過(guò)去這幾年，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測(cè)器逐漸滲透到消費(fèi)性電子市場(chǎng)，被許多新應(yīng)用采用。消費(fèi)性電子市場(chǎng)在尋找微型、低成本、低壓及低功耗的產(chǎn)品。因此，輕薄小巧且多功能整合的多軸感測(cè)器已成為消費(fèi)性電子裝置的必備元件。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測(cè)器深受動(dòng)作、加速度、傾斜度及振動(dòng)測(cè)量市場(chǎng)的歡迎。MEMS感測(cè)器是系統(tǒng)封裝(SiP)解決方案，擁有高分辨率、低功耗及精密尺寸等許多優(yōu)勢(shì)。

MEMS采用與矽晶片截然不同的技術(shù)。MEMS的核心元件沒(méi)有柵-漏-源三極(Gate-drain-source)而是一個(gè)全部由矽制成的微型機(jī)械結(jié)構(gòu)。一個(gè)典型的MEMS結(jié)構(gòu)包括移動(dòng)質(zhì)塊、彈簧及阻尼器，工作原理與質(zhì)塊-彈簧模型大致相同。  

消費(fèi)化趨勢(shì)成形　MEMS應(yīng)用百花齊放

MEMS感測(cè)器可以為手機(jī)、MP3/MP4播放器、個(gè)人數(shù)位助理(PDA)或游戲機(jī)控制器增加直接人機(jī)互動(dòng)介面，實(shí)現(xiàn)人的動(dòng)作與內(nèi)建MEMS感測(cè)器裝置之間的互動(dòng)。  

在洗衣機(jī)或干衣機(jī)等家電設(shè)備中，MEMS加速度計(jì)還能用作振動(dòng)偵測(cè)器，當(dāng)機(jī)器內(nèi)的負(fù)荷失衡時(shí)，洗衣機(jī)就會(huì)警告用戶，防止機(jī)器出現(xiàn)故障或過(guò)量的耗損。  

單軸和雙軸加速度計(jì)被廣泛用于汽車被動(dòng)式安全系統(tǒng)，如正面安全氣囊和側(cè)面安全氣囊。加速度計(jì)和陀螺儀還被用于導(dǎo)航系統(tǒng)和主動(dòng)式安全系統(tǒng)，如防鎖死煞車系統(tǒng)(ABS)和車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)(VDC)(圖1)。  

圖1 汽車周邊元件商機(jī)迅速發(fā)酵，MEMS應(yīng)用需求水漲船高。
在過(guò)去這幾年，MEMS感測(cè)器逐漸出現(xiàn)消費(fèi)化趨勢(shì)。MEMS感測(cè)器開(kāi)始滲透到消費(fèi)性電子市場(chǎng)，被許多新應(yīng)用采用。  

消費(fèi)性電子市場(chǎng)在尋找微型、低成本、低壓及低功耗的產(chǎn)品。輕薄小巧的設(shè)計(jì)是手機(jī)、MP3和MP4播放器及可攜式PC等電池供電產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。而且，多軸感測(cè)器已成為消費(fèi)性電子裝置的必備配置，讓消費(fèi)者能夠從任何物理位置啟動(dòng)任何功能。在可攜式產(chǎn)品中，并沒(méi)有固定的MEMS感測(cè)器應(yīng)用參考框架。  

此外，消費(fèi)性電子產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員要求MEMS能夠快速且無(wú)縫地被整合到終端應(yīng)用中。  

行動(dòng)市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)　體感MEMS出頭天

處于MEMS技術(shù)發(fā)展的最前線的意法半導(dǎo)體(ST)開(kāi)始在單一封裝內(nèi)整合如加速度計(jì)、陀螺儀、地磁計(jì)等多個(gè)感測(cè)器，這個(gè)解決方案可提升包括動(dòng)作監(jiān)測(cè)在內(nèi)的各種應(yīng)用的功能性和性能表現(xiàn)。整合感測(cè)器可實(shí)現(xiàn)自主系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)特定條件并直接執(zhí)行相關(guān)功能操作，無(wú)需或只需用戶很小程度的介入。  

在手機(jī)、游戲機(jī)、個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)等可攜式行動(dòng)裝置內(nèi)，一個(gè)能夠精確測(cè)量三個(gè)正交軸向角速率的感測(cè)器可實(shí)現(xiàn)360度角速率偵測(cè)，高精密度識(shí)別三維(3D)手勢(shì)和動(dòng)作。此外，一個(gè)三軸加速度計(jì)配合一個(gè)陀螺儀，可讓設(shè)計(jì)人員研發(fā)慣性測(cè)量單元(IMU)，追蹤人體、汽車及其他物體的動(dòng)作類型、速度及方向，并提供完整的相關(guān)訊息(圖2)。  


圖2 智慧型手機(jī)、游戲機(jī)、行動(dòng)裝置當(dāng)紅，三軸加速度計(jì)和陀螺儀等感測(cè)元件前景可期。
意法半導(dǎo)體的加速度計(jì)內(nèi)建許多經(jīng)強(qiáng)化的功能，包括點(diǎn)一下和點(diǎn)兩下識(shí)別、動(dòng)作偵測(cè)/喚醒、和4D/6D方向偵測(cè)。其他重要特性包括一個(gè)可編程的先進(jìn)先出(FIFO)和兩個(gè)可編程的中斷訊號(hào)輸出接腳，以便向主處理器立即通知點(diǎn)一下/點(diǎn)兩下事件、動(dòng)作偵測(cè)及新一代MEMS裝置需要的條件。  

定址服務(wù)崛起 羅盤模組媲美GPS

透過(guò)整合羅盤模組以提供先進(jìn)的定址服務(wù)(LBS)已在手機(jī)市場(chǎng)引發(fā)一場(chǎng)應(yīng)用革命。有了羅盤和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)功能后，消費(fèi)者只要把手機(jī)指向附近服務(wù)設(shè)施，如酒店或商場(chǎng)，就能夠識(shí)別和搜索相關(guān)目標(biāo)的訊息(圖3)。  

圖3 定址服務(wù)后勢(shì)看漲，羅盤模組摩拳擦掌，可望攻占GPS應(yīng)用版圖。
結(jié)合動(dòng)作偵測(cè)與磁力感應(yīng)的功能，可以在多方面提高行動(dòng)用戶的使用體驗(yàn)。應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員能夠解決在顯示螢?zāi)怀叽缬邢薜氖謾C(jī)或PDA上查看關(guān)于地圖的問(wèn)題，他們把用戶目前位置放在地圖的底端，顯示螢?zāi)黄溆嗖糠謩t顯示前進(jìn)方向（正上方）。當(dāng)在沒(méi)有GPS訊號(hào)的情況下，用戶仍可獲得準(zhǔn)確的路徑圖訊息，無(wú)論是透過(guò)開(kāi)車或徒步。這個(gè)解決方案并可支援航位推算應(yīng)用，在沒(méi)有GPS衛(wèi)星訊號(hào)或GPS訊號(hào)很弱的建筑物內(nèi)或山區(qū)及森林提供個(gè)人步行導(dǎo)航功能。  

意法半導(dǎo)體在LSM303DLH模組內(nèi)整合三軸數(shù)位加速度計(jì)和三軸數(shù)位地磁計(jì)。這款數(shù)位羅盤兼具高準(zhǔn)確度、小尺寸、低功耗等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足市場(chǎng)對(duì)于先進(jìn)導(dǎo)航功能及新興智慧型定位服務(wù)的日益成長(zhǎng)的需求。這款高性能、擁有SiP數(shù)位羅盤采用Honeywell的磁阻技術(shù)，以加快先進(jìn)電子羅盤功能在可攜式消費(fèi)性電子產(chǎn)品中的應(yīng)用，羅盤功能包括方位查找、地圖/顯示方位、定址服務(wù)及個(gè)人步行航位推算。該產(chǎn)品的線性加速度測(cè)量范圍是±2/±4/±8g，磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量范圍從±1.3～±8高斯，用戶可以針對(duì)這兩個(gè)量程自由選擇。  

許多技術(shù)和商業(yè)專業(yè)人員認(rèn)為無(wú)線感測(cè)網(wǎng)路、家用型機(jī)器人、智慧型藥盒及實(shí)驗(yàn)室晶片將推動(dòng)下一波MEMS產(chǎn)品的市場(chǎng)成長(zhǎng)。例如用于個(gè)人化醫(yī)藥研發(fā)的實(shí)驗(yàn)室晶片及由五節(jié)點(diǎn)無(wú)線壓力感測(cè)器網(wǎng)路組成的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。  

意法半導(dǎo)體的MEMS專業(yè)人員目前正在傾力研發(fā)智慧型感測(cè)器。這些智慧型感測(cè)器在單一封裝內(nèi)整合MEMS元件和處理器，毋須透過(guò)主處理器便可獨(dú)立執(zhí)行感測(cè)器演算法，從而降低系統(tǒng)級(jí)功耗，這對(duì)耗電量極大的手持裝置具有重要意義。  

(本文作者任職于意法半導(dǎo)體)