將MEMS傳感器用于各種創(chuàng)新的消費(fèi)類產(chǎn)品設(shè)計(jì)解析

MEMS即微機(jī)電系統(tǒng)，是利用微米級(jí)立體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)和執(zhí)行功能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其中，微米級(jí)立體結(jié)構(gòu)是利用被稱為“微加工”的特殊工藝實(shí)現(xiàn)的微米大小的立體機(jī)械結(jié)構(gòu)。

因?yàn)榧夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)的原因，MEMS傳感器曾經(jīng)被局限在汽車市場(chǎng)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域；今天，隨著MEMS傳感器越來越小，價(jià)格越來越低，能效越來越高，設(shè)計(jì)和應(yīng)用空間不斷擴(kuò)大，它在消費(fèi)類應(yīng)用市場(chǎng)的普及率正在不斷提高。

制造這些器件所采用的微加工技術(shù)與制造基本集成電路所采用的工序和工藝大同小異，只不過微加工的產(chǎn)品通常是一個(gè)能夠活動(dòng)的立體的機(jī)械結(jié)構(gòu)(如圖1)。

雖然制造MEMS產(chǎn)品可以使用多種不同的材料，但是硅越來越受到業(yè)界的歡迎，因?yàn)楣璧碾姎?、機(jī)械和熱屬性都非常出色。此外，半導(dǎo)體廠商還意識(shí)到，如果使用成熟的芯片量產(chǎn)制造技術(shù)，在晶片上一次可以制造數(shù)以萬計(jì)的MEMS器件。這就是說，MEMS可以利用微電子器件現(xiàn)有的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，獲得更大的成本優(yōu)勢(shì)，特別是在進(jìn)軍消費(fèi)類產(chǎn)品市場(chǎng)時(shí)，利用好這個(gè)優(yōu)勢(shì)更加重要。因此，以硅為MEMS材料的吸引力最大。

過去，在沒有這項(xiàng)技術(shù)之前，有很多應(yīng)用是不可能的；今天，這項(xiàng)技術(shù)正在將這些應(yīng)用變?yōu)榭赡堋?

手提電腦、手機(jī)、便攜媒體播放器和移動(dòng)終端設(shè)備內(nèi)的硬盤驅(qū)動(dòng)器墜落保護(hù)功能，是MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器在消費(fèi)電子市場(chǎng)的具有重要?dú)v史意義的代表性應(yīng)用之一。

在手提電腦內(nèi)的三軸加速計(jì)可以監(jiān)測(cè)加速度，因?yàn)榫哂刑囟ǖ墓δ芎蛿?shù)據(jù)處理電路，它能夠檢測(cè)到硬盤驅(qū)動(dòng)器的意外摔落事故，并及時(shí)命令讀寫頭縮回到安全位置，以防電腦最終摔落在地板上時(shí)損壞讀寫頭。

健身和健康監(jiān)測(cè)是MEMS傳感器的另一類具有代表性的應(yīng)用。

計(jì)步表或計(jì)步器是利用三軸MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)健身和健康監(jiān)測(cè)功能的代表性應(yīng)用，在特定的情況下，計(jì)步器的傳感器能夠精確地測(cè)定在步行和跑步過程中作用在系統(tǒng)上的加速度，通過處理加速度數(shù)據(jù)，計(jì)步器顯示用戶走過的步數(shù)和速度，以及在身體運(yùn)動(dòng)過程中所消耗掉的熱量。

圖 1 ： 基于MEMS的線性加速計(jì)。

圖2：意法半導(dǎo)體開發(fā)的一款基于MEMS的計(jì)步器參考設(shè)計(jì)。

計(jì)步器功能通常被嵌入在在手機(jī)和便攜媒體播放器(MP3和MP4)內(nèi)，對(duì)于這些設(shè)備，可以設(shè)定在固定時(shí)間內(nèi)要達(dá)到的步數(shù)目標(biāo)，并能測(cè)量完成這個(gè)目標(biāo)所消耗的熱量。虛擬健身房的會(huì)員之間還可以在網(wǎng)上分享這些信息，并開展以促進(jìn)體育活動(dòng)和健身運(yùn)動(dòng)為目標(biāo)的虛擬比賽。

計(jì)步器也是便攜式導(dǎo)航儀中的一個(gè)重要模塊。便攜式導(dǎo)航儀能夠確定使用者的位置，提供引路功能，查找公共服務(wù)地點(diǎn)，接收地區(qū)廣告。在特殊情況下，例如，在市區(qū)，因?yàn)榈叵峦ǖ?、立交橋、高樓、室?nèi)的阻擋，GPS信號(hào)會(huì)變?nèi)?，這時(shí)MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器的信號(hào)就可以暫時(shí)替代GPS模塊，起到輔助導(dǎo)航定位的作用。

在另一項(xiàng)應(yīng)用中，MEMS傳感器可以用于設(shè)計(jì)一種老人急救設(shè)備。當(dāng)老人意外摔倒時(shí)，這個(gè)設(shè)備可以檢測(cè)到摔倒動(dòng)作，自動(dòng)發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)，請(qǐng)求緊急救援。通過MEMS傳感器和GPS模塊，可以估算到需要救助的受傷老人所在位置，并在網(wǎng)絡(luò)上傳送位置信息。在不久的將來，這些儀器商用化后，將會(huì)給不斷增長(zhǎng)的老齡化人群提供一個(gè)更安全的生活環(huán)境。

如今，能夠檢測(cè)運(yùn)動(dòng)、方向和手勢(shì)的MEMS傳感器正推動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳感技術(shù)向手機(jī)、游戲機(jī)、便攜媒體播放器等市場(chǎng)擴(kuò)展。

先進(jìn)的功能、小巧的外觀、出色的能效，MEMS傳感器正在促進(jìn)更加人性化的設(shè)備問世，有了這些能夠識(shí)別人類手勢(shì)的設(shè)備，用戶不必再閱讀冗長(zhǎng)、復(fù)雜的用戶手冊(cè)，學(xué)習(xí)如何使用人機(jī)界面。

MEMS有助于打破用戶與應(yīng)用之間的障礙：傳感器像系統(tǒng)的眼睛，能夠測(cè)量加速度和角速度等物理量；電子元器件處理傳感器送來的信息，利用特殊的算法識(shí)別輸入數(shù)據(jù)，然后激活相應(yīng)的功能。

游戲機(jī)是運(yùn)動(dòng)跟蹤和手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用的突出代表，以具有革命性的任天堂Wii游戲機(jī)為例，微型運(yùn)動(dòng)傳感器能夠捕捉到玩家任何細(xì)微的動(dòng)作，并將其轉(zhuǎn)化成游戲動(dòng)作。MEMS技術(shù)讓玩家動(dòng)起來：玩家陶醉于真實(shí)的游戲體驗(yàn)，通過不同的動(dòng)作融入到游戲中，例如，模仿一場(chǎng)真實(shí)的網(wǎng)球賽、一場(chǎng)引人入勝高爾夫球賽、一場(chǎng)緊張的拳擊賽或輕松的釣魚比賽的動(dòng)作(如圖3)。

圖3：MEMS使玩家動(dòng)起來。

MEMS技術(shù)在手機(jī)和PDA中的使用率正在提高，目前市場(chǎng)上采用MEM加速計(jì)的手機(jī)越來越多。手機(jī)中的MEMS加速計(jì)使人機(jī)界面變得更簡(jiǎn)單、更直觀，通過手的動(dòng)作就可以操作界面功能，全面增強(qiáng)了用戶的使用體驗(yàn)(見圖4)。

圖 4：MEMS運(yùn)動(dòng)控制式用戶界面。

根據(jù)終端設(shè)備的指向，MEMS傳感器可以把圖像、視頻和網(wǎng)頁(yè)(無論是人物肖像還是風(fēng)景畫面)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。通過上下左右傾斜手機(jī)，還可以查看手機(jī)菜單；只要輕輕擊打手機(jī)機(jī)身，就可以在屏幕上選中不同的圖標(biāo)，所有這些智能功能離不開新一代MEMS器件內(nèi)嵌的先進(jìn)數(shù)字技術(shù)。

有了MEMS加速計(jì)，只要把設(shè)備向某一方向傾斜，就能在小屏幕上詳細(xì)查看地圖，顯示放大的圖像。MEMS還能檢測(cè)到用戶抖動(dòng)手機(jī)和MP3播放器的動(dòng)作，這個(gè)簡(jiǎn)單的手勢(shì)可以讓播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。

低功耗的MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器還可用作先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，當(dāng)手機(jī)沒有關(guān)閉放在飯桌上時(shí)，MEMS傳感器將會(huì)把耗電大的模塊(如顯示器背光板和GPS模塊)全部關(guān)閉，以降低手機(jī)和便攜導(dǎo)航儀的能耗。只要碰觸一下機(jī)身，又可以打開全部功能。

同樣地，無論何時(shí)，把手機(jī)正面向下反放在桌子上，手機(jī)設(shè)置就會(huì)切換到靜音模式；只要碰觸一下機(jī)身，就可以關(guān)閉靜音功能。MEMS運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)折射出了未來手機(jī)的樣子：只有數(shù)量很少的按鍵，不再有普通的鍵盤。向手機(jī)輸入信息時(shí)，用戶在空中書寫數(shù)字和字母，MEMS傳感器識(shí)別這些動(dòng)作，手機(jī)軟件將這些動(dòng)作還原成數(shù)字和字母；軟件還可以把用戶預(yù)定的動(dòng)作變成特殊的自定義功能。

MEMS加速計(jì)與陀螺儀配合使用，可以把更先進(jìn)的選擇功能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，例如：能夠在空中操作的三維鼠標(biāo)和遙控器。在這些設(shè)備中，傳感器檢測(cè)到用戶的手勢(shì)，將其轉(zhuǎn)換成PC屏幕上的光標(biāo)移動(dòng)或機(jī)頂盒和電視機(jī)的頻道和功能選擇。圖5是一個(gè)含有MEMS傳感器的遙控器解決方案，MEMS傳感器組、兩個(gè)陀螺儀和一個(gè)加速計(jì)檢測(cè)手腕或鼠標(biāo)在空中的動(dòng)作，同時(shí)微控制器執(zhí)行動(dòng)作跟蹤和手勢(shì)識(shí)別功能。然后，重組的運(yùn)動(dòng)曲線通過無線連接發(fā)送到機(jī)頂盒或PC機(jī)，無線鏈路可以采用紅外或射頻，具體視應(yīng)用要求而定。

圖5：MEMS 3D遙控器和指示器。

近來上市的高能效低價(jià)微型MEMS傳感器徹底改變了人們與移動(dòng)終端設(shè)備的互動(dòng)方式。在各類移動(dòng)終端、游戲機(jī)、遙控器等設(shè)備上，MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的功能，令人心動(dòng)的用戶界面，用戶的手勢(shì)、碰摸就能夠激活相應(yīng)的功能。

可以預(yù)計(jì)，在不久的將來，MEMS技術(shù)會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，周圍環(huán)境將布滿傳感器網(wǎng)絡(luò)，我們的衣服內(nèi)嵌有傳感器網(wǎng)絡(luò)，這將會(huì)擴(kuò)大可行設(shè)計(jì)應(yīng)用的空間，讓我們更好地與世界互動(dòng)，更好地控制我們所在的世界。