高性能MEMS傳感器進(jìn)一步縮減尺寸，開辟移動設(shè)備新時代

      微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)運(yùn)動IC在走向更高的集成度、更小的芯片尺寸、更低的成本以及更高的性能和可靠性。這些趨勢在最新的加速度計(jì)、陀螺儀和慣性測量單元(IMU)上得到了體現(xiàn)，使得MEMS器件得以滿足多種下一代電子產(chǎn)品，特別是消費(fèi)電子產(chǎn)品的需求。

      半導(dǎo)體制造商以及領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)在利用最新的硬件和軟件，為現(xiàn)有以及新的市場開發(fā)能體現(xiàn)MEMS技術(shù)主要優(yōu)勢(即成本低、體積小)的運(yùn)動感知器件。這些技術(shù)進(jìn)步使開發(fā)具有特色的運(yùn)動傳感器IC成為可能。各公司借助這些傳感器開發(fā)出尖端產(chǎn)品、從而在競爭激烈的市場中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。

      MEMS加速度計(jì)和陀螺儀是正在迅速增長的市場。市場研究公司Yole Developpement預(yù)測，2013年MEMS加速度計(jì)和陀螺儀的復(fù)合市場將達(dá)約30億美元(圖1)。而在2008年該市場是18.5億美元，當(dāng)時全球大約生產(chǎn)了8.59億個MEMS加速度計(jì)和陀螺儀。

      另一家市場研究公司iSuppli預(yù)測，2010年的MEMS市場將從2006年的56億美元上升到83億美元，這個市場包含除運(yùn)動感知傳感器之外的許多其它功能的傳感器。

圖1：MEMS加速度和陀螺儀市場在2013年達(dá)到30億美元

      消費(fèi)電子推動MEMS傳感器市場繁榮

      盡管安全氣囊、制動壓力(電子穩(wěn)定控制或稱ESC)、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)等汽車電子應(yīng)用仍占主導(dǎo)，但MEMS傳感器在消費(fèi)市場的使用量將在2012年超過汽車市場。消費(fèi)電子市場是MEMS傳感器發(fā)展的重要推手，其它快速增長的市場包括家庭保健醫(yī)療設(shè)備、軍事和工業(yè)應(yīng)用等。

      手機(jī)、小家電、電子游戲、遠(yuǎn)程控制、智能書、移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及個人導(dǎo)航設(shè)備(PND)等消費(fèi)電子產(chǎn)品要求體積更小、功耗更低的MEMS加速度計(jì)。用于上述產(chǎn)品的MEMS加速度計(jì)芯片的需求量很大，因?yàn)樵S多此類產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中都要用到若干個加速度計(jì)，且必須由電池供電，而且還要求更長的電池續(xù)航時間。

      消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)已受益于批量單價現(xiàn)已低于1美元的低成本、多軸MEMS加速度計(jì)。“盡管消費(fèi)者花在大宗電子和移動產(chǎn)品方面的支出在大幅削減，但MEMS產(chǎn)業(yè)仍得益于移動手機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品對其需求而繼續(xù)蓬勃發(fā)展?！眎Suppli的總監(jiān)兼首席分析師Jeremie Bouchaud表示，“包括對具有基于直觀運(yùn)動界面的移動設(shè)備的渴望，以及對提供豐富和現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的追求等諸多因素，造就著MEMS傳感器的成功?！?/P>

      消費(fèi)者對手勢識別、方位感知、單點(diǎn)輕敲、雙點(diǎn)輕敲、自由落體、晃動等實(shí)時運(yùn)動檢測功能的需求越來越多。MEMS加速度計(jì)制造商通過開發(fā)除感知元件以外還整合了相關(guān)電路和嵌入式軟件算法等方案，使設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)這些特性的任意組合時具有比以往更高的精度、更大的靈活性。

      “手機(jī)使用的加速度計(jì)是目前MEMS傳感器的主要市場?！眎Suppli的分析師Richard Dixon稱。

      “在2007年，只有3％的手機(jī)采用了加速度計(jì)。不過，歸功于MEMS技術(shù)的進(jìn)步以及消費(fèi)者對更完美用戶接口的需求，到2010年，預(yù)計(jì)有33％的手機(jī)采用加速度計(jì)。”飛思卡爾半導(dǎo)體傳感器和執(zhí)行器解決方案部副總裁兼總經(jīng)理Demetre Kondylis表示。

      市場調(diào)研公司IDC也提出了類似的前瞻性預(yù)測。該公司稱：“盡管經(jīng)濟(jì)不景氣，但與2008年第四季度比，智能手機(jī)銷量在2009年第四季度還是同比增長了39％。2009年的智能手機(jī)出貨量達(dá)到1.742億部，比2008年的1.514億部同比增長15.1％，預(yù)計(jì)這一上升趨勢將持續(xù)下去?！?/P>

      改善移動連接體驗(yàn)

      最近新推出的許多三軸MEMS加速度計(jì)，都是針對智能消費(fèi)電子產(chǎn)品。這些電子產(chǎn)品借助能更快、更精準(zhǔn)地感知運(yùn)動的特性來改善用戶的移動連接體驗(yàn)。

      飛思卡爾半導(dǎo)體的低功耗、12位、三軸MEMS加速度計(jì)MMA8450Q(圖2)就是其中一個例子。飛思卡爾半導(dǎo)體采用系統(tǒng)級方法來開發(fā)這款傳感器，并利用了其電源管理、基于ARM的i.MX處理器、傳感器和軟件方面的專長。

圖2：MMA8450Q低功耗12位三軸MEMS加速度計(jì)可改善消費(fèi)者的移動連接體驗(yàn)

      “該芯片代表了一種非常高端和高效的設(shè)計(jì)?！憋w思卡爾半導(dǎo)體慣性傳感器營銷經(jīng)理Michelle Kelsey表示。

      該IC內(nèi)的感知元件借助內(nèi)置的XYZ采樣先進(jìn)先出(FIFO)存儲器、高通濾波器和嵌入算法等智能特性實(shí)現(xiàn)運(yùn)動感知?？捎玫那度牍δ馨ǘㄎ弧吸c(diǎn)、雙點(diǎn)、搖晃、自由落體和振動感知。

      “FIFO和可配置性是保證MMA8450Q性能的關(guān)鍵，它們確保來自任何特定感知元件的數(shù)據(jù)都不會丟失?！盞elsey補(bǔ)充說道。

      在3×3×1mm封裝內(nèi)，該芯片提供所有的先進(jìn)特性，包括：接到I2C端口的12位數(shù)字輸出；±2、±4和±8g的加速度范圍；關(guān)機(jī)狀態(tài)下僅2μA的電流消耗；1.71~1.89V直流工作電源；用于8個中斷源的兩個可編程引腳。

      MMA8450Q的功耗特性也非常搶眼。在待機(jī)模式，在一個I2C端口工作的情況下，MMA8450Q的功耗只有10μA。在工作模式下，MMA8450Q的典型功耗為27μA(50Hz輸出數(shù)據(jù)速率)或42μA(100Hz輸出數(shù)據(jù)速率)。

      在三軸數(shù)字輸出KXTE9MEMS加速度計(jì)中，Kionix也嵌入了用于方位和活動監(jiān)測的算法。該加速度計(jì)采用3×3×0.98mm的LGA封裝，工作電壓為1.8至3.6V，功耗僅30μA。飛思卡爾還計(jì)劃推出應(yīng)用開發(fā)工具，它們將有助于接入集成在芯片內(nèi)的系統(tǒng)級功能。

      減小芯片尺寸

      VTI Technologies、意法半導(dǎo)體和Bosch Sensortec等MEMS IC制造商，通過使傳感器更小、更省電來進(jìn)一步擠壓基于MEMS技術(shù)的芯片尺度的邊界。去年，VTI Technologies率先推出了小尺寸三軸MEMS加速度計(jì)——CMA3000(圖3)。這款三軸、低功耗(10μA/1.8V)加速度計(jì)采用2×2×0.98mm封裝。

圖3：VTI Technologies的CMA3000三軸MEMS加速度計(jì)

      意法半導(dǎo)體的LIS3Dx Femto系列三軸數(shù)字加速度計(jì)采用2×2×0.98mm LGA封裝(圖4)，在100Hz采樣速率的全功能模式，功耗僅為10μA，工作電壓僅為1.8V。若降低數(shù)據(jù)速率，還可進(jìn)一步降低功耗，如在25Hz下為4μA，在幾個Hz下為2μA。該芯片具有可編程FIFO存儲器、串行外圍接口(SPI)和I2C接口、單點(diǎn)和雙點(diǎn)運(yùn)動檢測/喚醒、4D/6D方位檢測，以及±2、±4和±8g的加速度范圍。

圖4：LIS3Dx Femto MEMS三軸數(shù)字加速度計(jì)在全功能模式下僅消耗10uA電流

      領(lǐng)先的MEMS傳感器供應(yīng)商Bosch Sensortec也縮小了其MEMS加速度計(jì)的體積(圖5)，其三軸數(shù)字加速度計(jì)BMA220具有與ST同類產(chǎn)品一樣的小巧體積(2×2×0.98mm)，但具有±2、±4、±8和±16g更寬的靈敏度范圍。在全功能模式，該芯片的功耗為250μA(1.8V電源)。此外，根據(jù)不同占空比，其功耗可低至10μA。BMA220是完全可編程的，具有單點(diǎn)、雙點(diǎn)、自動喚醒、振動、中斷和高加速/低加速檢測、可配置步長以及I2C和SPI接口。

圖5：Bosch Sensortec的BMA220三軸數(shù)字加速度計(jì)

      “這款加速度計(jì)可用于獨(dú)特的專用I/O模式，我們將其打造成一款無需微控制器的獨(dú)立器件?！盉osch Sensortec的全球營銷總監(jiān)Leopold Beer解釋說。

      ADI公司是業(yè)內(nèi)最先推出單芯片平面MEMS加速度計(jì)的廠家，該產(chǎn)品是為汽車安全氣囊應(yīng)用而設(shè)計(jì)。此類產(chǎn)品最新器件ADXL346三軸數(shù)字輸出iMEMS加速度計(jì)，具有僅1μA的待機(jī)功耗和35μA的全功能模式功耗。這款可選測量范圍為±2、±4、±8和±16g、13位的器件，具有與眾不同的特性，即在所有測量范圍，都可將分辨率提升到4mg/LSB(最低有效位)。黑莓風(fēng)暴2智能手機(jī)就采用了這款產(chǎn)品。

      “我們專注的是對性能水平有很高要求，且最終用戶愿意為此買單的那些應(yīng)用?！盇DI的MEMS營銷經(jīng)理Wayne Meyer解釋，“根據(jù)具體應(yīng)用，我們可在單一芯片上實(shí)現(xiàn)更高集成度。我們采用單片和混合策略來滿足不同市場需求?！?/P>

      在MXP7205VW/VF MEMS加速度計(jì)中，MEMSIC采用一種熱原理來測量加速度，可承受50,000g的沖擊。在-40℃到105℃的工作溫度范圍，在零g補(bǔ)償下，它具有±30mg的精度。這對汽車電子穩(wěn)定性控制(ESC)應(yīng)用來說，是個重要特性。

      通過采用新奇的慣性感知架構(gòu)，較小的尺寸也被用來開發(fā)更先進(jìn)的性能，這將影響到體積更小、成本更低的MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和IMU的開發(fā)。

      惠普(HP)實(shí)驗(yàn)室的超靈敏慣性MEMS加速度計(jì)平臺(圖6)是MEMS的一個重要發(fā)展，它比大批量商用加速度計(jì)敏感1,000倍以上，且成本低、體積小。它具有亞100 ng√Hz范圍的噪聲密度表現(xiàn)以及130dB的動態(tài)范圍從而大幅提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量，這一切要?dú)w功于使用了大的檢測質(zhì)量(proof mass)

圖6：HP實(shí)驗(yàn)室慣性MEMS加速度計(jì)平臺

      HP表示，該傳感器不僅比其他MEMS傳感器更敏感，且它是以與游戲控制器和汽車安全氣囊所用的當(dāng)今加速度計(jì)相當(dāng)?shù)拇笮?、成本和功耗?shí)現(xiàn)這一敏感得多的功能的。該傳感器是針對汽車、醫(yī)療和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的傳感和監(jiān)控應(yīng)用設(shè)計(jì)的。它充分利用了惠普的MEMS射流技術(shù)。

      “這一新的傳感技術(shù)對實(shí)現(xiàn)惠普的地球中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CENSE)來說至關(guān)重要?！被萜崭呒壯芯繂TPeter Harwell稱，“我們已經(jīng)著手為這一愿景研制下一代傳感器，它將在一個平面芯片上整合三軸慣性傳感器和陀螺儀?！?/P>

      惠普并沒進(jìn)行該傳感器的商業(yè)銷售?！拔覀冇?jì)劃將該傳感器與其它傳感元件和電子電路整合在一起，并與他人合作設(shè)計(jì)出一種無線傳感系統(tǒng)解決方案，”惠普技術(shù)開發(fā)組織業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理Grant Pease解釋說。

      “我們傳感器的主要應(yīng)用之一是道路監(jiān)測，它是美國政府運(yùn)輸部啟動的智能交通系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)能顯著降低耗費(fèi)在道路和高速公路上的能耗，”Pease說?！拔覀兛珊苋菀椎匦薷倪@些傳感器的性能(如：更多的軸數(shù)和更多帶寬)以滿足特定應(yīng)用的需求?！?/P>

      MEMS陀螺儀

      MEMS陀螺儀得益于MEMS慣性傳感器的發(fā)展。InvenSense、意法半導(dǎo)體和VTI Technologies是用于消費(fèi)電子市場的主要MEMS陀螺儀制造商?；裟犴f爾是另一家主要MEMS陀螺儀制造商，但其產(chǎn)品主要用于工業(yè)、航空航天和軍事應(yīng)用。

      根據(jù)iSuppli的統(tǒng)計(jì)，InvenSense是消費(fèi)電子產(chǎn)品運(yùn)動處理領(lǐng)域首屈一指的MEMS陀螺儀供應(yīng)商。它最近發(fā)布了MPU-3000系列三軸運(yùn)動處理單元陀螺儀，這些器件包括一個嵌入式數(shù)字運(yùn)動處理器硬件加速器引擎。

      該陀螺儀支持智能手機(jī)內(nèi)的全部運(yùn)動處理，包括從250到2000°/s以上最寬的覆蓋范圍。它具有如下特性：內(nèi)置16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、可編程數(shù)字濾波器、出廠校準(zhǔn)的1％敏感度、內(nèi)置6軸傳感器融合、13mW功耗。它們采用4×4×0.9mm毫米的小封裝，并提供SPI和I2C接口。

      VTI Technologies也推出了針對工業(yè)應(yīng)用的MEMS陀螺儀和加速度計(jì)組合芯片SCC1300-D02。這是一款單軸±100°/s的X軸陀螺儀和三軸±2g加速度計(jì)。SCC1300-D04則是一款±300°/s的X軸陀螺儀和 ±6g的三軸加速度計(jì)。兩款產(chǎn)品都采用18.6×8.5×4.53mm封裝，在整個-40°C到125°C工作溫度范圍，對陀螺儀部分進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。偏置穩(wěn)定性(Allan方差)小于1°/h，整個工作溫度范圍內(nèi)的偏置精度為±0.6°/s。

      意法半導(dǎo)體的LSM320HAY30在一個緊湊的封裝內(nèi)集成了一個三軸數(shù)字加速度計(jì)與一個兩軸模擬陀螺儀(圖7A)。該產(chǎn)品的加速度計(jì)具有±2、±4和±8g的可選全量程加速范圍，而陀螺儀沿俯仰(pitch)和偏航(yaw)軸的角檢出率范圍為30到600°/s。每個軸都有兩個用戶可選且同時的輸出：一個是用于慢動作的高精度未經(jīng)放大的輸出，另一個是用于非?？斓氖謩輨幼鳌⒎糯?倍后的輸出。該模塊工作于2.7到3.6V，包括自檢功能。

      意法半導(dǎo)體還推出了低成本的LYPR540AH三軸MEMS陀螺儀(圖7b)。這是為消費(fèi)電子設(shè)計(jì)的高性能器件，它能準(zhǔn)確測量沿三個正交軸的角速率，為手機(jī)、游戲控制器、個人導(dǎo)航設(shè)備及其它便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品提供360°角速率的高精度姿勢和運(yùn)動識別。該陀螺儀有兩個同時工作、用于三個軸的獨(dú)立輸出，一個用于慢動作、高精度的400°/s全量程值，另一個用于非常快手勢和動作的1600°/s全量程值。這些器件采用4.4×7.5×1.1mm封裝。

圖7：意法半導(dǎo)體的兩款MEMS三軸數(shù)字陀螺儀為消費(fèi)電子應(yīng)用提供高性能

      意法半導(dǎo)體的L3G200D三軸MEMS數(shù)字陀螺儀是移動電話和游戲控制臺運(yùn)動控制領(lǐng)域的新突破，它采用單一傳感構(gòu)造對沿三個正交軸的運(yùn)動進(jìn)行測量。意法半導(dǎo)體表示，與現(xiàn)有的采用兩或三個傳感構(gòu)造的陀螺儀相比，單傳感構(gòu)造陀螺儀提升了精度和可靠性。L3G200D采用4×4×1mm封裝、包括ASIC接口。該產(chǎn)品具有用戶可編程的±250°/s到±2000°/s全量程范圍和16位數(shù)據(jù)輸出。

      意法半導(dǎo)體是歐盟資助的微觀陀螺儀(圖8)——互聯(lián)器件縮微總成(Downscale Assembly of Interconnected Devices)計(jì)劃——開發(fā)的6個合作伙伴之一。該計(jì)劃的重點(diǎn)是慣性傳感器系統(tǒng)。該項(xiàng)目旨在對包含MEMS和ASIC的混合集成電路進(jìn)行極高封裝密度的研究，在第六框架規(guī)劃(Sixth Framework Programme)下，歐洲委員會撥款280萬歐元資助該項(xiàng)目。其他5家合作伙伴包括：德國弗勞恩霍夫技術(shù)學(xué)院；奧地利的Datacon Technology；荷蘭的FICO；意大利的SAES Getters；波蘭的弗羅茨瓦夫理工大學(xué)。

圖8：歐盟資助的微觀陀螺儀的結(jié)構(gòu)圖

      模塊化IMU

      在為消費(fèi)電子和便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品開發(fā)成本相對較低的模塊化封裝IMU方面，意法半導(dǎo)體走在了前面。iNEMO v2集成了5個意法半導(dǎo)體的傳感器和一個32位微控制器。這些傳感器包括：一個兩軸橫搖和縱搖(roll-and-pitch)陀螺儀、一個單軸偏航陀螺儀、一個六軸地磁模塊、一個壓力傳感器和一個溫度傳感器。

      利用iMEMS技術(shù)，ADI公司也在積極為工業(yè)、航空航天和軍事應(yīng)用生產(chǎn)模塊化IMU，ADS16350/54/55等產(chǎn)品就提供了6自由度運(yùn)動檢測。

      “IMU絕對是以性能為旨?xì)w的器件，它們用于對性能有極高要求的工業(yè)和軍用市場。”ADI的Wayne Meyer解釋說，“因此你不能指望它們會采用典型的小型IC封裝，且它們的要價通常也更高?！?/P>

      所有這些情況，都顯示出系統(tǒng)級方法的必要性?！皯T性產(chǎn)品的MEMS供應(yīng)商，特別是加速度計(jì)供應(yīng)商，一直在非常努力地使各自的產(chǎn)品標(biāo)新立異，因?yàn)檫@些產(chǎn)品業(yè)已走向成熟且已商品化，”專注于MEMS領(lǐng)域的營銷公司Roger Grace Associates的總裁Roger Grace表示，“功能的增加，特別是添加進(jìn)軟件算法，現(xiàn)正成為一種產(chǎn)品差異化戰(zhàn)略。該領(lǐng)域的設(shè)計(jì)趨勢一直是在獨(dú)立芯片(特別是ASIC)上增加功能，而該芯片一般會與MEMS構(gòu)造綁定在一起。”

      “這種系統(tǒng)級解決方案，特別是通過先進(jìn)封裝技術(shù)帶來的顯而易見的功能提升，將成為產(chǎn)品差異化的主要技術(shù)?！彼a(bǔ)充說。