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加速度计与MEMS明日之星

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作者:特约撰稿人 欧敏铨(台湾)时间:2007-12-31来源:电子产品世界

  ()在发展了近四十年后,近来因为游戏机(Wii、PS3)、手机(iPhone)、MP3(iPod touch)等消费性电子产品的应用,终于划下时代性的一刻,成功打入产量最大的消费性市场。这对于微机电产业来说无疑是值得庆贺的时刻,因为有太多的研发心力已投入这项将微机械与微电子工程融合的微机电设计诉求之上,如今总算看到令人欣慰的一些成果。

  当然,这仍然只是进军更广泛市场的一个开端,打开这个市场的功臣即是加速度计(accelerometer)。在本文中将会对加速度计的技术及应用有更多的着墨,在此之前,我们要先来看看的领域及发展进程。

  MEMS发展历程

  MEMS的研发早在1970年代初期就已展开,最早期的研究包括石英晶体谐振器(Quartz Resonator)和压力传感器等,接着有打印机的喷墨头(ink jet)及气相色谱仪(gas chromatography)的研究;1975年后开始进行加速度计、数字光投影机、微流体(micro-fluidics)、MEMS振荡器、MEMS开关(Switch)的研究;1985年左右开始研究MEMS麦克风;薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)和陀螺仪(Gyroscope)则是1990年代以后才开始的新领域。

  MEMS的应用领域很广,举凡需要用到微机械感测与控制的应用,都有可能导入MEMS的芯片,这些领域涵盖了信息、通讯、消费电子、汽车、医疗、工业等等各个领域。目前广泛应用MEMS芯片的应用领域是汽车电子及信息电子,在汽车的操控性及安全性方面,已采用不少的MEMS传感器和制动器,其中又以加速度计居多,例如低重力加速度计可用于电子停车制动(EPB)、安全带预紧器(Pre-tensioner)、防侧翻、汽车动态控制(VDC);中/高重力加速度计可用于悬吊系统、安全气囊;此外,MEMS陀螺仪(Gyroscope)则可用于惯性导航、防侧翻和VDC。

  在信息应用方面,最常见的是打印机喷墨头的运用,这仍是目前MEMS芯片最大的应用领域之一。此外,加速度计也被用于保护硬盘,当硬盘不慎掉落时,传感器会立即传出警告信息,要求马达停止转动并将磁头从盘片表面上移开,因此不会有任何部件与硬盘机内的储存媒介相互碰触,如此一来即能保护行动设备在发生意外振动或摔落时,内部所存储的数据仍能安全无虞。另一个大幅成长的芯片则是微面镜,最成功的例子是TI所研发的数字光处理(DLP)技术,目前已普遍用于投影显示器当中。

图1 加速度计在硬盘保护中的功用
资料来源:ST

  加速度计的创新应用

  在现阶段,消费性市场最有兴趣的,还是如何导入加速度计。加速度计的应用是令人期待的,举凡需要感测由于坠落、倾斜、移动、定位、撞击或振动产生微小变化的产品,都可以导入加速度计。因此,除了上述的防撞保护外,它还能提供操控手持设备的人机接口(Man Machine Interface, MMI)以及许多有趣的增值功能:

  创新MMI人机界面

  Wii的摇控游戏功能,正是让大家印象最深刻的创新型态人机接口功能。它利用加速度计的动态感测功能来感测摇控器左/右倾斜、前/后倾斜、甚至上/下移动等动作,来转换为玩家在游戏中想操控的挥拍、击球、钓鱼、跳跃等动作,而能取代键盘以更直觉的享受到游戏的临场感,也能完成一些过去相当困难的细微操控动作。

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  不仅如此,3轴加速度计也能实现画面自动转向、图像浏览及目录选择等功能。以iPhone及iPod touch来说,其内建的加速度计通过测量重力向量,就能确定它是处于垂直状态还是水平状态,并将图像的显示位置自动转正,例如当用户在观赏照片、视讯或检视地图而以横向观看时,画面会自动旋转;当浏览网页或目录时,则可以再转回直向显示。

  还有一些直观的用法,例如运用加速度来操控显示画面,也就是藉由倾斜手持设备来实现屏幕显示内容的上下左右浏览,并可通过对单击(单次振动)或双击(连续振动两下)的识别,来进行各种功能的选择,例如歌目选择、手机拨号及静音控制等。

  有趣的增值功能

  加速度器对于动作的感测,还能创造出许多有趣的应用,如骰子游戏、虚拟乐器敲击及「闪讯」(Wave Message)等。骰子游戏是藉由摇动手持设备来控制骰子旋转速度及停止时间;虚拟乐器敲击是藉由对手持设备的挥动感测,来控制敲击乐器的节奏快慢及音量大小;闪讯则是在光线较暗的环境下,当手持设备快速左右移动时,加速度计会感测动作并驱动LED发光,在空中形成连续的光影信号。

  其它应用

  对于手持设备来说,降低功耗一直是最重要的任务之一,而通过内建的加速度计,可以侦测到设备的使用状况,并采取适当的省电控制模式,此举将有助于延长手持设备的电池寿命。此外,加速度计也能提供计步器、电子罗盘补正(3D Compass)、照相防手震等附加功能。上述种种的创新应用能力,让3轴加速度计成为手持设备中另一个不可少的芯片。

  电容式加速度计技术

  接着来看看加速度计的设计原理。常见的加速度计技术包括压阻式(Piezoresistive)、电容式(Capacitive)、压电式(Piezoelectric)及热对流式(Thermal)。目前市场上商业化的加速度计主要是采用压阻式、电容式与热对流式,日系厂商主要采用压阻式技术,ADI、ST等欧美厂商则采用电容式技术,对流式的代表厂商则为MEMSIC。从(表1)可以看出,三者各有其优缺点,但电容式在各项功能评比中皆居于中等或极佳的表现,因此发展的潜力极大。

  电容式加速度计是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、高分辨力、可非接触测量,并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等独特优点。随着MEMS和半导体制程的进步,大幅改善其原先的一些使用限制,也让电容式作法成为今日市场上极受欢迎的一种加速度计设计途径。

图2 电容式加速度计的MEMS结构示意图
资料来源:ST

  电容式加速度计的结构中会有可移动的质块与相对的固定端,分为作为电容的两极。当外界加速度使可移动极与固定极发生相对位移时,两极间的电容量也会产生变化,通过特殊电路可将此变化量转换成相对应的输出信号。

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  电容式加速计的好处甚多,比起压阻式或热对流式容易因外界温度变化而产生零位漂移,电容式的电容值一般与电极材料无关,因此可选择温度系数低的材料;加上本身发热极小,温度对稳定性的影响甚微。此外,电容式除了可以实现微型化需求外,也能在高温、高压、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作,也能耐受极大冲击,适用范围极广。

  另一个优点是它的动态响应时间很短,能在几MHz的频率下工作,因此特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小,可以用较高频率供电,因此系统工作频率高,可以用于测量高速变化的参数。除了上述优点外,电容式还可测极低的加速度和位移(0.01mm以下),灵敏度及分辨力可以做到很高。

图3 加速度计传感器的技术原理
资料来源:ST

  在电容式的结构中,当其中的质块出现加速度运动时,就会产生电容量的差异变化(DC),此变化会传送给另一颗接口芯片(Interface chip),由它来输出可量测的电压值。因此,一个3轴加速度计芯片中必须包含两大单元,一是单纯的机械性MEMS传感器,它包含测量XY轴的区域及测量Z轴的区域,内部有成群移动的电子;另一则是标准的ASIC接口芯片,它会将电容变化转换为电压讯号输出。

  传感器与ASIC接口芯片这两大单元虽然都可采用CMOS制程来生产,但由于实现技术上的差异,两者目前大多仍会采用不同的生产流程,再将两颗芯片封装整合在一起,成为系统级封装(SiP)芯片。这两颗芯片可以用堆栈(Stacked)或并排(Side by side)方式来进行封装。采用先进LGA封装的ST加速度计芯片只有3 linux操作系统文章专题:linux操作系统详解(linux不再难懂)
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