MEMS陀螺儀和地磁感應(yīng)計進(jìn)入消費電子

　　盡管2009年全球經(jīng)歷了空前的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，但是MEMS市場并沒有受到影響，市場總值幾乎與2008持平，出貨量比2008年同期增長大約10%，這些數(shù)據(jù)表明，MEMS在消費電子市場的滲透率正在不斷提高。據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)iSuppli的最近一份市場研究報告顯示，2010年以及以后的MEMS市場前景光明，預(yù)計2010年MEMS市場重新回到的兩位數(shù)增幅，2009-2013期間的總年復(fù)合增長率達(dá)到12.2%。

　　事實上，MEMS傳感器是消費電子實現(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，很多消費電子產(chǎn)品利用低g加速計，實現(xiàn)了運動控制的用戶界面和增強(qiáng)型保護(hù)系統(tǒng)?，F(xiàn)在該輪到MEMS陀螺儀和地磁感應(yīng)計發(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加速計的技術(shù)文章已經(jīng)很多，因此，本文基本上不涉及加速傳感器，把更多的筆墨留給陀螺儀、地磁感應(yīng)計等具有多個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軸或幾個軸運動的角速度，是補(bǔ)充MEMS加速計功能的理想技術(shù)。事實上，如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設(shè)計人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強(qiáng)的用戶使用體驗、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微加工機(jī)械單元，在設(shè)計上按照一個音叉機(jī)制運轉(zhuǎn)，利用科里奧利原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移。

　　我們以一個單軸偏航陀螺儀為例，探討最簡單的工作原理（圖1）。兩個正在運動的質(zhì)點向相反方向做連續(xù)運動，如藍(lán)色箭頭所示。只要從外部施加一個角速率，就會出現(xiàn)一個科里奧利力，力的方向垂直于質(zhì)點運動方向，如黃 色箭頭所示。產(chǎn)生的科里奧利力使感應(yīng)質(zhì)點發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為傳感器感應(yīng)部分的運動電極（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。因為ST選用了音叉方法設(shè)計陀螺儀，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，兩個質(zhì)點就會沿相同方向位移，在一個差分測量后，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)：

　　- 電機(jī)驅(qū)動部分通過靜電激勵方法，使驅(qū)動電路前后振蕩，為機(jī)械元件提供勵磁；
　　- 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)點上產(chǎn)生的位移，這是一個穩(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。

圖 2:一個單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡圖

　　在控制電路內(nèi)部有先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，當(dāng)不需要傳感器功能時，可關(guān)閉整個傳感器，或讓其進(jìn)入深度睡眠模式，以大幅降低陀螺儀的總功耗，當(dāng)需要檢測傳感器上施加的角速率時，在接到用戶的命令后，傳感器可從睡眠模式中立即喚醒。

　　與ST的MEMS加速計類似，MEMS陀螺儀也沿用一個系統(tǒng)級封裝(SIP)方法，機(jī)械感應(yīng)元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個封裝內(nèi)。

　　智能設(shè)計方法結(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3x5 mm2 ，最大厚度僅為1mm (圖3)，同時在最終產(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

　　意法半導(dǎo)體為客戶提供1軸-3軸、30dps-6000dps的各種陀螺儀傳感器，讓系統(tǒng)設(shè)計工程師能夠解決不同的應(yīng)用：從圖像穩(wěn)定器到游戲，從指向裝置到機(jī)器人控制。

　　特別是，像ST的3軸加速度傳感器一樣，高性能3軸陀螺儀的問市正在促進(jìn)手機(jī)、游戲機(jī)等設(shè)備實現(xiàn)先進(jìn)的人機(jī)界面。