MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器的應(yīng)用已不再局限于汽車和工業(yè)市場(chǎng)。得益于設(shè)計(jì)和制造方法的成熟，MEMS加速計(jì)和陀螺儀正在趨近大眾應(yīng)用市場(chǎng)所要求的價(jià)位。其結(jié)果是，它們的應(yīng)用范圍也因此擴(kuò)展到各種消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、保健、護(hù)理和安全應(yīng)用領(lǐng)域。
例如，低成本、小形狀因子、多軸MEMS傳感器正被用于大量的消費(fèi)電子和便攜計(jì)算應(yīng)用中。這些傳感器可以保護(hù)這些產(chǎn)品免受損壞，提高無線連接能力，或提供基于運(yùn)動(dòng)(而不是鍵盤輸入或按鈕)的新型用戶輸入指令。
市場(chǎng)調(diào)查公司IC Insights認(rèn)為，慣性傳感器(加速計(jì)和陀螺儀設(shè)備)將成為2008年固態(tài)傳感器中最大的產(chǎn)品類別。截至明年，這種傳感器將超過在汽車、工業(yè)和其它應(yīng)用中使用的壓力傳感器和磁場(chǎng)傳感器(圖1)。
圖1：MEMS加速計(jì)和陀螺儀市場(chǎng)將在前年之前超過MEMS壓力傳感器(由世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)協(xié)會(huì)和IC Insights公司提供)。
加速計(jì)推動(dòng)該市場(chǎng)的發(fā)展
MEMS傳感器在消費(fèi)電子應(yīng)用中的擴(kuò)展應(yīng)歸功于MEMS加速計(jì)。早期只能沿著線路的一個(gè)方向傳感的單軸模式已經(jīng)讓路給雙軸器件。飛思卡爾和ADI公司已經(jīng)率先在消費(fèi)電子應(yīng)用中應(yīng)用低成本MEMS加速計(jì)。
大多數(shù)MEMS加速計(jì)采用批量微機(jī)械加工工藝制造，這迫使我們必須使用一塊額外的芯片進(jìn)行信號(hào)處理。這兩個(gè)芯片通過晶圓邦定或晶圓級(jí)封裝互連。在批量加工工藝中，單個(gè)硅晶體以定軸形式被蝕刻，以形成3D MEMS結(jié)構(gòu)。這種被稱為減成法(Subtractive Process)的工藝是通過選擇性去除晶圓上的硅來完成蝕刻的。
其它的MEMS加工技術(shù)有表面微加工。ADI是首個(gè)投資開發(fā)專有工藝去采用表面微加工工藝生產(chǎn)傳感器的公司。該公司的iMotion傳感器是采用沉積的薄膜材料在硅的頂部加工成形的。沉積的材料形成定義結(jié)構(gòu)層之間間隙的傳感器和犧牲層。信號(hào)處理電路可以在MEMS傳感器所在的同一晶圓上生成(圖2)。
圖2：Analog Devices公司制造的MEMS加速計(jì)與biCMOS信號(hào)處理電路并排位于同一個(gè)晶圓上。犧牲氧化層在多晶硅層上沉積，MEMS結(jié)構(gòu)懸掛在基板上方(由Analog Devices公司提供)。
商用MEMS加速計(jì)的跨導(dǎo)機(jī)制采用壓阻或電容原理。在壓阻材料中，懸臂梁或隔膜所受的壓力的變化會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生張力和相應(yīng)的電阻變化。惠斯通電橋測(cè)量這種電阻變化，然后將其轉(zhuǎn)換成電壓。
在電容方法中，采用聯(lián)鎖指針或聯(lián)鎖裝置，它們會(huì)在固定位置和由于慣性運(yùn)動(dòng)的壓力或張力導(dǎo)致的移動(dòng)位置之間來回變化。然后，測(cè)量與加速度變化成比例的這些狀態(tài)間的電容差進(jìn)而產(chǎn)生所需的電壓(圖3)。
圖3：電容MEMS加速度計(jì)將XY面板上的移動(dòng)懸臂梁作為慣性質(zhì)量來感應(yīng)加速力(由Analog Devices公司提供)。
MEMSIC采用不同的方法。其雙軸加速計(jì)的參考量是基于通過氣體自然對(duì)流產(chǎn)生的傳熱(圖4)。位于硅芯片中央的單個(gè)熱源被懸掛在腔體內(nèi)。等間距的鋁/多晶硅熱電堆(多組熱電偶)被等距離地分布在熱源的四個(gè)角上。
在零加速度以下，熱源周圍的溫度梯度是對(duì)稱的。這使得所有的四個(gè)熱電堆上的溫度相同，從而使它們產(chǎn)生相同的電壓。由于自然的對(duì)流傳熱，因此任何方向的加速都會(huì)干擾溫度分布，導(dǎo)致溫度梯度不對(duì)稱。熱電堆的溫度差異與加速度成比例。
豐富的MEMS應(yīng)用
MEMS加速計(jì)在相對(duì)便宜的消費(fèi)電子和計(jì)算機(jī)電子領(lǐng)域中的應(yīng)用幾乎是永無止境的。例如，下降檢測(cè)就是一個(gè)主要的增長(zhǎng)領(lǐng)域。采用加速計(jì)，通過PDA閱讀的用戶只需模仿實(shí)際生活中翻書的動(dòng)作翻轉(zhuǎn)一下手中的PDA就可實(shí)現(xiàn)翻頁功能。
圖4：這個(gè)豎截面詳圖顯示了MEMSIC的MEMS加速計(jì)基于自流對(duì)流進(jìn)行傳熱的工作原理(由MEMSIC公司提供)。
得益于多軸MEMS加速計(jì)的使用，現(xiàn)在手機(jī)和視頻游戲中已經(jīng)具備手勢(shì)識(shí)別等令人興奮的新功能。這些功能有助于簡(jiǎn)化手機(jī)或游戲與其用戶間的連接。手勢(shì)識(shí)別涉及通過運(yùn)動(dòng)來給手機(jī)下達(dá)命令。
手機(jī)掉落時(shí)運(yùn)動(dòng)傳感器可以及時(shí)感應(yīng)，并保護(hù)其硬盤驅(qū)動(dòng)器以防止存儲(chǔ)損失。由于加速計(jì)可以感應(yīng)到用戶拿起電話的動(dòng)作，并且會(huì)自動(dòng)接通電話，而不是等待用戶按下電話的“發(fā)送”按鈕，因此接電話更加方便了。
考慮到現(xiàn)代手機(jī)鍵盤的小尺寸和高密度，用戶按錯(cuò)鍵應(yīng)是常事。MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器可以用快速搖動(dòng)等簡(jiǎn)單的手勢(shì)來清除最近輸入的按鍵。較長(zhǎng)時(shí)間的搖動(dòng)可以用來清除最近輸入的全部按鍵。
手機(jī)對(duì)使用環(huán)境的感知可以增加其可用性。例如，傳感器使得手機(jī)了解它正被放在餐桌上或書桌上，并從振動(dòng)自動(dòng)切換到鈴聲模式。如果手機(jī)的正面朝下放著，傳感器會(huì)激活其靜音模式，取消振動(dòng)和響鈴功能。
手機(jī)加速計(jì)還可以像記步器那樣通過測(cè)量用戶的加速度并估計(jì)所行的距離來計(jì)算用戶行進(jìn)的步數(shù)。此外，通過指揮任天堂Tilt和Tumble Kirby游戲中的運(yùn)動(dòng)以及適合于該公司流行的Wii控制臺(tái)的控制器中的運(yùn)動(dòng)，加速計(jì)已經(jīng)在視頻游戲中獲得了成功。
與8位控制標(biāo)準(zhǔn)不同的是，在大多數(shù)手持設(shè)備中，加速計(jì)可以通過改變傾斜度來提高光標(biāo)速度來實(shí)現(xiàn)可變(模擬)控制。此外還可以采用三軸(Z)加速器用于跳躍運(yùn)動(dòng)。由于手持設(shè)備的初始位置可以是任何方向(例如，用戶可能會(huì)躺著使用)，因此游戲一般以設(shè)置光標(biāo)的不確定位置的按鍵開始。
芬蘭公司VTI Technologies為瑞士一家生產(chǎn)被稱為“ikcal”的手表型生物反饋設(shè)備的制造商提供其SCA3000三軸加速計(jì)。這個(gè)設(shè)備測(cè)量個(gè)體通過身體活動(dòng)所消耗的卡路里，并且每天將其與個(gè)人攝取的能量(以食物補(bǔ)充的形式)進(jìn)行對(duì)比。此外，該技術(shù)還可以通過測(cè)量人的心率并將其轉(zhuǎn)換成大卡來測(cè)量身體活動(dòng)。
便宜的解決方案
低成本MEMS陀螺儀正在投放到巨大的消費(fèi)電子市場(chǎng)中。迄今為止，大多數(shù)這些器件都被用于注重堅(jiān)固性、可靠性和性能的汽車領(lǐng)域中。
Systron Donner Automotive Division生產(chǎn)的基于石英的Micro Gyro陀螺儀已在自動(dòng)電子穩(wěn)定性控制應(yīng)用中獲得了成功(圖5)。但是這些器件往往比消費(fèi)電子中所需的器件更昂貴(每軸10美元左右)。
圖5：Systron Donner Automotive Division生產(chǎn)的基于石英的Micro Gyro陀螺儀目標(biāo)針對(duì)汽車應(yīng)用。
運(yùn)動(dòng)傳感MEMS傳感器Fabless供應(yīng)商和陀螺儀制造商InvenSense在去年年末宣布量產(chǎn)集成的雙軸陀螺儀系列產(chǎn)品，目標(biāo)價(jià)格在每軸1美元以下。該公司計(jì)劃在本月推出其最新的用于空中滑鼠(air mouse)的MEMS陀螺儀，該產(chǎn)品針對(duì)新一代IPTV(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視)應(yīng)用，如觀看視頻影集。
該公司的設(shè)計(jì)基于雙芯片體硅工藝，采用電子和晶圓級(jí)封裝的晶圓級(jí)集成。由InvenSense開發(fā)的專有焊接工藝使得該公司能夠在幾乎任何CMOS平臺(tái)上開發(fā)電子產(chǎn)品，并且能以晶圓級(jí)集成成品。
“我們是唯一一家提供雙軸集成MEMS陀螺儀的公司。”InvenSense CEO Steve Nasiri表示，“與擁有iMEMS陀螺儀的ADI以及Bosch等其它單軸MEMS陀螺儀制造商不同的是，我們的陀螺儀采用傳感裝置隨著XY平面被抬升或壓低的面外(out-of-plane)傳感。”
MEMS陀螺儀將以新的性能水平進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳感。目前的運(yùn)動(dòng)傳感器采用加速計(jì)(重力傳感)或者能夠感知由于重力矢量變化引起的線性運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的磁傳感器(地球的磁場(chǎng)傳感)。
“這種對(duì)外力的依賴性可能會(huì)為產(chǎn)生錯(cuò)誤和重大誤差埋下隱患。”Nasiri表示，“陀螺儀是唯一可以提供有關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)的完全信息而無需任何外力的傳感器。”
MEMS陀螺儀還可用于消除攝像機(jī)、照相機(jī)以及運(yùn)動(dòng)傳感游戲控制器的抖動(dòng)。事實(shí)上，InvenSense表示，InvenSense的技術(shù)已被設(shè)計(jì)到市場(chǎng)上現(xiàn)有的許多數(shù)字視頻和數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品中。該公司在光學(xué)圖像穩(wěn)定電路中采用了其IDG-1000雙軸MEMS陀螺儀(圖6)。
圖6：現(xiàn)在許多照相機(jī)都采用InvenSense的雙軸陀螺儀來消除抖動(dòng)(由InvernSense公司提供)。
Hewlett-Packard目前正在開發(fā)將會(huì)與該公司的MEMS加速計(jì)集成的MEMS陀螺儀。這個(gè)計(jì)劃將利用HP噴墨打印頭中采用的與電子學(xué)相結(jié)合的微流體專門技術(shù)。該公司預(yù)計(jì)將出現(xiàn)一個(gè)針對(duì)陀螺儀的消費(fèi)電子利基市場(chǎng)，這種陀螺儀具有在手機(jī)、視頻游戲和智能GPS系統(tǒng)中“推算位置(dead reckoning)”的能力。
還出現(xiàn)了一種有時(shí)容易與陀螺儀混淆的完全集成的慣性測(cè)量設(shè)備(IMU)。IMU并不是陀螺儀。在汽車中，IMU系統(tǒng)包含一個(gè)六自由度IMU(x、y、z線性率數(shù)據(jù)和x、y、z角速率陀螺儀數(shù)據(jù))以及一個(gè)用于碰撞檢測(cè)的medium-g系列雙軸傳感器。IMU是傳感器總成的一部分，它可以為碰撞檢測(cè)、車輛動(dòng)態(tài)控制、導(dǎo)航和駕駛信息以及車身/底盤控制等不同的系統(tǒng)提供信息。
盡管至今還沒有生產(chǎn)出完全集成的IMU，但一切都在進(jìn)展之中。Honeywell正在為軍隊(duì)生產(chǎn)專為軍備應(yīng)用和航空應(yīng)用設(shè)計(jì)的完全集成的產(chǎn)品。但是以合理的成本和合理的尺寸將IMU的所有電路集成到一個(gè)封裝中是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
光明的前景
有關(guān)運(yùn)動(dòng)傳感器的研究仍在一如既往地繼續(xù)，其未來的發(fā)展前景光明。各種多軸MEMS加速計(jì)的制造商飛思卡爾半導(dǎo)體正聯(lián)合位于Gainesville的佛羅里達(dá)大學(xué)研究人員合作創(chuàng)建制造高性能、極低成本的MEMS加速計(jì)的先進(jìn)工藝。
到目前為止的成果包括采用雙斷續(xù)放大器、具有低噪聲和低功率性能的單片CMOS MEMS三軸加速計(jì)的開發(fā)。該器件大約3mm2左右，功耗僅1mW，在側(cè)面和z軸平面的靈敏度分別為560mV/g和320mV/g。本底噪聲分別為12mg/√Hz(低)和110mg/√Hz。
在市場(chǎng)報(bào)告和市場(chǎng)預(yù)測(cè)中可以看到，MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器具有繁榮的未來。據(jù)調(diào)查公司IC Insights的資料顯示，運(yùn)動(dòng)MEMS銷售量正在以普通IC增長(zhǎng)率的兩倍增長(zhǎng)。
InvenSense的Nasiri說：“我認(rèn)為運(yùn)動(dòng)傳感器存在20億美元的市場(chǎng)總額，其中MEMS陀螺儀是一個(gè)關(guān)鍵元件。”
