021 年 5 月的;供应 2 款产品,都是单轴陀螺仪;( 6)松下作为 2021 年 MEMS市场的成长速度名列其次的松下,主要面对车用传感器市场;其次节、 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,很多厂家的生产都实现了规模化,有些企业的 年生产才能达到几千万只甚至几亿只;相比之下,中国传感器的应用范畴较窄,更多的应 用仍旧停留在工业测量与掌握等基础应用领域;深迪半导体,发布了
6、旗下第一款陀螺仪产品- SSZ030CG ,这标志着第一款具有中国欢迎下载精品学习资源自主学问产权的商用MEMS 陀螺仪产生;二、MEMS陀螺仪介绍第一节、什么是微机械(MEM)S ?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 M/ 纳 M 技术( micro/nanotechnology)基础上的 21世纪前沿技术,是指对微M/纳 M 材料进行设计、加工、制造、测量和掌握的技术;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、
7、处理与发送信息或指令,仍能够依据所猎取的信息自主地或依据外部的指令实行行动;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(MEM)S 是近年来进展起来的一种新型多学科交叉的技术,该技术将对将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;其次节、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
8、机械陀螺仪的工作原理不是这样的,由于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简洁的事;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;有力学学问的读者应当不难懂得;在空间设立动态坐标系;用以下方程运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;科里奥利力欢迎下载精品学习资源动态坐标系公式推导假如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一直回变化,并有可能使物体在横向作微小震荡,相位正好与驱动力
9、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);由于科里奥利力正比于角速度,所以由电容的变化可以运算出角速度;BOSCH SMG 070 原理图2 轴 MEMS陀螺仪;它采纳了闭合回路、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纳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
10、承,已被证明可以用微机械加工技术大批量生产;欢迎下载精品学习资源为机械陀螺结构示意图绝大多数微机械陀螺仪依靠于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力;振动物体被松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样,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锐驱动和感应的频宽,而这些系统参数会转变振动的固有频率,因此需要一个好的掌握架构来做修正;假如需要高的品质因子( Q),
11、驱动和感应的频宽必需很窄;增加1%的频宽可能降低 20%的信号输出; 上图 a) 仍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外形的传感部分组成;有的设计仍带有去驱动和传感耦合的结构;梳子结构的驱动部分欢迎下载精品学习资源传感耦合的结构三、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
12、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,也可以刻蚀很多非金属材料;既可以各向同性刻蚀,又可以各向异性刻蚀,是集欢迎下载精品学习资源成电路工艺或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
13、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HF 和 HNO3中加 H2O或者 CH3COO;H与H2O相比, CH3COOH可以在更广泛的范畴内稀释而保持HNO3的氧化才能,因此腐蚀液的氧 化才能在使用期内相当稳固;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
14、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掌握抱负的几何外形,而且仍可以采纳自停止技术来掌握腐蚀的深度;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、无电极自停止腐蚀仍有利用光电效应实现自停止腐蚀等等;其次节、硅表面微机械加工技术美国加州高校 Berkeley分校的 Sensor and Actuator小组第一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
15、硅、氮化硅等)上,然后使其局部与硅体部分分别,出现可运动的机构;分别主要依靠牺牲层(Sacrifice Layer)技术,即在硅衬底上先沉积上一层最终要被腐蚀(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 射线照耀到一种特别的 PM
16、MA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纳湿法腐蚀,所以要挑选合适的腐蚀液;第三节、结合技术欢迎下载精品学习资源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;将基片结合起来的方法有焊接、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,常用于模具等复杂外形的加工,其优点是简洁制作自由外形,可对非
17、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;微小放电加工、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,可使仅被照耀部分的材料积累,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耀的方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(工艺流程如下列图),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
18、X 射线有特别高的平行度、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M 范畴内的三维立体结构;这是其它微制造技术所无法实现的;LIGA 技术被视为微纳M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,而且仍能加工尺度为毫M 级的 Meso 结构;目前 , 国内新兴进展起来的使用SU-8 负型胶代替 PMMA正胶作光敏材料,以削减曝光时欢迎下载精品学习资源间和提高加工效率,是LIGA 技术新的进展动向;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
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- 2022 电子 陀螺仪 原理 构造
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