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整合技术发达 MEMS性能迈大步

过去这几年,微机电系统(MEMS)感测器逐渐渗透到消费性电子市场,被许多新应用采用。消费性电子市场在寻找微型、低成本、低压及低功耗的产品。因此,轻薄小巧且多功能整合的多轴感测器已成为消费性电子装置的必备元件。微机电系统(MEMS)感测器深受动作、加速度、倾斜度及振动测量市场的欢迎。MEMS感测器是系统封装(SiP)解决方案,拥有高分辨率、低功耗及精密尺寸等许多优势。MEMS采用与矽晶片截然不同的技术。MEMS的核心元件没有栅-漏-源三极(Gate-drain-source)而是一个全部由矽制成的微型机械结构。一个典型的MEMS结构包括移动质块、弹簧及阻尼器,工作原理与质块-弹簧模型大致相同。 消费化趋势成形 MEMS应用百花齐放 MEMS感测器可以为手机、MP3/MP4播放器、个人数位助理(PDA)或游戏机控制器增加直接人机互动介面,实现人的动作与内建MEMS感测器装置之间的互动。 在洗衣机或干衣机等家电设备中,MEMS加速度计还能用作振动侦测器,当机器内的负荷失衡时,洗衣机就会警告用户,防止机器出现故障或过量的耗损。 单轴和双轴加速度计被广泛用于汽车被动式安全系统,如正面安全气囊和侧面安全气囊。加速度计和陀螺仪还被用于导航系统和主动式安全系统,如防锁死煞车系统(ABS)和车辆动态控制系统(VDC)(图1)。 图1 汽车周边元件商机迅速发酵,MEMS应用需求水涨船高。在过去这几年,MEMS感测器逐渐出现消费化趋势。MEMS感测器开始渗透到消费性电子市场,被许多新应用采用。 消费性电子市场在寻找微型、低成本、低压及低功耗的产品。轻薄小巧的设计是手机、MP3和MP4播放器及可携式PC等电池供电产品的发展趋势。而且,多轴感测器已成为消费性电子装置的必备配置,让消费者能够从任何物理位置启动任何功能。在可携式产品中,并没有固定的MEMS感测器应用参考框架。 此外,消费性电子产品的生命周期越来越短,因此产品设计人员要求MEMS能够快速且无缝地被整合到终端应用中。 行动市场驱动 体感MEMS出头天 处于MEMS技术发展的最前线的意法半导体(ST)开始在单一封装内整合如加速度计、陀螺仪、地磁计等多个感测器,这个解决方案可提升包括动作监测在内的各种应用的功能性和性能表现。整合感测器可实现自主系统和自动化系统,监测特定条件并直接执行相关功能操作,无需或只需用户很小程度的介入。 在手机、游戏机、个人导航系统等可携式行动装置内,一个能够精确测量三个正交轴向角速率的感测器可实现360度角速率侦测,高精密度识别三维(3D)手势和动作。此外,一个三轴加速度计配合一个陀螺仪,可让设计人员研发惯性测量单元(IMU),追踪人体、汽车及其他物体的动作类型、速度及方向,并提供完整的相关讯息(图2)。 图2 智慧型手机、游戏机、行动装置当红,三轴加速度计和陀螺仪等感测元件前景可期。意法半导体的加速度计内建许多经强化的功能,包括点一下和点两下识别、动作侦测/唤醒、和4D/6D方向侦测。其他重要特性包括一个可编程的先进先出(FIFO)和两个可编程的中断讯号输出接脚,以便向主处理器立即通知点一下/点两下事件、动作侦测及新一代MEMS装置需要的条件。 定址服务崛起 罗盘模组媲美GPS 透过整合罗盘模组以提供先进的定址服务(LBS)已在手机市场引发一场应用革命。有了罗盘和全球卫星定位系统(GPS)功能后,消费者只要把手机指向附近服务设施,如酒店或商场,就能够识别和搜索相关目标的讯息(图3)。 图3 定址服务后势看涨,罗盘模组摩拳擦掌,可望攻占GPS应用版图。结合动作侦测与磁力感应的功能,可以在多方面提高行动用户的使用体验。应用开发人员能够解决在显示萤幕尺寸有限的手机或PDA上查看关于地图的问题,他们把用户目前位置放在地图的底端,显示萤幕其余部分则显示前进方向(正上方)。当在没有GPS讯号的情况下,用户仍可获得准确的路径图讯息,无论是透过开车或徒步。这个解决方案并可支援航位推算应用,在没有GPS卫星讯号或GPS讯号很弱的建筑物内或山区及森林提供个人步行导航功能。 意法半导体在LSM303DLH模组内整合三轴数位加速度计和三轴数位地磁计。这款数位罗盘兼具高准确度、小尺寸、低功耗等多项优点,能够满足市场对于先进导航功能及新兴智慧型定位服务的日益成长的需求。这款高性能、拥有SiP数位罗盘采用Honeywell的磁阻技术,以加快先进电子罗盘功能在可携式消费性电子产品中的应用,罗盘功能包括方位查找、地图/显示方位、定址服务及个人步行航位推算。该产品的线性加速度测量范围是±2/±4/±8g,磁场强度测量范围从±1.3~±8高斯,用户可以针对这两个量程自由选择。 许多技术和商业专业人员认为无线感测网路、家用型机器人、智慧型药盒及实验室晶片将推动下一波MEMS产品的市场成长。例如用于个人化医药研发的实验室晶片及由五节点无线压力感测器网路组成的轮胎压力监测系统。 意法半导体的MEMS专业人员目前正在倾力研发智慧型感测器。这些智慧型感测器在单一封装内整合MEMS元件和处理器,毋须透过主处理器便可独立执行感测器演算法,从而降低系统级功耗,这对耗电量极大的手持装置具有重要意义。 (本文作者任职于意法半导体)

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