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(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行位置檢測(cè)，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(lái)越多。例如，可提供識(shí)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(kāi)發(fā)的通過(guò)用MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)：Micro Electro Mechanical Systems)氣壓傳感器檢測(cè)高度，用地磁傳感器(MI)檢測(cè)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(cè)種類(lèi)，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(guò)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(lái)檢測(cè)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(chǎng)日益擴(kuò)大的智能手機(jī)、可穿戴式設(shè)備和活動(dòng)追蹤器等領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)出可檢測(cè)氣壓信息、用于高度和高低差檢測(cè)的氣壓傳感器“BM1383GLV”，并已于2015年4月開(kāi)始投入量產(chǎn)。該產(chǎn)品融入了ROHM多年積累的傳感器開(kāi)發(fā)技術(shù)訣竅，并搭載高精度的檢測(cè)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(jí)別的相對(duì)高度精度±20cm(相對(duì)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(cè)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(cè)。(圖3)同時(shí)，無(wú)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(jí)別(2.5mm×2.5mm×0.95mm)的封裝尺寸。

圖2：氣壓檢測(cè)結(jié)果例

圖3：溫度依存氣壓檢測(cè)結(jié)果例

隨著氣壓傳感器的用途越來(lái)越廣泛，對(duì)更高精度的氣壓檢測(cè)和高度檢測(cè)功能的需求越來(lái)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(duì)傳感器的小型化要求也越來(lái)越強(qiáng)烈。為滿足這些需求，ROHM預(yù)計(jì)于2016年4月份開(kāi)始量產(chǎn)“BM1385GLV”。該產(chǎn)品繼承了已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)的BM1383GLV的特點(diǎn)，并通過(guò)優(yōu)化氣壓檢測(cè)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(cè)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(shì)的MR(Magneto-Resistive)元件的，但存在移動(dòng)設(shè)備的耗電問(wèn)題。針對(duì)這些課題，ROHM于2013年開(kāi)始與愛(ài)知制鋼株式會(huì)社開(kāi)展業(yè)務(wù)合作，聯(lián)合開(kāi)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(guò)非晶絲周邊形成的拾波線圈(Pickup Coil)檢測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)精度誤差±0.3度以下，有助于推動(dòng)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(dòng)設(shè)備的超低功耗。(圖6)

圖5：方位誤差實(shí)測(cè)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(cè)(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(cè)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(zhǎng)時(shí)間使用。作為擁有這些優(yōu)勢(shì)的MI傳感器的未來(lái)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(huà)面中鎖定并識(shí)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(huà)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(shí)別眼前的建筑物并自動(dòng)訪問(wèn)該建筑物的網(wǎng)頁(yè)等服務(wù)。這些只有方位檢測(cè)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(kāi)發(fā)，通過(guò)不斷滿足市場(chǎng)需求為世界貢獻(xiàn)力量。