MEMS陀螺儀和地磁感應計進(jìn)入消費電子

　　盡管2009年全球經(jīng)歷了空前的經(jīng)濟危機，但是MEMS市場(chǎng)并沒(méi)有受到影響，市場(chǎng)總值幾乎與2008持平，出貨量比2008年同期增長(cháng)大約10%，這些數據表明，MEMS在消費電子市場(chǎng)的滲透率正在不斷提高。據市調機構iSuppli的最近一份市場(chǎng)研究報告顯示，2010年以及以后的MEMS市場(chǎng)前景光明，預計2010年MEMS市場(chǎng)重新回到的兩位數增幅，2009-2013期間的總年復合增長(cháng)率達到12.2%。

　　事實(shí)上，MEMS傳感器是消費電子實(shí)現創(chuàng )新應用不可或缺的關(guān)鍵元器件。近年來(lái)，從游戲機到手機，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(shí)現了運動(dòng)控制的用戶(hù)界面和增強型保護系統?，F在該輪到MEMS陀螺儀和地磁感應計發(fā)揮作用，推動(dòng)新一波令人興奮的創(chuàng )新應用高速增長(cháng)。

　　有關(guān)能夠測量線(xiàn)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、地磁感應計等具有多個(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)軸運動(dòng)的角速度，是補充MEMS加速計功能的理想技術(shù)。事實(shí)上，如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器，系統設計人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動(dòng)，為最終用戶(hù)提供現場(chǎng)感更強的用戶(hù)使用體驗、精確的導航系統以及其它功能。

　　ST在MEMS市場(chǎng)的份額正在快速增長(cháng)。作為全球公認的消費電子和手機市場(chǎng)最大的MEMS傳感器供應商，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)微加工機械單元，在設計上按照一個(gè)音叉機制運轉，利用科里奧利原理把角速率轉換成一個(gè)特定感應結構的位移。

　　我們以一個(gè)單軸偏航陀螺儀為例，探討最簡(jiǎn)單的工作原理（圖1）。兩個(gè)正在運動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續運動(dòng)，如藍色箭頭所示。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會(huì )出現一個(gè)科里奧利力，力的方向垂直于質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)方向，如黃 色箭頭所示。產(chǎn)生的科里奧利力使感應質(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。因為傳感器感應部分的運動(dòng)電極（轉子）位于固定電極（定子）的側邊，上面的位移將會(huì )在定子和轉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化成一個(gè)專(zhuān)用電路可以檢測的電參數。

圖 1:單軸MEMS偏航陀螺儀

　　ST研制的微機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(hù)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用。因為ST選用了音叉方法設計陀螺儀，其差分特性使系統本身對作用在傳感器上的無(wú)用線(xiàn)性加速度和雜亂振動(dòng)的敏感度低于市場(chǎng)上現有的其它類(lèi)型陀螺儀。當這些無(wú)用的信號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(wú)效。

　　在系統方面，陀螺儀的信號調節電路可簡(jiǎn)化為電機驅動(dòng)部分和加速傳感器感應電路兩部分(圖2)：

　　- 電機驅動(dòng)部分通過(guò)靜電激勵方法，使驅動(dòng)電路前后振蕩，為機械元件提供勵磁；
　　- 感應部分通過(guò)測量電容變化來(lái)測量科里奧利力在感應質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生的位移，這是一個(gè)穩健、可靠的技術(shù)，被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線(xiàn)，能夠提供強度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數字信號。

圖 2:一個(gè)單軸偏航MEMS陀螺儀的結構簡(jiǎn)圖

　　在控制電路內部有先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，當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，當需要檢測傳感器上施加的角速率時(shí)，在接到用戶(hù)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(lèi)似，MEMS陀螺儀也沿用一個(gè)系統級封裝(SIP)方法，機械感應元器件與其調節ASIC電路放在同一個(gè)封裝內。

　　智能設計方法結合先進(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，多軸陀螺儀的系統封裝面積僅為3x5 mm2 ，最大厚度僅為1mm (圖3)，同時(shí)在最終產(chǎn)品的生命周期內確保傳感器的穩定性和高性能。

圖 3:采用超小LGA封裝的ST多軸陀螺儀

　　意法半導體為客戶(hù)提供1軸-3軸、30dps-6000dps的各種陀螺儀傳感器，讓系統設計工程師能夠解決不同的應用：從圖像穩定器到游戲，從指向裝置到機器人控制。

　　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(wèn)市正在促進(jìn)手機、游戲機等設備實(shí)現先進(jìn)的人機界面。