MEMS傳感器推動(dòng)創(chuàng)新型消費(fèi)電子應(yīng)用發(fā)展

MEMS傳感器推動(dòng)創(chuàng)新型消費(fèi)電子應(yīng)用發(fā)展

盡管2009年全球經(jīng)歷了空前的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，但是MEMS市場(chǎng)并未受到影響，市場(chǎng)規(guī)模幾乎與2008持平，出貨量與2008年同期相比大約增長(zhǎng)了10%。這些數(shù)據(jù)表明，MEMS在消費(fèi)電子市場(chǎng)的滲透率正在不斷提高。iSuppli最新一份市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，2010年及以后的MEMS市場(chǎng)前景光明，預(yù)計(jì)2010年MEMS市場(chǎng)將重新恢復(fù)兩位數(shù)的增幅，而2009-2013期間的總年復(fù)合增長(zhǎng)率更是會(huì)達(dá)到12.2%。

事實(shí)上，MEMS傳感器是消費(fèi)電子實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用不可或缺的關(guān)鍵元器件。近年來，從游戲機(jī)到手機(jī)，從筆記本電腦到白色家電，很多消費(fèi)電子產(chǎn)品都利用低g加速計(jì)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制的用戶界面和增強(qiáng)型保護(hù)系統(tǒng)。現(xiàn)在，該輪到MEMS陀螺儀和地磁感應(yīng)計(jì)發(fā)揮作用，推動(dòng)新一波令人興奮的創(chuàng)新應(yīng)用高速增長(zhǎng)。

有關(guān)能夠測(cè)量線性加速度的MEMS加速計(jì)的技術(shù)文章已經(jīng)很多，因此，本文基本不涉及加速傳感器，而是將更多筆墨留給陀螺儀、地磁感應(yīng)計(jì)等具有多個(gè)自由度檢測(cè)功能的元器件。

MEMS陀螺儀

陀螺儀能夠測(cè)量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的角速度，是補(bǔ)充MEMS加速計(jì)功能的理想技術(shù)。事實(shí)上，如果組合使用加速計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動(dòng)，為最終用戶提供現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。

ST在MEMS市場(chǎng)的份額正在快速增長(zhǎng)。作為全球公認(rèn)的消費(fèi)電子和手機(jī)市場(chǎng)最大的MEMS傳感器供應(yīng)商，ST最近推出了30款以低功耗和小封裝為特色的高性能陀螺儀。

ST陀螺儀的核心元件是一個(gè)微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個(gè)音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)，利用科里奧利原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移。我們以一個(gè)單軸Z軸陀螺儀為例，探討最簡(jiǎn)單的工作原理(圖1)。兩個(gè)正在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動(dòng)，如藍(lán)色箭頭所示。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)科里奧利力，力的方向垂直于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向。產(chǎn)生的科里奧利力使感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因?yàn)?，傳感器感?yīng)部分的運(yùn)動(dòng)電極(轉(zhuǎn)子)位于固定電極(定子)的側(cè)邊，上面的位移將會(huì)在定子和轉(zhuǎn)子之間引起電容變化，因此在陀螺儀輸入部分施加的角速率被轉(zhuǎn)化成一個(gè)專用電路可以檢測(cè)的電參數(shù)。

圖 1:單軸MEMS偏航陀螺儀

ST研制的微機(jī)械陀螺儀傳感器沿用了ST成功的制造技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)已為ST制造了6億多顆加速傳感器，選擇成功的技術(shù)可為客戶提供最先進(jìn)的質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，而且可直接用于最終應(yīng)用。因?yàn)镾T選用了音叉方法設(shè)計(jì)陀螺儀，其差分特性使系統(tǒng)本身對(duì)作用在傳感器上的無用線性加速度和雜亂振動(dòng)的敏感度低于市場(chǎng)上現(xiàn)有的其它類型陀螺儀。當(dāng)這些無用的信號(hào)被施加到陀螺儀上時(shí)，兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)就會(huì)沿相同方向位移，在一個(gè)差分測(cè)量后，最終的電容變化將視為無效。

在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號(hào)調(diào)節(jié)電路可簡(jiǎn)化為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和加速傳感器感應(yīng)電路兩部分(圖2)：

圖 2:一個(gè)單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

- 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過靜電驅(qū)動(dòng)方法，使機(jī)械元件前后振蕩，產(chǎn)生諧振；

- 感應(yīng)部分通過測(cè)量電容變化來測(cè)量科里奧利力在感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生的位移，這是一個(gè)穩(wěn)健、可靠的技術(shù)，被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線，能夠提供強(qiáng)度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數(shù)字信號(hào)。

控制電路內(nèi)部嵌入了先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，可以在不需要傳感器功能的時(shí)候關(guān)閉整個(gè)傳感器，或讓其進(jìn)入深度睡眠模式，從而大幅降低陀螺儀的總功耗；但是，無論何時(shí)接收到用戶指令，傳感器都可以立刻被喚醒，來檢測(cè)傳感器上施加的角速率。

與ST的MEMS加速計(jì)類似，MEMS陀螺儀也沿用一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)方法，機(jī)械感應(yīng)元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個(gè)封裝內(nèi)。智能設(shè)計(jì)方法結(jié)合先進(jìn)的封裝解決方案使得該系列產(chǎn)品的封裝尺寸大幅縮減，多軸陀螺儀的系統(tǒng)封裝面積僅為3x5mm2 ，最大厚度僅為1mm(圖3)，同時(shí)在最終產(chǎn)品的生命周期內(nèi)確保傳感器的穩(wěn)定性和高性能。

圖 3:采用超小LGA封裝的ST多軸陀螺儀

意法半導(dǎo)體為客戶提供1軸 ~ 3軸、30dps ~ 6000dps的各種陀螺儀傳感器，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠解決不同的應(yīng)用：從圖像穩(wěn)定器到游戲，從指向裝置到機(jī)器人控制。

特別是，像ST的3軸加速度傳感器一樣，高性能3軸陀螺儀的問市正在促進(jìn)手機(jī)、游戲機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的人機(jī)界面。

不僅有運(yùn)動(dòng)傳感器

全新的地磁感應(yīng)計(jì)正在融入消費(fèi)電子產(chǎn)品。此類感應(yīng)計(jì)能夠測(cè)量多個(gè)軸向的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而使便攜設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更強(qiáng)的羅盤和導(dǎo)航功能。

類似于運(yùn)動(dòng)傳感器，消費(fèi)電子產(chǎn)品和手機(jī)也是增長(zhǎng)最快的磁感應(yīng)計(jì)市場(chǎng)，2009年該市場(chǎng)增幅逾100%。據(jù)iSuppli最新的市場(chǎng)研究報(bào)告，這個(gè)市場(chǎng)增長(zhǎng)非?？?，出貨量預(yù)計(jì)從2008年的800萬件增長(zhǎng)到2013年的 5.40億，年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)達(dá)到129%。

{0>?

<}0{>在現(xiàn)有的各種不同磁感應(yīng)計(jì)芯片制造技術(shù)中，各向異性磁阻(AMR)傳感器的發(fā)展勢(shì)頭銳不可擋，因?yàn)槠淠軌蛱峁└呖臻g分辨率和高精度，而且功耗很低，這對(duì)于電池供電的便攜設(shè)備而言至關(guān)重要。磁感應(yīng)計(jì)的工作原理是通過測(cè)量電阻變化來確定磁場(chǎng)強(qiáng)度。<0}

當(dāng)在一個(gè)很薄的鐵條上施加磁力線方向與經(jīng)過鐵條的電流方向垂直的磁場(chǎng)時(shí)，鐵條內(nèi)的電阻就會(huì)發(fā)生變化。這種傳感器通常采用單臂電橋形式，如圖4所示，電橋由靜態(tài)阻值相同的磁阻構(gòu)成。在測(cè)量過程中，電橋上施加電壓Vb，使電流通過電阻。只要磁場(chǎng)H存在，在兩組四個(gè)相反放置的電阻器中，第一組兩個(gè)電阻的磁化矢量轉(zhuǎn)向電流，使電阻值變大；而另兩個(gè)電阻的磁化矢量背離電流，使電阻值變小。在線性范圍內(nèi)，傳感器輸出與所施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。

圖 4:磁阻傳感器:簡(jiǎn)圖

隨著手機(jī)成為傳感器最熱的應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)配合加速計(jì)實(shí)現(xiàn)傾斜補(bǔ)償羅盤應(yīng)用時(shí)，磁感應(yīng)計(jì)越來越被市場(chǎng)看好。例如，意法半導(dǎo)體的6D模塊LSM303DLH就是一個(gè)有6個(gè)自由度(6 DOF)的磁感應(yīng)計(jì)。 這款產(chǎn)品在一個(gè)超小的LGA封裝內(nèi)集成一個(gè)高性能的3軸加速計(jì)與一個(gè)高分辨率的3軸磁感應(yīng)計(jì)(圖5)。磁感應(yīng)計(jì)單元包括附加的電流帶，可以通過電驅(qū)動(dòng)磁極“置位”或“復(fù)位”，并施加一個(gè)磁場(chǎng)偏移量來修正環(huán)境磁場(chǎng)。

圖 5:LSM303DLH 3x 在一個(gè)超小的LGA封裝內(nèi)整合一個(gè)3軸加速計(jì)和一個(gè)3軸磁感應(yīng)計(jì)

LSM303DLH能夠在建筑物和汽車內(nèi)提供精確的3D方向，而且在難以利用霍爾傳感器感應(yīng)地球磁場(chǎng)傾角的高緯度地區(qū)(如北美和北歐)也能發(fā)揮作用。配合支持各種主流手機(jī)操作系統(tǒng)的方向、自動(dòng)校準(zhǔn)和軟/硬鐵補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)程序，LMS303DLH六維磁感應(yīng)計(jì)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能提供了強(qiáng)大的工具。

特別值得一提是，將加速計(jì)、陀螺儀和磁感應(yīng)計(jì)結(jié)合，并均衡利用三者各自的優(yōu)點(diǎn)，可在導(dǎo)航解決方案核心實(shí)現(xiàn)一個(gè)被稱為慣性測(cè)量單元(IMU)的部分。換句話說，平臺(tái)開發(fā)商可充分利用最新的MEMS技術(shù)，將慣性傳感器與較為傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)相結(jié)合，在衛(wèi)星信號(hào)很差或準(zhǔn)確度不高的地區(qū)(如高樓林立的市區(qū))，甚或是根本沒有信號(hào)的地方(室內(nèi)或地鐵環(huán)境中)提供導(dǎo)航服務(wù)。在不久的將來，準(zhǔn)確的定位信息與服務(wù)廠商提供的附加中間數(shù)據(jù)將會(huì)整合在一起，并顯示在用戶的手機(jī)顯示屏幕上，而用戶也將從各種定位關(guān)聯(lián)服務(wù)中獲益，例如，獲得購(gòu)物中心內(nèi)所有商鋪的準(zhǔn)確信息，找到想要購(gòu)買產(chǎn)品的方位提示，接收根據(jù)用戶興趣訂制的商品特價(jià)和促銷信息。

這樣的應(yīng)用現(xiàn)已出現(xiàn)在市場(chǎng)上，例如，在荷蘭，Android手機(jī)用戶可以安裝新增增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感的手機(jī)瀏覽器Layar。總體來說，最新的開放軟件平臺(tái)Android在進(jìn)行軟件開發(fā)的時(shí)候更易遭遇到先進(jìn)的感應(yīng)功能，所以其鼓勵(lì)全社區(qū)的開發(fā)人員團(tuán)結(jié)協(xié)作，開發(fā)符合自己需求的應(yīng)用軟件，同時(shí)給電子設(shè)備增加價(jià)值。

整合MEMS加速計(jì)、陀螺儀和地磁感應(yīng)計(jì)的模塊正在進(jìn)入廉價(jià)的電子玩具市場(chǎng)，傳感器模塊提供的動(dòng)作捕捉功能可實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的游戲體驗(yàn)，還能讓更小的兒童上網(wǎng)分享快樂：孩子們很快就能夠創(chuàng)造自己的虛擬娃娃和人物，用人類自然的動(dòng)作玩這些玩具，不再使用按鈕或鍵盤一類的東西，甚至可以在網(wǎng)上與全球的小朋友一起分享游戲。

結(jié)論：我們最近推出的微型、可靠、低價(jià)的MEMS陀螺儀和磁感應(yīng)計(jì)通常集成了MEMS加速計(jì)，可使多種消費(fèi)電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)跟蹤功能，為用戶提供更好的如臨其境的現(xiàn)場(chǎng)感。意法半導(dǎo)體是您首選的一站式MEMS元器件供應(yīng)商，上文提到的全部元器件都在意法半導(dǎo)體的傳感器產(chǎn)品組合內(nèi)。因?yàn)?a target="_blank">公司在MEMS技術(shù)、ASIC設(shè)計(jì)和更智能的封裝技術(shù)以及最先進(jìn)的生產(chǎn)線和戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系上不斷取得進(jìn)步，意法半導(dǎo)體正在推動(dòng)感應(yīng)功能一體化時(shí)代，進(jìn)一步加強(qiáng)其MEMS傳感器在消費(fèi)電子和手機(jī)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。

作者：Fabio Pasolini，意法半導(dǎo)體

作者簡(jiǎn)介

Fabio Pasolini是意法半導(dǎo)體MEMS傳感器和高性能模擬產(chǎn)品部下的消費(fèi)電子與工業(yè)應(yīng)用事業(yè)組的總監(jiān)。

1994年畢業(yè)于意大利帕維亞大學(xué)工程系，1995起效力于意法半導(dǎo)體，為ST的MEMS產(chǎn)品部的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，幫助ST成為這個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)。

Fabio曾積極參與過多種集成電路的開發(fā)項(xiàng)目；他的研究項(xiàng)目主要集中于微機(jī)電系統(tǒng)，包括MEMS加速計(jì)和陀螺儀內(nèi)置的讀出接口、智能傳感器模塊，以及基于運(yùn)動(dòng)識(shí)別的完整應(yīng)用的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。

在帶通sigma-delta轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和MEMS傳感器電子接口架構(gòu)等領(lǐng)域，他曾獲得多項(xiàng)專利，發(fā)表多篇技術(shù)論文。