盡管2009年全球經(jīng)歷了空前的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，但是MEMS市場并未受到影響，市場規(guī)模幾乎與2008持平，出貨量與2008年同期相比大約增長了10%。這些數(shù)據(jù)表明，MEMS在消費(fèi)電子市場的滲透率正在不斷提高。iSuppli最新一份市場研究報(bào)告顯示，2010年及以后的MEMS市場前景光明，預(yù)計(jì)2010年MEMS市場將重新恢復(fù)兩位數(shù)的增幅，而2009-2013期間的總年復(fù)合增長率更是會達(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，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)動控制的用戶界面和增強(qiáng)型保護(hù)系統(tǒng)。現(xiàn)在，該輪到MEMS陀螺儀和地磁感應(yīng)計(jì)發(fā)揮作用，推動新一波令人興奮的創(chuàng)新應(yīng)用高速增長。

有關(guān)能夠測量線性加速度的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)自由度檢測功能的元器件。

MEMS陀螺儀

陀螺儀能夠測量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動的角速度，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，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強(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市場的份額正在快速增長。作為全球公認(rèn)的消費(fèi)電子和手機(jī)市場最大的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，探討最簡單的工作原理(圖1)。兩個(gè)正在運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動，如藍(lán)色箭頭所示。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會出現(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)?，傳感器感?yīng)部分的運(yùn)動電極(轉(zhuǎn)子)位于固定電極(定子)的側(cè)邊，上面的位移將會在定子和轉(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)本身對作用在傳感器上的無用線性加速度和雜亂振動的敏感度低于市場上現(xiàn)有的其它類型陀螺儀。當(dāng)這些無用的信號被施加到陀螺儀上時(shí)，兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)就會沿相同方向位移，在一個(gè)差分測量后，最終的電容變化將視為無效。 

在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號調(diào)節(jié)電路可簡化為電機(jī)驅(qū)動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)簡圖

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

- 感應(yīng)部分通過測量電容變化來測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。

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，無論何時(shí)接收到用戶指令，傳感器都可以立刻被喚醒，來檢測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