推動(dòng)創(chuàng)新型消費(fèi)電子應(yīng)用發(fā)展的MEMS傳感器

盡管2009年全球經(jīng)歷了空前的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，但是MEMS市場(chǎng)并未受到影響，市場(chǎng)規(guī)模幾乎與2008持平，出貨量與2008年同期相比大約增長(zhǎng)了10%。這些數(shù)據(jù)表明，MEMS在消費(fèi)電子市場(chǎng)的滲透率正在不斷提高。iSuppli最新一份市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，2010年及以后的MEMS市場(chǎng)前景光明，預(yù)計(jì)2010年MEMS市場(chǎng)將重新恢復(fù)兩位數(shù)的增幅，而2009-2013期間的總年復(fù)合增長(zhǎng)率更是會(huì)達(dá)到12.2%。

事實(shí)上，MEMS傳感器是消費(fèi)電子實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用不可或缺的關(guān)鍵元器件。近年來(lái)，從游戲機(jī)到手機(jī)，從筆記本電腦到白色家電，很多消費(fèi)電子產(chǎn)品都利用低g加速計(jì)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制的用戶界面和增強(qiáng)型保護(hù)系統(tǒng)?，F(xiàn)在，該輪到MEMS陀螺儀和地磁感應(yīng)計(jì)發(fā)揮作用，推動(dòng)新一波令人興奮的創(chuàng)新應(yīng)用高速增長(zhǎng)。

有關(guān)能夠測(cè)量線性加速度的MEMS加速計(jì)的技術(shù)文章已經(jīng)很多，因此，本文基本不涉及加速傳感器，而是將更多筆墨留給陀螺儀、地磁感應(yīng)計(jì)等具有多個(gè)自由度檢測(cè)功能的元器件。

MEMS陀螺儀

陀螺儀能夠測(cè)量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的角速度，是補(bǔ)充MEMS加速計(jì)功能的理想技術(shù)。事實(shí)上，如果組合使用加速計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動(dòng)，為最終用戶提供現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。

ST在MEMS市場(chǎng)的份額正在快速增長(zhǎng)。作為全球公認(rèn)的消費(fèi)電子和手機(jī)市場(chǎng)最大的MEMS傳感器供應(yīng)商，ST最近推出了30款以低功耗和小封裝為特色的高性能陀螺儀。

ST陀螺儀的核心元件是一個(gè)微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個(gè)音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)，利用科里奧利原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移。我們以一個(gè)單軸Z軸陀螺儀為例，探討最簡(jiǎn)單的工作原理(圖1)。兩個(gè)正在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動(dòng)，如藍(lán)色箭頭所示。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)科里奧利力，力的方向垂直于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向。產(chǎn)生的科里奧利力使感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因?yàn)椋瑐鞲衅鞲袘?yīng)部分的運(yùn)動(dòng)電極(轉(zhuǎn)子)位于固定電極(定子)的側(cè)邊，上面的位移將會(huì)在定子和轉(zhuǎn)子之間引起電容變化，因此在陀螺儀輸入部分施加的角速率被轉(zhuǎn)化成一個(gè)專用電路可以檢測(cè)的電參數(shù)。


圖 1:單軸MEMS偏航陀螺儀 

ST研制的微機(jī)械陀螺儀傳感器沿用了ST成功的制造技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)已為ST制造了6億多顆加速傳感器，選擇成功的技術(shù)可為客戶提供最先進(jìn)的質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，而且可直接用于最終應(yīng)用。因?yàn)镾T選用了音叉方法設(shè)計(jì)陀螺儀，其差分特性使系統(tǒng)本身對(duì)作用在傳感器上的無(wú)用線性加速度和雜亂振動(dòng)的敏感度低于市場(chǎng)上現(xiàn)有的其它類型陀螺儀。當(dāng)這些無(wú)用的信號(hào)被施加到陀螺儀上時(shí)，兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)就會(huì)沿相同方向位移，在一個(gè)差分測(cè)量后，最終的電容變化將視為無(wú)效。 

在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號(hào)調(diào)節(jié)電路可簡(jiǎn)化為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和加速傳感器感應(yīng)電路兩部分(圖2)：

圖 2:一個(gè)單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

- 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)方法，使機(jī)械元件前后振蕩，產(chǎn)生諧振；

- 感應(yīng)部分通過(guò)測(cè)量電容變化來(lái)測(cè)量科里奧利力在感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生的位移，這是一個(gè)穩(wěn)健、可靠的技術(shù)，被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線，能夠提供強(qiáng)度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數(shù)字信號(hào)。

控制電路內(nèi)部嵌入了先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，可以在不需要傳感器功能的時(shí)候關(guān)閉整個(gè)傳感器，或讓其進(jìn)入深度睡眠模式，從而大幅降低陀螺儀的總功耗；但是，無(wú)論何時(shí)接收到用戶指令，傳感器都可以立刻被喚醒，來(lái)檢測(cè)傳感器上施加的角速率。 

與ST的MEMS加速計(jì)類似，MEMS陀螺儀也沿用一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)方法，機(jī)械感應(yīng)元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個(gè)封裝內(nèi)。智能設(shè)計(jì)方法結(jié)合先進(jìn)的封裝解決方案使得該系列產(chǎn)品的封裝尺寸大幅縮減，多軸陀螺儀的系統(tǒng)封裝面積僅為3x5mm2 ，最大厚度僅為1mm(圖3)，同時(shí)在最終產(chǎn)品的生命周期內(nèi)確保傳感器的穩(wěn)定性和高性能。 

圖 3:采用超小LGA封裝的ST多軸陀螺儀