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

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加速計實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動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)計發(fā)揮作用，推動新一波令人興奮的創(chuàng)新應(yīng)用高速增長。

有關(guān)能夠測量線性加速度的MEMS加速計的技術(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)計等具有多個自由度檢測功能的元器件。

MEMS陀螺儀

陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運(yùn)動的角速度，是補(bǔ)充MEMS加速計功能的理想技術(shù)。事實(shí)上，如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設(shè)計人員就可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強(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市場的份額正在快速增長。作為全球公認(rèn)的消費(fèi)電子和手機(jī)市場最大的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微加工機(jī)械單元，在設(shè)計上按照一個音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)，利用科里奧利原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移。我們以一個單軸Z軸陀螺儀為例，探討最簡單的工作原理(圖1)。兩個正在運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動，如藍(lán)色箭頭所示。只要從外部施加一個角速率，就會出現(xiàn)一個科里奧利力，力的方向垂直于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方向。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)動電極(轉(zhuǎn)子)位于固定電極(定子)的側(cè)邊，上面的位移將會在定子和轉(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)化成一個專用電路可以檢測的電參數(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)計陀螺儀，其差分特性使系統(tǒng)本身對作用在傳感器上的無用線性加速度和雜亂振動的敏感度低于市場上現(xiàn)有的其它類型陀螺儀。當(dāng)這些無用的信號被施加到陀螺儀上時，兩個質(zhì)點(diǎn)就會沿相同方向位移，在一個差分測量后，最終的電容變化將視為無效。

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

圖 2:一個單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡圖

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

- 感應(yīng)部分通過測量電容變化來測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。

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候關(guān)閉整個傳感器，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，無論何時接收到用戶指令，傳感器都可以立刻被喚醒，來檢測傳感器上施加的角速率。

與ST的MEMS加速計類似，MEMS陀螺儀也沿用一個系統(tǒng)級封裝(SIP)方法，機(jī)械感應(yīng)元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個封裝內(nèi)。智能設(shè)計方法結(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)動傳感器

全新的地磁感應(yīng)計正在融入消費(fèi)電子產(chǎn)品。此類感應(yīng)計能夠測量多個軸向的地球磁場強(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)動傳感器，消費(fèi)電子產(chǎn)品和手機(jī)也是增長最快的磁感應(yīng)計市場，2009年該市場增幅逾100%。據(jù)iSuppli最新的市場研究報告，這個市場增長非?？欤鲐浟款A(yù)計從2008年的800萬件增長到2013年的 5.40億，年復(fù)合增長率(CAGR)達(dá)到129%。

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

當(dāng)在一個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時，鐵條內(nèi)的電阻就會發(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。在測量過程中，電橋上施加電壓Vb，使電流通過電阻。只要磁場H存在，在兩組四個相反放置的電阻器中，第一組兩個電阻的磁化矢量轉(zhuǎn)向電流，使電阻值變大；而另兩個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強(qiáng)度成正比。

圖 4:磁阻傳感器:簡圖

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

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

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、自動校準(zhǔn)和軟/硬鐵補(bǔ)償驅(qū)動程序，LMS303DLH六維磁感應(yīng)計為系統(tǒng)設(shè)計人員實(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、陀螺儀和磁感應(yīng)計結(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)一個被稱為慣性測量單元(IMU)的部分。換句話說，平臺開發(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，獲得購物中心內(nèi)所有商鋪的準(zhǔn)確信息，找到想要購買產(chǎn)品的方位提示，接收根據(jù)用戶興趣訂制的商品特價和促銷信息。

這樣的應(yīng)用現(xiàn)已出現(xiàn)在市場上，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?？傮w來說，最新的開放軟件平臺Android在進(jìn)行軟件開發(fā)的時候更易遭遇到先進(jìn)的感應(yīng)功能，所以其鼓勵全社區(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，同時給電子設(shè)備增加價值。

整合MEMS加速計、陀螺儀和地磁感應(yīng)計的模塊正在進(jìn)入廉價的電子玩具市場，傳感器模塊提供的動作捕捉功能可實(shí)現(xiàn)互動的游戲體驗(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、低價的MEMS陀螺儀和磁感應(yīng)計通常集成了MEMS加速計，可使多種消費(fèi)電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的運(yùn)動跟蹤功能，為用戶提供更好的如臨其境的現(xiàn)場感。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)體正在推動感應(yīng)功能一體化時代，進(jìn)一步加強(qiáng)其MEMS傳感器在消費(fèi)電子和手機(jī)市場的領(lǐng)導(dǎo)地位。

作者：Fabio Pasolini，意法半導(dǎo)體

作者簡介

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)動識別的完整應(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。