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(fèi)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(bào)告顯示,，2010年以及以后的MEMS市場前景光明，預(yù)計(jì)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(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)品利用低g加速計(jì),，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)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(jì)發(fā)揮作用，推動(dòng)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(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(dòng)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)人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動(dòng)，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)單軸偏航陀螺儀為例，探討最簡單的工作原理（圖1）,。兩個(gè)正在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動(dòng),，如藍(lán)色箭頭所示。只要從外部施加一個(gè)角速率,，就會(huì)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(dòng)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(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)閭鞲衅鞲袘?yīng)部分的運(yùn)動(dòng)電極（轉(zhuǎn)子）位于固定電極（定子）的側(cè)邊,，上面的位移將會(huì)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(dòng)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(hào)被施加到陀螺儀上時(shí),，兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)就會(huì)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(hào)調(diào)節(jié)電路可簡化為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和加速傳感器感應(yīng)電路兩部分(圖2):

　　-電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過靜電激勵(lì)方法，使驅(qū)動(dòng)電路前后振蕩,，為機(jī)械元件提供勵(lì)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(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(hào),。

圖2:一個(gè)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(shí)，可關(guān)閉整個(gè)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(shí),，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(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

　　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(jì)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(shí)現(xiàn)先進(jìn)的人機(jī)界面。

　　不僅有運(yùn)動(dòng)傳感器,，還有…

　　全新的地磁感應(yīng)計(jì)正在融入消費(fèi)電子產(chǎn)品,。

　　磁感應(yīng)計(jì)能夠測量多個(gè)軸向的地球磁場強(qiáng)度,，讓便攜設(shè)備實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的羅盤和導(dǎo)航功能。

 　　類似于運(yùn)動(dòng)傳感器,，消費(fèi)電子產(chǎn)品和手機(jī)也是增長最快的磁感應(yīng)計(jì)市場,，2009年磁感應(yīng)計(jì)市場增幅逾100%。據(jù)iSuppli最新的市場研究報(bào)告,，這個(gè)市場增長非?？欤鲐浟款A(yù)計(jì)從2008年的800萬件,，增長到2013年5.40億,，年復(fù)合增長率（CAGR）達(dá)到129%。

　　在現(xiàn)有的不同的磁感應(yīng)計(jì)芯片制造技術(shù)中,，各向異性磁阻(AMR)傳感器的發(fā)展勢頭銳不可擋,，因?yàn)槟軌蛱峁└呖臻g分辨率和高精度、低功耗,，特別是低功耗對電池供電的便攜設(shè)備至關(guān)重要,。磁感應(yīng)計(jì)的工作原理是通過測量電阻變化來確定磁場強(qiáng)度。當(dāng)在一個(gè)很薄的鐵條上施加磁力線方向與經(jīng)過鐵條的電流方向垂直的磁場時(shí),，鐵條內(nèi)的電阻就會(huì)發(fā)生變化。這種傳感器通常采用單臂電橋形式,，如圖4所示,，電橋由靜態(tài)阻值相同的磁阻構(gòu)成。在測量過程中,，電橋被通電壓Vb,，有電流通過電阻。只要施加磁場H,，在四個(gè)相反放置的電阻器內(nèi),，有兩個(gè)電阻的磁化矢量轉(zhuǎn)向電流，使電阻值變大,，而另兩個(gè)電阻的磁化矢量背離電流,，使電阻值變小。在線性范圍內(nèi),，傳感器輸出與所施加的磁場強(qiáng)度成正比,。

圖4:磁阻傳感器:簡圖

　　隨著手機(jī)成為傳感器最熱的應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)配合加速計(jì)實(shí)現(xiàn)傾斜補(bǔ)償羅盤應(yīng)用時(shí),，磁感應(yīng)計(jì)越來越被市場看好,。例如，意法半導(dǎo)體的6D模塊LSM303DLH就是一個(gè)有6個(gè)自由度(6DOF)的磁感應(yīng)計(jì),。這款產(chǎn)品在一個(gè)超小的LGA封裝內(nèi)集成一個(gè)高性能的3軸加速計(jì)與一個(gè)高分辨率的3軸磁感應(yīng)計(jì)（圖5）,。磁感應(yīng)計(jì)單元包括附加的電流帶,，可以通過電方式給輸出磁極“置位”或“復(fù)位”，并施加一個(gè)偏移磁場來修正環(huán)境磁場,。

圖5:LSM303DLH3x在一個(gè)超小的LGA封裝內(nèi)整合一個(gè)3軸加速計(jì)和一個(gè)3軸磁感應(yīng)計(jì)

　　在建筑物和汽車內(nèi),，在高緯度地區(qū)，如北美和北歐,，很難用霍爾型磁感應(yīng)計(jì)檢測地球磁場傾角,，而LSM303DLH能夠提供準(zhǔn)確的3D的行進(jìn)方向。配合支持各種主流的手機(jī)操作系統(tǒng)的行進(jìn),、自動(dòng)校準(zhǔn)和軟/硬鐵補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)程序,，LMS303DLH六維磁感應(yīng)計(jì)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能提供一個(gè)強(qiáng)大的工具。

　　特別值得一提是,，整合加速計(jì),、陀螺儀和磁感應(yīng)計(jì)，并均衡地利用三者的各自優(yōu)點(diǎn),，可在在導(dǎo)航解決方案的核心部分實(shí)現(xiàn)一個(gè)所謂的慣性測量單元（IMU）,。換句話說，平臺(tái)開發(fā)商可利用最新的MEMS技術(shù),，將慣性傳感器與較傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)配合使用,，能夠在衛(wèi)星信號(hào)很弱的高樓林立的市區(qū)或根本沒有信號(hào)的室內(nèi)或地鐵環(huán)境中提供導(dǎo)航服務(wù)。在不久的將來,，準(zhǔn)確的方位信息與服務(wù)廠商提供的附加中間數(shù)據(jù)將會(huì)整合在一起,，并顯示在用戶的手機(jī)顯示屏幕上，這種定位關(guān)聯(lián)服務(wù)將會(huì)為手機(jī)用戶帶來好處,，例如,，手機(jī)用戶可以獲得位于某一個(gè)購物中心內(nèi)的所有商鋪的準(zhǔn)確信息，找到想要購買的產(chǎn)品的方位提示,，接收根據(jù)用戶興趣訂制的商品特價(jià)和打折信息,。

　　這樣的應(yīng)用現(xiàn)已出現(xiàn)在市場上，例如,，在荷蘭,，Android手機(jī)用戶可以安裝新增的移動(dòng)現(xiàn)實(shí)空間瀏覽器Layar。

　　在大多情況下,，新出現(xiàn)的開放軟件平臺(tái)的開發(fā)項(xiàng)目更易遭遇到先進(jìn)的感應(yīng)功能,，所以新的軟件平臺(tái)鼓勵(lì)全社區(qū)的開發(fā)人員團(tuán)結(jié)協(xié)作，開發(fā)符合自己需求的應(yīng)用軟件,，同時(shí)給電子設(shè)備增加價(jià)值,。

　　整合MEMS加速計(jì)、陀螺儀和地磁感應(yīng)計(jì)的模塊正在進(jìn)入廉價(jià)的電子玩具市場，傳感器模塊提供的動(dòng)作捕捉功能可實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的游戲體驗(yàn),，還能讓更小的兒童上網(wǎng)分享快樂：孩子們很快就能夠創(chuàng)造自己的虛擬娃娃和人物,，用人類自然的動(dòng)作玩這些玩具，不再使用按鈕或鍵盤一類的東西,，甚至可以在網(wǎng)上與全球的小朋友一起分享游戲,。

　　結(jié)論：我們最近推出的微型、可靠,、低價(jià)的MEMS陀螺儀和磁感應(yīng)計(jì)通常集成了MEMS加速計(jì),，可使多種消費(fèi)電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)跟蹤功能，為用戶提供更好的如臨其境的現(xiàn)場感,。意法半導(dǎo)體是您首選的一站式MEMS元器件供應(yīng)商,，上文提到的全部元器件都在意法半導(dǎo)體的傳感器產(chǎn)品組合內(nèi)。憑借在MEMS技術(shù),、ASIC設(shè)計(jì)和更智能的封裝技術(shù)上不斷取得進(jìn)步,，結(jié)合最先進(jìn)的生產(chǎn)線和戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，意法半導(dǎo)體正在推動(dòng)感應(yīng)功能一體化時(shí)代,，進(jìn)一步加強(qiáng)其MEMS傳感器在消費(fèi)電子和手機(jī)市場的領(lǐng)導(dǎo)地位,。

　　作者簡介

　　FabioPasolini是意法半導(dǎo)體MEMS傳感器和高性能模擬產(chǎn)品部下的消費(fèi)電子與工業(yè)應(yīng)用事業(yè)組的總監(jiān)。1994年畢業(yè)于意大利帕維亞大學(xué)工程系,，1995起效力于意法半導(dǎo)體,，為ST的MEMS產(chǎn)品部的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，幫助ST成為這個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè),。

　　Fabio曾積極參與過多種集成電路的開發(fā)項(xiàng)目,；他的研究項(xiàng)目主要集中于微機(jī)電系統(tǒng)，包括MEMS加速計(jì)和陀螺儀內(nèi)置的讀出接口,、智能傳感器模塊，以及基于運(yùn)動(dòng)識(shí)別的完整應(yīng)用的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目,。

　　在帶通sigma-delta轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定技術(shù),、數(shù)據(jù)處理和MEMS傳感器電子接口架構(gòu)等領(lǐng)域，他曾獲得多項(xiàng)專利,，發(fā)表多篇技術(shù)論文,。