隨著可穿戴式設備的普及，在室內也可像GPS一樣在移動過程中實時進行位置檢測，并可準確指向包括立體信息在內的目的地的3D室內導航應用解決方案已經越來越多。例如，可提供識別在幾樓的哪個位置等建筑物內的導航功能。為實現(xiàn)這種3D室內導航，就需要比以往精度更高的傳感器，ROHM新開發(fā)的通過用MEMS(微機電系統(tǒng)：Micro Electro Mechanical Systems)氣壓傳感器檢測高度，用地磁傳感器(MI)檢測方位的方式，可實現(xiàn)更高精度的導航。
【壓阻式氣壓傳感器】
氣壓傳感器分不同的檢測種類，ROHM的氣壓傳感器則是利用了壓阻效應。壓阻式氣壓傳感器利用了將形成的真空腔和硅基板通過蝕刻等在薄膜片(受壓部)上擴散和離子注入而形成的Gauge電阻(壓阻)的壓阻效應。(圖1)
圖1：氣壓傳感器截面圖
壓阻效應與因應力產生的極化現(xiàn)象--壓電效應不同，是因施加于電阻的應力使電導率即電阻率變化的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是晶格因所施加的應力產生畸變，使半導體中的載流子數(shù)量和遷移率發(fā)生變化而引起的。膜片受到壓力而彎曲時，各Gauge電阻產生與膜片的彎曲量相應的應力。Gauge電阻(壓阻)的電阻率與該應力成正比變化，將由此產生的電阻變化作為電壓變化來檢測出氣壓。但是，由于該電阻的變化極其微小，因此，利用4個電阻的惠斯通電橋電路實現(xiàn)高靈敏度。
此次，ROHM面向市場日益擴大的智能手機、可穿戴式設備和活動追蹤器等領域，開發(fā)出可檢測氣壓信息、用于高度和高低差檢測的氣壓傳感器“BM1383GLV”，并已于2015年4月開始投入量產。該產品融入了ROHM多年積累的傳感器開發(fā)技術訣竅，并搭載高精度的檢測用MEMS和低功耗高精度的A/D轉換器，實現(xiàn)了業(yè)界最高級別的相對高度精度±20cm(相對氣壓精度±0.024hPa)。(圖2)另外，傳統(tǒng)氣壓傳感器存在著低溫時的檢測精度很難提高的課題，而ROHM利用獨創(chuàng)的校正算法，在IC內部進行溫度校正，實現(xiàn)了低溫下的高精度氣壓檢測。(圖3)同時，無需再給外部的微控制器搭載溫度校正功能，這非常有助于減輕設計負擔，成功實現(xiàn)了傳感模塊和運算模塊的小型化。從而作為內置溫度校正功能的氣壓傳感器實現(xiàn)了業(yè)界最小級別(2.5mm×2.5mm×0.95mm)的封裝尺寸。
圖2：氣壓檢測結果例
圖3：溫度依存氣壓檢測結果例
隨著氣壓傳感器的用途越來越廣泛，對更高精度的氣壓檢測和高度檢測功能的需求越來越大;同時，隨著智能手機和可穿戴式設備的小型化、高性能化發(fā)展，對傳感器的小型化要求也越來越強烈。為滿足這些需求，ROHM預計于2016年4月份開始量產“BM1385GLV”。該產品繼承了已經開始量產的BM1383GLV的特點，并通過優(yōu)化氣壓檢測用MEMS和控制電路，使面積比ROHM以往產品再縮減36%，是世界最小封裝(2.0mm×2.0mm×1.0mm)的氣壓傳感器。(圖4)(截至2015年7月14日ROHM調查數(shù)據(jù))
圖4：PKG尺寸示意圖
【采用MI元件的地磁傳感器】
以往，檢測方位的地磁傳感器多采用霍爾元件，但這種地磁傳感器存在精度低的課題，一直阻礙著室內導航的普及。另外，也有采用具有精度優(yōu)勢的MR(Magneto-Resistive)元件的，但存在移動設備的耗電問題。針對這些課題，ROHM于2013年開始與愛知制鋼株式會社開展業(yè)務合作，聯(lián)合開發(fā)出在精度、耗電等方面領先現(xiàn)有技術的采用MI元件的地磁傳感器。MI元件是指給特殊的非晶絲施加脈沖電流，通過非晶絲周邊形成的拾波線圈(Pickup Coil)檢測此時的Magneto-Impedance變化的元件。ROHM的BM14××系列(chip size 2.0×2.0×1.0mm)是將這種MI元件通過X軸、Y軸、Z軸三軸和控制用ASIC一體化封裝的IC芯片。
這種地磁傳感器(MI傳感器)具有以下兩個特點。第一個特點是檢測精度誤差在世界任何地方均可達±0.3度以下。(圖5)
與搭載了高靈敏度MI元件和超強抗噪的高精度A/D轉換器的模擬前端電路相結合，成功將σ噪音的影響降低到0.06μT，僅為普通產品的1/7。由此，實現(xiàn)了業(yè)界最高的方位檢測精度誤差±0.3度以下，有助于推動IoT和傳感器網(wǎng)絡的創(chuàng)新速度，實現(xiàn)以室內導航為首的嶄新的傳感器應用。第二個特點是非常適合移動設備的超低功耗。(圖6)
圖5：方位誤差實測比較
圖6：功耗比較
普通的地磁傳感器為提高精度，需要增加感測(運算)次數(shù)，求出平均值，但高靈敏度的MI傳感器即使減少感測次數(shù)也可實現(xiàn)高精度，因此，可大幅降低運算處理所需的電量。本產品實現(xiàn)了業(yè)界最小的耗電量0.15mA(100Hz時)，僅為普通產品的1/20，非常有助于智能手機和可穿戴式設備的長時間使用。作為擁有這些優(yōu)勢的MI傳感器的未來應用，就包括增強現(xiàn)實(Augmented reality)服務。這是將眼前的現(xiàn)實顯示在智能手機或平板電腦上，從其畫面中鎖定并識別物體的位置信息、方位信息，將該物體的信息從網(wǎng)上檢索到并在畫面上疊加顯示的服務。另外，如果與地圖服務并用，還可實現(xiàn)識別眼前的建筑物并自動訪問該建筑物的網(wǎng)頁等服務。這些只有方位檢測精度非常高的MI傳感器才可能實現(xiàn)。
今后，ROHM將繼續(xù)推進傳感器網(wǎng)絡不可或缺的小型高精度傳感器產品的開發(fā)，通過不斷滿足市場需求為世界貢獻力量。
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