高性能MEMS传感器进一步缩减尺寸，开辟移动设备新时代

　　【赛斯维传感器网】微机电系统(MEMS)运动IC在走向更高的集成度、更小的芯片尺寸、更低的成本以及更高的性能和可靠性。这些趋势在最新的加速度计、陀螺仪和惯性测量单元(IMU)上得到了体现，使得MEMS器件得以满足多种下一代电子产品，特别是消费电子产品的需求。

　　半导体制造商以及领先的研究机构在利用最新的硬件和软件，为现有以及新的市场开发能体现MEMS技术主要优势(即成本低、体积小)的运动感知器件。这些技术进步使开发具有特色的运动传感器IC成为可能。各公司借助这些传感器开发出尖端产品、从而在竞争激烈的市场中实现产品的差异化。

　　MEMS加速度计和陀螺仪是正在迅速增长的市场。市场研究公司Yole Developpement预测，2013年MEMS加速度计和陀螺仪的复合市场将达约30亿美元(图1)。而在2008年该市场是18.5亿美元，当时全球大约生产了8.59亿个MEMS加速度计和陀螺仪。

　　另一家市场研究公司iSuppli预测，2010年的MEMS市场将从2006年的56亿美元上升到83亿美元，这个市场包含除运动感知传感器之外的许多其它功能的传感器。
 

　　　　　　　　　图1：MEMS加速度和陀螺仪市场在2013年达到30亿美元。

　　消费电子推动MEMS传感器市场繁荣

　　尽管安全气囊、制动压力(电子稳定控制或称ESC)、轮胎压力监测系统(TPMS)等汽车电子应用仍占主导，但MEMS传感器在消费市场的使用量将在2012年超过汽车市场。消费电子市场是MEMS传感器发展的重要推手，其它快速增长的市场包括家庭保健医疗设备、军事和工业应用等。

　　手机、小家电、电子游戏、远程控制、智能书、移动互联网设备以及个人导航设备(PND)等消费电子产品要求体积更小、功耗更低的MEMS加速度计。用于上述产品的MEMS加速度计芯片的需求量很大，因为许多此类产品在设计中都要用到若干个加速度计，且必须由电池供电，而且还要求更长的电池续航时间。

　　消费电子产业已受益于批量单价现已低于1美元的低成本、多轴MEMS加速度计。“尽管消费者花在大宗电子和移动产品方面的支出在大幅削减，但MEMS产业仍得益于移动手机和消费电子产品对其需求而继续蓬勃发展。”iSuppli的总监兼首席分析师Jeremie Bouchaud表示，“包括对具有基于直观运动界面的移动设备的渴望，以及对提供丰富和现实体验的追求等诸多因素，造就着MEMS传感器的成功。”

　　消费者对手势识别、方位感知、单点轻敲、双点轻敲、自由落体、晃动等实时运动检测功能的需求越来越多。MEMS加速度计制造商通过开发除感知元件以外还整合了相关电路和嵌入式软件算法等方案，使设计人员在实现这些特性的任意组合时具有比以往更高的精度、更大的灵活性。

　　“手机使用的加速度计是目前MEMS传感器的主要市场。”iSuppli的分析师Richard Dixon称。

　　“在2007年，只有3％的手机采用了加速度计。不过，归功于MEMS技术的进步以及消费者对更完美用户接口的需求，到2010年，预计有33％的手机采用加速度计。”飞思卡尔半导体传感器和执行器解决方案部副总裁兼总经理Demetre Kondylis表示。

　　市场调研公司IDC也提出了类似的前瞻性预测。该公司称：“尽管经济不景气，但与2008年第四季度比，智能手机销量在2009年第四季度还是同比增长了39％。2009年的智能手机出货量达到1.742亿部，比2008年的1.514亿部同比增长15.1％，预计这一上升趋势将持续下去。”

　　改善移动连接体验

　　最近新推出的许多三轴MEMS加速度计，都是针对智能消费电子产品。这些电子产品借助能更快、更精准地感知运动的特性来改善用户的移动连接体验。

　　飞思卡尔半导体的低功耗、12位、三轴MEMS加速度计MMA8450Q(图2)就是其中一个例子。飞思卡尔半导体采用系统级方法来开发这款传感器，并利用了其电源管理、基于ARM的i.MX处理器、传感器和软件方面的专长。

　　　　　　　　图2：MMA8450Q低功耗12位三轴MEMS加速度计可改善消费者的移动连接体验。

　　“该芯片代表了一种非常高端和高效的设计。”飞思卡尔半导体惯性传感器营销经理Michelle Kelsey表示。

　　该IC内的感知元件借助内置的XYZ采样先进先出(FIFO)存储器、高通滤波器和嵌入算法等智能特性实现运动感知。可用的嵌入功能包括定位、单点、双点、摇晃、自由落体和振动感知。

　　“FIFO和可配置性是保证MMA8450Q性能的关键，它们确保来自任何特定感知元件的数据都不会丢失。”Kelsey补充说道。

　　在3×3×1mm封装内，该芯片提供所有的先进特性，包括：接到I2C端口的12位数字输出；±2、±4和±8g的加速度范围；关机状态下仅2μA的电流消耗；1.71~1.89V直流工作电源；用于8个中断源的两个可编程引脚。

　　MMA8450Q的功耗特性也非常抢眼。在待机模式，在一个I2C端口工作的情况下，MMA8450Q的功耗只有10μA。在工作模式下，MMA8450Q的典型功耗为27μA(50Hz输出数据速率)或42μA(100Hz输出数据速率)。

　　在三轴数字输出KXTE9MEMS加速度计中，Kionix也嵌入了用于方位和活动监测的算法。该加速度计采用3×3×0.98mm的LGA封装，工作电压为1.8至3.6V，功耗仅30μA。飞思卡尔还计划推出应用开发工具，它们将有助于接入集成在芯片内的系统级功能。

　　减小芯片尺寸

　　VTI Technologies、意法半导体和Bosch Sensortec等MEMS IC制造商，通过使传感器更小、更省电来进一步挤压基于MEMS技术的芯片尺度的边界。去年，VTI Technologies率先推出了小尺寸三轴MEMS加速度计——CMA3000(图3)。这款三轴、低功耗(10μA/1.8V)加速度计采用2×2×0.98mm封装。

　　　　　　　　　　　　图3：VTI Technologies的CMA3000三轴MEMS加速度计。

　　意法半导体的LIS3Dx Femto系列三轴数字加速度计采用2×2×0.98mm LGA封装(图4)，在100Hz采样速率的全功能模式，功耗仅为10μA，工作电压仅为1.8V。若降低数据速率，还可进一步降低功耗，如在25Hz下为4μA，在几个Hz下为2μA。该芯片具有可编程FIFO存储器、串行外围接口(SPI)和I2C接口、单点和双点运动检测/唤醒、4D/6D方位检测，以及±2、±4和±8g的加速度范围。

　　　　　　　图4：LIS3Dx Femto MEMS三轴数字加速度计在全功能模式下仅消耗10uA电流。

　　领先的MEMS传感器供应商Bosch Sensortec也缩小了其MEMS加速度计的体积(图5)，其三轴数字加速度计BMA220具有与ST同类产品一样的小巧体积(2×2×0.98mm)，但具有±2、±4、±8和±16g更宽的灵敏度范围。在全功能模式，该芯片的功耗为250μA(1.8V电源)。此外，根据不同占空比，其功耗可低至10μA。BMA220是完全可编程的，具有单点、双点、自动唤醒、振动、中断和高加速/低加速检测、可配置步长以及I2C和SPI接口。

　　　　　　　　　　图5：Bosch Sensortec的BMA220三轴数字加速度计。

　　“这款加速度计可用于独特的专用I/O模式，我们将其打造成一款无需微控制器的独立器件。”Bosch Sensortec的全球营销总监Leopold Beer解释说。

　　ADI公司是业内最先推出单芯片平面MEMS加速度计的厂家，该产品是为汽车安全气囊应用而设计。此类产品最新器件ADXL346三轴数字输出iMEMS加速度计，具有仅1μA的待机功耗和35μA的全功能模式功耗。这款可选测量范围为±2、±4、±8和±16g、13位的器件，具有与众不同的特性，即在所有测量范围，都可将分辨率提升到4mg/LSB(最低有效位)。黑莓风暴2智能手机就采用了这款产品。

　　“我们专注的是对性能水平有很高要求，且最终用户愿意为此买单的那些应用。”ADI的MEMS营销经理Wayne Meyer解释，“根据具体应用，我们可在单一芯片上实现更高集成度。我们采用单片和混合策略来满足不同市场需求。”

　　在MXP7205VW/VF MEMS加速度计中，MEMSIC采用一种热原理来测量加速度，可承受50,000g的冲击。在-40℃到105℃的工作温度范围，在零g补偿下，它具有±30mg的精度。这对汽车电子稳定性控制(ESC)应用来说，是个重要特性。

　　通过采用新奇的惯性感知架构，较小的尺寸也被用来开发更先进的性能，这将影响到体积更小、成本更低的MEMS加速度计、陀螺仪和IMU的开发。

　　惠普(HP)实验室的超灵敏惯性MEMS加速度计平台(图6)是MEMS的一个重要发展，它比大批量商用加速度计敏感1,000倍以上，且成本低、体积小。它具有亚100 ng√Hz范围的噪声密度表现以及130dB的动态范围从而大幅提高了数据质量，这一切要归功于使用了大的检测质量(proof mass)。

　　　　　　　　　　　　　　图6：HP实验室惯性MEMS加速度计平台。

　　HP表示，该传感器不仅比其他MEMS传感器更敏感，且它是以与游戏控制器和汽车安全气囊所用的当今加速度计相当的大小、成本和功耗实现这一敏感得多的功能的。该传感器是针对汽车、医疗和工业基础设施的传感和监控应用设计的。它充分利用了惠普的MEMS射流技术。

　　“这一新的传感技术对实现惠普的地球中枢神经系统(CENSE)来说至关重要。”惠普高级研究员Peter Harwell称，“我们已经着手为这一愿景研制下一代传感器，它将在一个平面芯片上整合三轴惯性传感器和陀螺仪。”

　　惠普并没进行该传感器的商业销售。“我们计划将该传感器与其它传感元件和电子电路整合在一起，并与他人合作设计出一种无线传感系统解决方案，”惠普技术开发组织业务拓展经理Grant Pease解释说。

　　“我们传感器的主要应用之一是道路监测，它是美国政府运输部启动的智能交通系统的一部分，该系统能显著降低耗费在道路和高速公路上的能耗，”Pease说。“我们可很容易地修改这些传感器的性能(如：更多的轴数和更多带宽)以满足特定应用的需求。”

　　MEMS陀螺仪

　　MEMS陀螺仪得益于MEMS惯性传感器的发展。InvenSense、意法半导体和VTI Technologies是用于消费电子市场的主要MEMS陀螺仪制造商。霍尼韦尔是另一家主要MEMS陀螺仪制造商，但其产品主要用于工业、航空航天和军事应用。

　　根据iSuppli的统计，InvenSense是消费电子产品运动处理领域首屈一指的MEMS陀螺仪供应商。它最近发布了MPU-3000系列三轴运动处理单元陀螺仪，这些器件包括一个嵌入式数字运动处理器硬件加速器引擎。

　　该陀螺仪支持智能手机内的全部运动处理，包括从250到2000°/s以上最宽的覆盖范围。它具有如下特性：内置16位模数转换器(ADC)、可编程数字滤波器、出厂校准的1％敏感度、内置6轴传感器融合、13mW功耗。它们采用4×4×0.9mm毫米的小封装，并提供SPI和I2C接口。

　　VTI Technologies也推出了针对工业应用的MEMS陀螺仪和加速度计组合芯片SCC1300-D02。这是一款单轴±100°/s的X轴陀螺仪和三轴±2g加速度计。SCC1300-D04则是一款±300°/s的X轴陀螺仪和 ±6g的三轴加速度计。两款产品都采用18.6×8.5×4.53mm封装，在整个-40°C到125°C工作温度范围，对陀螺仪部分进行了温度补偿。偏置稳定性(Allan方差)小于1°/h，整个工作温度范围内的偏置精度为±0.6°/s。

　　意法半导体的LSM320HAY30在一个紧凑的封装内集成了一个三轴数字加速度计与一个两轴模拟陀螺仪(图7A)。该产品的加速度计具有±2、±4和±8g的可选全量程加速范围，而陀螺仪沿俯仰(pitch)和偏航(yaw)轴的角检出率范围为30到600°/s。每个轴都有两个用户可选且同时的输出：一个是用于慢动作的高精度未经放大的输出，另一个是用于非常快的手势动作、放大4倍后的输出。该模块工作于2.7到3.6V，包括自检功能。

　　意法半导体还推出了低成本的LYPR540AH三轴MEMS陀螺仪(图7b)。这是为消费电子设计的高性能器件，它能准确测量沿三个正交轴的角速率，为手机、游戏控制器、个人导航设备及其它便携式消费电子产品提供360°角速率的高精度姿势和运动识别。该陀螺仪有两个同时工作、用于三个轴的独立输出，一个用于慢动作、高精度的400°/s全量程值，另一个用于非常快手势和动作的1600°/s全量程值。这些器件采用4.4×7.5×1.1mm封装。
 

　　　　　　　　　　图7：意法半导体的两款MEMS三轴数字陀螺仪为消费电子应用提供高性能。

　　意法半导体的L3G200D三轴MEMS数字陀螺仪是移动电话和游戏控制台运动控制领域的新突破，它采用单一传感构造对沿三个正交轴的运动进行测量。意法半导体表示，与现有的采用两或三个传感构造的陀螺仪相比，单传感构造陀螺仪提升了精度和可靠性。L3G200D采用4×4×1mm封装、包括ASIC接口。该产品具有用户可编程的±250°/s到±2000°/s全量程范围和16位数据输出。

　　意法半导体是欧盟资助的微观陀螺仪(图8)——互联器件缩微总成(Downscale Assembly of Interconnected Devices)计划——开发的6个合作伙伴之一。该计划的重点是惯性传感器系统。该项目旨在对包含MEMS和ASIC的混合集成电路进行极高封装密度的研究，在第六框架规划(Sixth Framework Programme)下，欧洲委员会拨款280万欧元资助该项目。其他5家合作伙伴包括：德国弗劳恩霍夫技术学院；奥地利的Datacon Technology；荷兰的FICO；意大利的SAES Getters；波兰的弗罗茨瓦夫理工大学。

　　　　　　　　　　　　　　　　　图8：欧盟资助的微观陀螺仪的结构图。

　　模块化IMU

　　在为消费电子和便携式医疗电子产品开发成本相对较低的模块化封装IMU方面，意法半导体走在了前面。iNEMO v2集成了5个意法半导体的传感器和一个32位微控制器。这些传感器包括：一个两轴横摇和纵摇(roll-and-pitch)陀螺仪、一个单轴偏航陀螺仪、一个六轴地磁模块、一个压力传感器和一个温度传感器。

　　利用iMEMS技术，ADI公司也在积极为工业、航空航天和军事应用生产模块化IMU，ADS16350/54/55等产品就提供了6自由度运动检测。

　　“IMU绝对是以性能为旨归的器件，它们用于对性能有极高要求的工业和军用市场。”ADI的Wayne Meyer解释说，“因此你不能指望它们会采用典型的小型IC封装，且它们的要价通常也更高。”

　　所有这些情况，都显示出系统级方法的必要性。“惯性产品的MEMS供应商，特别是加速度计供应商，一直在非常努力地使各自的产品标新立异，因为这些产品业已走向成熟且已商品化，”专注于MEMS领域的营销公司Roger Grace Associates的总裁Roger Grace表示，“功能的增加，特别是添加进软件算法，现正成为一种产品差异化战略。该领域的设计趋势一直是在独立芯片(特别是ASIC)上增加功能，而该芯片一般会与MEMS构造绑定在一起。”

　　“这种系统级解决方案，特别是通过先进封装技术带来的显而易见的功能提升，将成为产品差异化的主要技术。”他补充说。

　　作者：

　　Roger Allan

　　《Electronic Design》

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