MEMS運(yùn)動傳感器的應(yīng)用已不再局限于汽車和工業(yè)市場。得益于設(shè)計和制造方法的成熟，MEMS加速計和陀螺儀正在趨近大眾應(yīng)用市場所要求的價位。其結(jié)果是，它們的應(yīng)用范圍也因此擴(kuò)展到各種消費(fèi)電子、計算機(jī)、保健、護(hù)理和安全應(yīng)用領(lǐng)域。
例如，低成本、小形狀因子、多軸MEMS傳感器正被用于大量的消費(fèi)電子和便攜計算應(yīng)用中。這些傳感器可以保護(hù)這些產(chǎn)品免受損壞，提高無線連接能力，或提供基于運(yùn)動(而不是鍵盤輸入或按鈕)的新型用戶輸入指令。
市場調(diào)查公司IC Insights認(rèn)為，慣性傳感器(加速計和陀螺儀設(shè)備)將成為2008年固態(tài)傳感器中最大的產(chǎn)品類別。截至明年，這種傳感器將超過在汽車、工業(yè)和其它應(yīng)用中使用的壓力傳感器和磁場傳感器(圖1)。
圖1：MEMS加速計和陀螺儀市場將在前年之前超過MEMS壓力傳感器(由世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計協(xié)會和IC Insights公司提供)。
加速計推動該市場的發(fā)展
MEMS傳感器在消費(fèi)電子應(yīng)用中的擴(kuò)展應(yīng)歸功于MEMS加速計。早期只能沿著線路的一個方向傳感的單軸模式已經(jīng)讓路給雙軸器件。飛思卡爾和ADI公司已經(jīng)率先在消費(fèi)電子應(yīng)用中應(yīng)用低成本MEMS加速計。
大多數(shù)MEMS加速計采用批量微機(jī)械加工工藝制造，這迫使我們必須使用一塊額外的芯片進(jìn)行信號處理。這兩個芯片通過晶圓邦定或晶圓級封裝互連。在批量加工工藝中，單個硅晶體以定軸形式被蝕刻，以形成3D MEMS結(jié)構(gòu)。這種被稱為減成法(Subtractive Process)的工藝是通過選擇性去除晶圓上的硅來完成蝕刻的。
其它的MEMS加工技術(shù)有表面微加工。ADI是首個投資開發(fā)專有工藝去采用表面微加工工藝生產(chǎn)傳感器的公司。該公司的iMotion傳感器是采用沉積的薄膜材料在硅的頂部加工成形的。沉積的材料形成定義結(jié)構(gòu)層之間間隙的傳感器和犧牲層。信號處理電路可以在MEMS傳感器所在的同一晶圓上生成(圖2)。
圖2：Analog Devices公司制造的MEMS加速計與biCMOS信號處理電路并排位于同一個晶圓上。犧牲氧化層在多晶硅層上沉積，MEMS結(jié)構(gòu)懸掛在基板上方(由Analog Devices公司提供)。
商用MEMS加速計的跨導(dǎo)機(jī)制采用壓阻或電容原理。在壓阻材料中，懸臂梁或隔膜所受的壓力的變化會導(dǎo)致產(chǎn)生張力和相應(yīng)的電阻變化。惠斯通電橋測量這種電阻變化，然后將其轉(zhuǎn)換成電壓。
在電容方法中，采用聯(lián)鎖指針或聯(lián)鎖裝置，它們會在固定位置和由于慣性運(yùn)動的壓力或張力導(dǎo)致的移動位置之間來回變化。然后，測量與加速度變化成比例的這些狀態(tài)間的電容差進(jìn)而產(chǎn)生所需的電壓(圖3)。
圖3：電容MEMS加速度計將XY面板上的移動懸臂梁作為慣性質(zhì)量來感應(yīng)加速力(由Analog Devices公司提供)。
MEMSIC采用不同的方法。其雙軸加速計的參考量是基于通過氣體自然對流產(chǎn)生的傳熱(圖4)。位于硅芯片中央的單個熱源被懸掛在腔體內(nèi)。等間距的鋁/多晶硅熱電堆(多組熱電偶)被等距離地分布在熱源的四個角上。
在零加速度以下，熱源周圍的溫度梯度是對稱的。這使得所有的四個熱電堆上的溫度相同，從而使它們產(chǎn)生相同的電壓。由于自然的對流傳熱，因此任何方向的加速都會干擾溫度分布，導(dǎo)致溫度梯度不對稱。熱電堆的溫度差異與加速度成比例。
豐富的MEMS應(yīng)用
MEMS加速計在相對便宜的消費(fèi)電子和計算機(jī)電子領(lǐng)域中的應(yīng)用幾乎是永無止境的。例如，下降檢測就是一個主要的增長領(lǐng)域。采用加速計，通過PDA閱讀的用戶只需模仿實(shí)際生活中翻書的動作翻轉(zhuǎn)一下手中的PDA就可實(shí)現(xiàn)翻頁功能。
圖4：這個豎截面詳圖顯示了MEMSIC的MEMS加速計基于自流對流進(jìn)行傳熱的工作原理(由MEMSIC公司提供)。
得益于多軸MEMS加速計的使用，現(xiàn)在手機(jī)和視頻游戲中已經(jīng)具備手勢識別等令人興奮的新功能。這些功能有助于簡化手機(jī)或游戲與其用戶間的連接。手勢識別涉及通過運(yùn)動來給手機(jī)下達(dá)命令。
手機(jī)掉落時運(yùn)動傳感器可以及時感應(yīng)，并保護(hù)其硬盤驅(qū)動器以防止存儲損失。由于加速計可以感應(yīng)到用戶拿起電話的動作，并且會自動接通電話，而不是等待用戶按下電話的“發(fā)送”按鈕，因此接電話更加方便了。
考慮到現(xiàn)代手機(jī)鍵盤的小尺寸和高密度，用戶按錯鍵應(yīng)是常事。MEMS運(yùn)動傳感器可以用快速搖動等簡單的手勢來清除最近輸入的按鍵。較長時間的搖動可以用來清除最近輸入的全部按鍵。
手機(jī)對使用環(huán)境的感知可以增加其可用性。例如，傳感器使得手機(jī)了解它正被放在餐桌上或書桌上，并從振動自動切換到鈴聲模式。如果手機(jī)的正面朝下放著，傳感器會激活其靜音模式，取消振動和響鈴功能。
手機(jī)加速計還可以像記步器那樣通過測量用戶的加速度并估計所行的距離來計算用戶行進(jìn)的步數(shù)。此外，通過指揮任天堂Tilt和Tumble Kirby游戲中的運(yùn)動以及適合于該公司流行的Wii控制臺的控制器中的運(yùn)動，加速計已經(jīng)在視頻游戲中獲得了成功。
與8位控制標(biāo)準(zhǔn)不同的是，在大多數(shù)手持設(shè)備中，加速計可以通過改變傾斜度來提高光標(biāo)速度來實(shí)現(xiàn)可變(模擬)控制。此外還可以采用三軸(Z)加速器用于跳躍運(yùn)動。由于手持設(shè)備的初始位置可以是任何方向(例如，用戶可能會躺著使用)，因此游戲一般以設(shè)置光標(biāo)的不確定位置的按鍵開始。
芬蘭公司VTI Technologies為瑞士一家生產(chǎn)被稱為“ikcal”的手表型生物反饋設(shè)備的制造商提供其SCA3000三軸加速計。這個設(shè)備測量個體通過身體活動所消耗的卡路里，并且每天將其與個人攝取的能量(以食物補(bǔ)充的形式)進(jìn)行對比。此外，該技術(shù)還可以通過測量人的心率并將其轉(zhuǎn)換成大卡來測量身體活動。
便宜的解決方案
低成本MEMS陀螺儀正在投放到巨大的消費(fèi)電子市場中。迄今為止，大多數(shù)這些器件都被用于注重堅固性、可靠性和性能的汽車領(lǐng)域中。
Systron Donner Automotive Division生產(chǎn)的基于石英的Micro Gyro陀螺儀已在自動電子穩(wěn)定性控制應(yīng)用中獲得了成功(圖5)。但是這些器件往往比消費(fèi)電子中所需的器件更昂貴(每軸10美元左右)。
圖5：Systron Donner Automotive Division生產(chǎn)的基于石英的Micro Gyro陀螺儀目標(biāo)針對汽車應(yīng)用。
運(yùn)動傳感MEMS傳感器Fabless供應(yīng)商和陀螺儀制造商InvenSense在去年年末宣布量產(chǎn)集成的雙軸陀螺儀系列產(chǎn)品，目標(biāo)價格在每軸1美元以下。該公司計劃在本月推出其最新的用于空中滑鼠(air mouse)的MEMS陀螺儀，該產(chǎn)品針對新一代IPTV(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視)應(yīng)用，如觀看視頻影集。
該公司的設(shè)計基于雙芯片體硅工藝，采用電子和晶圓級封裝的晶圓級集成。由InvenSense開發(fā)的專有焊接工藝使得該公司能夠在幾乎任何CMOS平臺上開發(fā)電子產(chǎn)品，并且能以晶圓級集成成品。
“我們是唯一一家提供雙軸集成MEMS陀螺儀的公司。”InvenSense CEO Steve Nasiri表示，“與擁有iMEMS陀螺儀的ADI以及Bosch等其它單軸MEMS陀螺儀制造商不同的是，我們的陀螺儀采用傳感裝置隨著XY平面被抬升或壓低的面外(out-of-plane)傳感。”
MEMS陀螺儀將以新的性能水平進(jìn)行運(yùn)動傳感。目前的運(yùn)動傳感器采用加速計(重力傳感)或者能夠感知由于重力矢量變化引起的線性運(yùn)動或轉(zhuǎn)動運(yùn)動的磁傳感器(地球的磁場傳感)。
“這種對外力的依賴性可能會為產(chǎn)生錯誤和重大誤差埋下隱患。”Nasiri表示，“陀螺儀是唯一可以提供有關(guān)轉(zhuǎn)動的完全信息而無需任何外力的傳感器。”
MEMS陀螺儀還可用于消除攝像機(jī)、照相機(jī)以及運(yùn)動傳感游戲控制器的抖動。事實(shí)上，InvenSense表示，InvenSense的技術(shù)已被設(shè)計到市場上現(xiàn)有的許多數(shù)字視頻和數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品中。該公司在光學(xué)圖像穩(wěn)定電路中采用了其IDG-1000雙軸MEMS陀螺儀(圖6)。
圖6：現(xiàn)在許多照相機(jī)都采用InvenSense的雙軸陀螺儀來消除抖動(由InvernSense公司提供)。
Hewlett-Packard目前正在開發(fā)將會與該公司的MEMS加速計集成的MEMS陀螺儀。這個計劃將利用HP噴墨打印頭中采用的與電子學(xué)相結(jié)合的微流體專門技術(shù)。該公司預(yù)計將出現(xiàn)一個針對陀螺儀的消費(fèi)電子利基市場，這種陀螺儀具有在手機(jī)、視頻游戲和智能GPS系統(tǒng)中“推算位置(dead reckoning)”的能力。
還出現(xiàn)了一種有時容易與陀螺儀混淆的完全集成的慣性測量設(shè)備(IMU)。IMU并不是陀螺儀。在汽車中，IMU系統(tǒng)包含一個六自由度IMU(x、y、z線性率數(shù)據(jù)和x、y、z角速率陀螺儀數(shù)據(jù))以及一個用于碰撞檢測的medium-g系列雙軸傳感器。IMU是傳感器總成的一部分，它可以為碰撞檢測、車輛動態(tài)控制、導(dǎo)航和駕駛信息以及車身/底盤控制等不同的系統(tǒng)提供信息。
盡管至今還沒有生產(chǎn)出完全集成的IMU，但一切都在進(jìn)展之中。Honeywell正在為軍隊生產(chǎn)專為軍備應(yīng)用和航空應(yīng)用設(shè)計的完全集成的產(chǎn)品。但是以合理的成本和合理的尺寸將IMU的所有電路集成到一個封裝中是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
光明的前景
有關(guān)運(yùn)動傳感器的研究仍在一如既往地繼續(xù)，其未來的發(fā)展前景光明。各種多軸MEMS加速計的制造商飛思卡爾半導(dǎo)體正聯(lián)合位于Gainesville的佛羅里達(dá)大學(xué)研究人員合作創(chuàng)建制造高性能、極低成本的MEMS加速計的先進(jìn)工藝。
到目前為止的成果包括采用雙斷續(xù)放大器、具有低噪聲和低功率性能的單片CMOS MEMS三軸加速計的開發(fā)。該器件大約3mm2左右，功耗僅1mW，在側(cè)面和z軸平面的靈敏度分別為560mV/g和320mV/g。本底噪聲分別為12mg/√Hz(低)和110mg/√Hz。
在市場報告和市場預(yù)測中可以看到，MEMS運(yùn)動傳感器具有繁榮的未來。據(jù)調(diào)查公司IC Insights的資料顯示，運(yùn)動MEMS銷售量正在以普通IC增長率的兩倍增長。
InvenSense的Nasiri說：“我認(rèn)為運(yùn)動傳感器存在20億美元的市場總額，其中MEMS陀螺儀是一個關(guān)鍵元件。”
