羅姆的氣壓傳感器／地磁傳感器／MEMS技術(shù)助力可穿戴設(shè)備

隨著可穿戴式設(shè)備的普及，在室內(nèi)也可像GPS一樣在移動過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行位置檢測，并可準(zhǔn)確指向包括立體信息在內(nèi)的目的地的3D室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用解決方案已經(jīng)越來越多。例如，可提供識別在幾樓的哪個(gè)位置等建筑物內(nèi)的導(dǎo)航功能。為實(shí)現(xiàn)這種3D室內(nèi)導(dǎo)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(jī)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(shí)現(xiàn)更高精度的導(dǎo)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(yīng)。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(kuò)散和離子注入而形成的Gauge電阻(壓阻)的壓阻效應(yīng)。(圖1)

圖1：氣壓傳感器截面圖

壓阻效應(yīng)與因應(yīng)力產(chǎn)生的極化現(xiàn)象--壓電效應(yīng)不同，是因施加于電阻的應(yīng)力使電導(dǎo)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(yīng)力產(chǎn)生畸變，使半導(dǎo)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(shí)，各Gauge電阻產(chǎn)生與膜片的彎曲量相應(yīng)的應(yīng)力。Gauge電阻(壓阻)的電阻率與該應(yīng)力成正比變化，將由此產(chǎn)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(gè)電阻的惠斯通電橋電路實(shí)現(xiàn)高靈敏度。

此次，ROHM面向市場日益擴(kuò)大的智能手機(jī)、可穿戴式設(shè)備和活動追蹤器等領(lǐng)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(chǎn)。該產(chǎn)品融入了ROHM多年積累的傳感器開發(fā)技術(shù)訣竅，并搭載高精度的檢測用MEMS和低功耗高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)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(shí)的檢測精度很難提高的課題，而ROHM利用獨(dú)創(chuàng)的校正算法，在IC內(nèi)部進(jìn)行溫度校正，實(shí)現(xiàn)了低溫下的高精度氣壓檢測。(圖3)同時(shí)，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(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，成功實(shí)現(xiàn)了傳感模塊和運(yùn)算模塊的小型化。從而作為內(nèi)置溫度校正功能的氣壓傳感器實(shí)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(jié)果例

圖3：溫度依存氣壓檢測結(jié)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(shí)，隨著智能手機(jī)和可穿戴式設(shè)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(qiáng)烈。為滿足這些需求，ROHM預(yù)計(jì)于2016年4月份開始量產(chǎn)“BM1385GLV”。該產(chǎn)品繼承了已經(jīng)開始量產(chǎn)的BM1383GLV的特點(diǎn)，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(chǎn)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(diào)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(nèi)導(dǎo)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(shè)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(wù)合作，聯(lián)合開發(fā)出在精度、耗電等方面領(lǐng)先現(xiàn)有技術(shù)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(shí)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(gè)特點(diǎn)。第一個(gè)特點(diǎn)是檢測精度誤差在世界任何地方均可達(dá)±0.3度以下。(圖5)

與搭載了高靈敏度MI元件和超強(qiáng)抗噪的高精度A/D轉(zhuǎn)換器的模擬前端電路相結(jié)合，成功將σ噪音的影響降低到0.06μT，僅為普通產(chǎn)品的1/7。由此，實(shí)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(luò)的創(chuàng)新速度，實(shí)現(xiàn)以室內(nèi)導(dǎo)航為首的嶄新的傳感器應(yīng)用。第二個(gè)特點(diǎn)是非常適合移動設(shè)備的超低功耗。(圖6)

圖5：方位誤差實(shí)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(yùn)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(shí)現(xiàn)高精度，因此，可大幅降低運(yùn)算處理所需的電量。本產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最小的耗電量0.15mA(100Hz時(shí))，僅為普通產(chǎn)品的1/20，非常有助于智能手機(jī)和可穿戴式設(shè)備的長時(shí)間使用。作為擁有這些優(yōu)勢的MI傳感器的未來應(yīng)用，就包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented reality)服務(wù)。這是將眼前的現(xiàn)實(shí)顯示在智能手機(jī)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(wù)。另外，如果與地圖服務(wù)并用，還可實(shí)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(wù)。這些只有方位檢測精度非常高的MI傳感器才可能實(shí)現(xiàn)。

今后，ROHM將繼續(xù)推進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)不可或缺的小型高精度傳感器產(chǎn)品的開發(fā)，通過不斷滿足市場需求為世界貢獻(xiàn)力量。