MEMS力拼10自由度，運(yùn)動(dòng)傳感器成為大熱門

引言：傳感器融合將為高精度運(yùn)動(dòng)檢測(cè)在手機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、游戲機(jī)等便攜電子設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用創(chuàng)造更多新機(jī)會(huì)，空中鼠標(biāo)、智能遙控器、LBS等都是未來(lái)十分看好的應(yīng)用。就在各種6自由度、9自由度器件不斷問(wèn)世之際，10自由度MEMS產(chǎn)品也已悄然問(wèn)世。

伴隨著MEMS傳感器“融合”的誕生，以iPhone和iPad為代表的消費(fèi)電子產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)感知能力正在發(fā)生根本性改變?！爸悄苁謾C(jī)與平板是驅(qū)動(dòng)今年增長(zhǎng)的關(guān)鍵力量，這些產(chǎn)品中很多已經(jīng)具有3軸加速計(jì)、3軸陀螺儀、麥克風(fēng)、立體聲波濾波器等標(biāo)準(zhǔn)MEMS器件。”意法半導(dǎo)體（ST）模擬、MEMS和傳感器部門應(yīng)用經(jīng)理Paolo Bendiscioli對(duì)電子工程專輯記者表示。

來(lái)自IHS公司的消費(fèi)與移動(dòng)MEMS市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，2011年消費(fèi)與移動(dòng)MEMS營(yíng)業(yè)收入將有望達(dá)到22.5億美元，取得迄今以來(lái)最高的增長(zhǎng)率37%。而2010年創(chuàng)下的最高增長(zhǎng)率則是27%，營(yíng)業(yè)收入達(dá)到了16.4億美元。該公司預(yù)測(cè)說(shuō)，2015年全球MEMS營(yíng)業(yè)收入將比2010年增長(zhǎng)近兩倍，達(dá)到45.4億美元，2010-2015年的復(fù)合年度增長(zhǎng)率約為22.5%。

要想在消費(fèi)電子市場(chǎng)取得成功，廠商就必須通過(guò)規(guī)模經(jīng)濟(jì)取勝，并且能夠提供廣泛的解決方案。ST稱，他們預(yù)見(jiàn)到了MEMS在消費(fèi)類電子、醫(yī)療保健，工業(yè)和汽車市場(chǎng)強(qiáng)勁的需求態(tài)勢(shì)，因此大幅度提高了其MEMS產(chǎn)能。目前，ST MEMS傳感器的產(chǎn)能已達(dá)300萬(wàn)/天，且是世界上第一家制造基于8英寸晶圓工藝MEMS器件制造商。

力拼10自由度

傳感器融合一直是MEMS產(chǎn)業(yè)的熱議話題，而新興的移動(dòng)消費(fèi)電子應(yīng)用，如位置相關(guān)服務(wù)（LBS）、室內(nèi)及多樓層盲區(qū)導(dǎo)航功能等，也需要復(fù)雜程度更高的感應(yīng)功能。ST大中華及南亞區(qū)模擬與微電機(jī)系統(tǒng)部市場(chǎng)部經(jīng)理吳衛(wèi)東認(rèn)為，傳感器融合將為高精度運(yùn)動(dòng)檢測(cè)在手機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、游戲機(jī)及眾多的便攜電子設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用創(chuàng)造更多新機(jī)會(huì)，空中鼠標(biāo)、智能遙控器、LBS等都是ST未來(lái)十分看好的應(yīng)用。

就在各種6自由度、9自由度器件不斷問(wèn)世之際，10自由度MEMS產(chǎn)品也已悄然問(wèn)世。ST近日就推出了10自由度（DoF）傳感器應(yīng)用整體解決方案，包括三軸地磁模塊LSM303DLHC（包含三軸線性運(yùn)動(dòng)和三軸地磁運(yùn)動(dòng)傳感器）、三軸數(shù)字陀螺儀L3G4200D和壓力傳感器。從而使消費(fèi)電子產(chǎn)品具備立即獲得線性加速度、角速率、地球引力、前進(jìn)方向和海拔高度等完整3D立體地理信息指示的能力，且不受GPS衛(wèi)星信號(hào)消逝或變?nèi)醯挠绊憽?/P>

此外，為了將MEMS傳感器和多軸慣性模塊的全部功能發(fā)揮到極致，ST還同時(shí)發(fā)布了iNEMO引擎?zhèn)鞲衅髡咸准?。Paolo Bendiscioli強(qiáng)調(diào)稱，iNEMO引擎是“業(yè)界首款完整可定制的多軸MEMS傳感器軟硬件解決方案”，能夠加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)識(shí)別和前進(jìn)方向精度識(shí)別功能。

基于卡爾曼濾波器（Kalman Filter）理論，iNEMO引擎采用一套自適應(yīng)預(yù)測(cè)和濾波算法，能夠識(shí)別由加速度計(jì)、陀螺儀、羅盤以及壓力傳感器組成的多個(gè)傳感器的輸入信息，并可自動(dòng)修正傳感器的測(cè)量失真、錯(cuò)誤以及干擾，從而大幅提升用戶體驗(yàn)以及感應(yīng)精度、分辨率、穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間。幾個(gè)月前，ST宣布與微軟合作，以確保在基于Windows 8的平板電腦和計(jì)算機(jī)中可快速采用其MEMS傳感器及相關(guān)技術(shù)。

ADI最近也新增了戰(zhàn)術(shù)級(jí)（零偏穩(wěn)定度低于10o/小時(shí)）角速率陀螺儀ADIS16136和十自由度慣性測(cè)量單元（IMU）ADIS16488。ADIS16136的典型零偏穩(wěn)定度達(dá)到了3.5o/小時(shí)，采用火柴盒大小的模塊封裝，功耗低于1W，重量?jī)H為25克。ADI方面稱，與昂貴的光纖陀螺儀相比，新款陀螺儀的穩(wěn)定度和角度隨機(jī)游走特性與之相當(dāng)，但線性度卻提高2倍，啟動(dòng)時(shí)間快30倍，功耗低5倍，且無(wú)需用戶配置就能產(chǎn)生精密準(zhǔn)確的速率檢測(cè)數(shù)據(jù)。

而ADIS16488則在單封裝中集成一個(gè)三軸陀螺儀、一個(gè)三軸加速度計(jì)、一個(gè)三軸磁力計(jì)和一個(gè)壓力傳感器。ADI微機(jī)械產(chǎn)品線高級(jí)應(yīng)用工程師趙延輝表示，除了重要的戰(zhàn)術(shù)級(jí)（低于10o/小時(shí)）零偏穩(wěn)定度以外，在重力加速度效應(yīng)、溫度系數(shù)和帶寬等更重要的特性方面，ADIS16488同樣超過(guò)所有其它同類陀螺儀IMU產(chǎn)品，改善幅度最多可達(dá)100倍。此外，在對(duì)線性加速度和振動(dòng)加速度抑制方面，ADIS16488性能甚至還超過(guò)了傳統(tǒng)軍用級(jí)IMU。

眾所周知，MEMS陀螺儀一直以來(lái)是最難設(shè)計(jì)和制造的MEMS器件，特別是當(dāng)許多新興工業(yè)自動(dòng)化和儀器儀表應(yīng)用要求高性能和低功耗時(shí)更是如此。趙延輝表示，iMEMS陀螺儀是基于ADI前三代MEMS陀螺儀開(kāi)發(fā)的第四代器件，采用先進(jìn)的差分四傳感器設(shè)計(jì)，可在強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)狀態(tài)下精確地工作。這種MEMS陀螺儀具有魯棒性能和6mA的低功耗特性，可有效地用于多種應(yīng)用，如機(jī)器人、工業(yè)儀器、航空以及用于高速列車的平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)。

不過(guò)，多傳感器集成化在現(xiàn)階段對(duì)于MEMS制造工藝依然是不小的挑戰(zhàn)?！斑@是因?yàn)榧赡K的制作工藝更難，生產(chǎn)良率也會(huì)顯著下降，只有充分掌握其中每一門技術(shù)，才能保證器件的性能穩(wěn)定性?！盤aolo Bendiscioli表示，“我們已經(jīng)宣布將硅通孔技術(shù)（TSV）應(yīng)用于大批量MEMS生產(chǎn)中，這對(duì)在智能傳感器和多軸慣性模塊中實(shí)現(xiàn)高性能3D芯片集成來(lái)說(shuō)，是具有里程碑性質(zhì)的事件?！?/P>

高集成度是否將催生MCU傳感器

“要想從MEMS內(nèi)核獲得更高的性能，傳感器與信號(hào)處理就必須結(jié)合，而這正是ADI的核心優(yōu)勢(shì)?！壁w延輝強(qiáng)調(diào)說(shuō)。他分析認(rèn)為，要想在MEMS市場(chǎng)獲得成功，供應(yīng)商不僅應(yīng)該關(guān)注基本運(yùn)動(dòng)檢測(cè)或增加新功能，還必須能夠應(yīng)對(duì)更多需求和挑戰(zhàn)，包括在各種振動(dòng)/溫度差異，以及巨大幅度沖擊環(huán)境下，保持足夠的靈敏度、噪聲等關(guān)鍵特性。此外，設(shè)計(jì)人員還要有能力提供更具價(jià)值的系統(tǒng)性能優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程的自動(dòng)化、并減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，從而降低成本。[!--empirenews.page--]

隨著MEMS傳感器集成化程度的加劇，是否將催生DSP/MCU傳感器與專用硬件也是業(yè)界討論的焦點(diǎn)。最具代表性的是飛思卡爾（Freescale）提出的塔式系統(tǒng)（Tower System）概念。該平臺(tái)包含一系列的開(kāi)發(fā)套件，主要以8位、16位、32位微控制器為核心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，最大特色為模塊化特性和強(qiáng)大的擴(kuò)展性。控制器模塊提供易于使用、可重構(gòu)的硬件；可搭配可互換的外圍模塊，諸如串口、存儲(chǔ)區(qū)及液晶顯示模塊等。而將多種MEMS傳感器和MCU功能融合在一個(gè)平臺(tái)上的“傳感系統(tǒng)”就是其中之一，F(xiàn)reescale方面認(rèn)為這代表了傳感器發(fā)展的未來(lái)。

不過(guò)吳衛(wèi)東則對(duì)此評(píng)價(jià)說(shuō)，“不能一概而論”。盡管ST結(jié)合MCU的MEMS模塊已近在研發(fā)當(dāng)中，技術(shù)上不存在任何問(wèn)題。但他認(rèn)為，首先只有真正商用化的量產(chǎn)方案才有實(shí)際意義。更重要的是，不同應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)MCU的需求不同，在為客戶開(kāi)發(fā)帶來(lái)便利性的同時(shí)有可能是以犧牲靈活性為代價(jià)的，所以集成并非絕對(duì)的好，需要針對(duì)應(yīng)用具體分析；其次，消費(fèi)類市場(chǎng)對(duì)成本極為敏感，模塊化方案的性價(jià)比是否就一定優(yōu)于單個(gè)器件，也需要仔細(xì)斟酌。

趙延輝認(rèn)為，目前，MEMS器件發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、測(cè)試、分析、嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)、以及電源管理技術(shù)，其中優(yōu)化解決方案所需要的許多其它要素也為技術(shù)工程師提出了許多挑戰(zhàn)?！拔覀冋J(rèn)為，在未來(lái)的10年中，MEMS傳感器設(shè)計(jì)仍需要更進(jìn)一步的優(yōu)化。同時(shí)，將MEMS芯片與IC芯片整合、封裝在一起也會(huì)是集成電路技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，這是傳統(tǒng)IC廠商的新機(jī)遇，企業(yè)只有不斷創(chuàng)新才能獲取更多的利潤(rùn)?！?/P>