针对大众应用的MEMS运动传感器的最新进展

2008-04-09 14:58:29来源: Electronic Design

  MEMS运动传感器的应用已不再局限于汽车和工业市场。得益于设计和制造方法的成熟,MEMS加速计和陀螺仪正在趋近大众应用市场所要求的价位。其结果是,它们的应用范围也因此扩展到各种消费电子、计算机、保健、护理和安全应用领域。  

  例如,低成本、小形状因子、多轴MEMS传感器正被用于大量的消费电子和便携计算应用中。这些传感器可以保护这些产品免受损坏,提高无线连接能力,或提供基于运动(而不是键盘输入或按钮)的新型用户输入指令。

  市场调查公司IC Insights认为,惯性传感器(加速计和陀螺仪设备)将成为2008年固态传感器中最大的产品类别。截至明年,这种传感器将超过在汽车、工业和其它应用中使用的压力传感器和磁场传感器(图1)。

  

  

  

  图1:MEMS加速计和陀螺仪市场将在前年之前超过MEMS压力传感器(由世界半导体贸易统计协会和IC Insights公司提供)。

  加速计推动该市场的发展

  MEMS传感器在消费电子应用中的扩展应归功于MEMS加速计。早期只能沿着线路的一个方向传感的单轴模式已经让路给双轴器件。飞思卡尔和ADI公司已经率先在消费电子应用中应用低成本MEMS加速计。

  大多数MEMS加速计采用批量微机械加工工艺制造,这迫使我们必须使用一块额外的芯片进行信号处理。这两个芯片通过晶圆邦定或晶圆级封装互连。在批量加工工艺中,单个硅晶体以定轴形式被蚀刻,以形成3D MEMS结构。这种被称为减成法(Subtractive Process)的工艺是通过选择性去除晶圆上的硅来完成蚀刻的。

  其它的MEMS加工技术有表面微加工。ADI是首个投资开发专有工艺去采用表面微加工工艺生产传感器的公司。该公司的iMotion传感器是采用沉积的薄膜材料在硅的顶部加工成形的。沉积的材料形成定义结构层之间间隙的传感器和牺牲层。信号处理电路可以在MEMS传感器所在的同一晶圆上生成(图2)。  

    

  图2:Analog Devices公司制造的MEMS加速计与biCMOS信号处理电路并排位于同一个晶圆上。牺牲氧化层在多晶硅层上沉积,MEMS结构悬挂在基板上方(由Analog Devices公司提供)。   

  商用MEMS加速计的跨导机制采用压阻或电容原理。在压阻材料中,悬臂梁或隔膜所受的压力的变化会导致产生张力和相应的电阻变化。惠斯通电桥测量这种电阻变化,然后将其转换成电压。

  在电容方法中,采用联锁指针或联锁装置,它们会在固定位置和由于惯性运动的压力或张力导致的移动位置之间来回变化。然后,测量与加速度变化成比例的这些状态间的电容差进而产生所需的电压(图3)。  

  

  图3:电容MEMS加速度计将XY面板上的移动悬臂梁作为惯性质量来感应加速力(由Analog Devices公司提供)。  

  MEMSIC采用不同的方法。其双轴加速计的参考量是基于通过气体自然对流产生的传热(图4)。位于硅芯片中央的单个热源被悬挂在腔体内。等间距的铝/多晶硅热电堆(多组热电偶)被等距离地分布在热源的四个角上。  

  在零加速度以下,热源周围的温度梯度是对称的。这使得所有的四个热电堆上的温度相同,从而使它们产生相同的电压。由于自然的对流传热,因此任何方向的加速都会干扰温度分布,导致温度梯度不对称。热电堆的温度差异与加速度成比例。

  丰富的MEMS应用

  MEMS加速计在相对便宜的消费电子和计算机电子领域中的应用几乎是永无止境的。例如,下降检测就是一个主要的增长领域。采用加速计,通过PDA阅读的用户只需模仿实际生活中翻书的动作翻转一下手中的PDA就可实现翻页功能。  

    

  图4:这个竖截面详图显示了MEMSIC的MEMS加速计基于自流对流进行传热的工作原理(由MEMSIC公司提供)。   

  得益于多轴MEMS加速计的使用,现在手机和视频游戏中已经具备手势识别等令人兴奋的新功能。这些功能有助于简化手机或游戏与其用户间的连接。手势识别涉及通过运动来给手机下达命令。

  手机掉落时运动传感器可以及时感应,并保护其硬盘驱动器以防止存储损失。由于加速计可以感应到用户拿起电话的动作,并且会自动接通电话,而不是等待用户按下电话的“发送”按钮,因此接电话更加方便了。

  考虑到现代手机键盘的小尺寸和高密度,用户按错键应是常事。MEMS运动传感器可以用快速摇动等简单的手势来清除最近输入的按键。较长时间的摇动可以用来清除最近输入的全部按键。

  手机对使用环境的感知可以增加其可用性。例如,传感器使得手机了解它正被放在餐桌上或书桌上,并从振动自动切换到铃声模式。如果手机的正面朝下放着,传感器会激活其静音模式,取消振动和响铃功能。

  手机加速计还可以像记步器那样通过测量用户的加速度并估计所行的距离来计算用户行进的步数。此外,通过指挥任天堂Tilt和Tumble Kirby游戏中的运动以及适合于该公司流行的Wii控制台的控制器中的运动,加速计已经在视频游戏中获得了成功。

  与8位控制标准不同的是,在大多数手持设备中,加速计可以通过改变倾斜度来提高光标速度来实现可变(模拟)控制。此外还可以采用三轴(Z)加速器用于跳跃运动。由于手持设备的初始位置可以是任何方向(例如,用户可能会躺着使用),因此游戏一般以设置光标的不确定位置的按键开始。  

  芬兰公司VTI Technologies为瑞士一家生产被称为“ikcal”的手表型生物反馈设备的制造商提供其SCA3000三轴加速计。这个设备测量个体通过身体活动所消耗的卡路里,并且每天将其与个人摄取的能量(以食物补充的形式)进行对比。此外,该技术还可以通过测量人的心率并将其转换成大卡来测量身体活动。

  便宜的解决方案

  低成本MEMS陀螺仪正在投放到巨大的消费电子市场中。迄今为止,大多数这些器件都被用于注重坚固性、可靠性和性能的汽车领域中。

  Systron Donner Automotive Division生产的基于石英的Micro Gyro陀螺仪已在自动电子稳定性控制应用中获得了成功(图5)。但是这些器件往往比消费电子中所需的器件更昂贵(每轴10美元左右)。

  

  

  

  

  图5:Systron Donner Automotive Division生产的基于石英的Micro Gyro陀螺仪目标针对汽车应用。   

  运动传感MEMS传感器Fabless供应商和陀螺仪制造商InvenSense在去年年末宣布量产集成的双轴陀螺仪系列产品,目标价格在每轴1美元以下。该公司计划在本月推出其最新的用于空中滑鼠(air mouse)的MEMS陀螺仪,该产品针对新一代IPTV(互联网协议电视)应用,如观看视频影集。

  该公司的设计基于双芯片体硅工艺,采用电子和晶圆级封装的晶圆级集成。由InvenSense开发的专有焊接工艺使得该公司能够在几乎任何CMOS平台上开发电子产品,并且能以晶圆级集成成品。

  “我们是唯一一家提供双轴集成MEMS陀螺仪的公司。”InvenSense CEO Steve Nasiri表示,“与拥有iMEMS陀螺仪的ADI以及Bosch等其它单轴MEMS陀螺仪制造商不同的是,我们的陀螺仪采用传感装置随着XY平面被抬升或压低的面外(out-of-plane)传感。”

  MEMS陀螺仪将以新的性能水平进行运动传感。目前的运动传感器采用加速计(重力传感)或者能够感知由于重力矢量变化引起的线性运动或转动运动的磁传感器(地球的磁场传感)。

  “这种对外力的依赖性可能会为产生错误和重大误差埋下隐患。”Nasiri表示,“陀螺仪是唯一可以提供有关转动的完全信息而无需任何外力的传感器。”

  MEMS陀螺仪还可用于消除摄像机、照相机以及运动传感游戏控制器的抖动。事实上,InvenSense表示,InvenSense的技术已被设计到市场上现有的许多数字视频和数码相机产品中。该公司在光学图像稳定电路中采用了其IDG-1000双轴MEMS陀螺仪(图6)。  

  

  图6:现在许多照相机都采用InvenSense的双轴陀螺仪来消除抖动(由InvernSense公司提供)。   

  Hewlett-Packard目前正在开发将会与该公司的MEMS加速计集成的MEMS陀螺仪。这个计划将利用HP喷墨打印头中采用的与电子学相结合的微流体专门技术。该公司预计将出现一个针对陀螺仪的消费电子利基市场,这种陀螺仪具有在手机、视频游戏和智能GPS系统中“推算位置(dead reckoning)”的能力。

  还出现了一种有时容易与陀螺仪混淆的完全集成的惯性测量设备(IMU)。IMU并不是陀螺仪。在汽车中,IMU系统包含一个六自由度IMU(x、y、z线性率数据和x、y、z角速率陀螺仪数据)以及一个用于碰撞检测的medium-g系列双轴传感器。IMU是传感器总成的一部分,它可以为碰撞检测、车辆动态控制、导航和驾驶信息以及车身/底盘控制等不同的系统提供信息。

  尽管至今还没有生产出完全集成的IMU,但一切都在进展之中。Honeywell正在为军队生产专为军备应用和航空应用设计的完全集成的产品。但是以合理的成本和合理的尺寸将IMU的所有电路集成到一个封装中是一个严峻的挑战。

  光明的前景

  有关运动传感器的研究仍在一如既往地继续,其未来的发展前景光明。各种多轴MEMS加速计的制造商飞思卡尔半导体正联合位于Gainesville的佛罗里达大学研究人员合作创建制造高性能、极低成本的MEMS加速计的先进工艺。

  到目前为止的成果包括采用双断续放大器、具有低噪声和低功率性能的单片CMOS MEMS三轴加速计的开发。该器件大约3mm2左右,功耗仅1mW,在侧面和z轴平面的灵敏度分别为560mV/g和320mV/g。本底噪声分别为12mg/√Hz(低)和110mg/√Hz。

  在市场报告和市场预测中可以看到,MEMS运动传感器具有繁荣的未来。据调查公司IC Insights的资料显示,运动MEMS销售量正在以普通IC增长率的两倍增长。

  InvenSense的Nasiri说:“我认为运动传感器存在20亿美元的市场总额,其中MEMS陀螺仪是一个关键元件。”

关键字:MEMS  运动传感器  手势识别  压阻  惯性传感器  对流传热  磁场传感器  形状因子

编辑:ssb 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2008/0409/article_9.html
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