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。

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。

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。

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。

不僅有運動(dòng)傳感器，還有…
全新的地磁感應計正在融入消費電子產(chǎn)品。
磁感應計能夠測量多個(gè)軸向的地球磁場(chǎng)強度，讓便攜設備實(shí)現更強的羅盤(pán)和導航功能。

類(lèi)似于運動(dòng)傳感器，消費電子產(chǎn)品和手機也是增長(cháng)最快的磁感應計市場(chǎng)，2009年磁感應計市場(chǎng)增幅逾100%。據iSuppli最新的市場(chǎng)研究報告，這個(gè)市場(chǎng)增長(cháng)非�？�，出貨量預計從2008年的800萬(wàn)件，增長(cháng)到2013年5.40億，年復合增長(cháng)率（CAGR）達到129%。

在現有的不同的磁感應計芯片制造技術(shù)中，各向異性磁阻(AMR)傳感器的發(fā)展勢頭銳不可擋，因為能夠提供高空間分辨率和高精度、低功耗，特別是低功耗對電池供電的便攜設備至關(guān)重要。磁感應計的工作原理是通過(guò)測量電阻變化來(lái)確定磁場(chǎng)強度。當在一個(gè)很薄的鐵條上施加磁力線(xiàn)方向與經(jīng)過(guò)鐵條的電流方向垂直的磁場(chǎng)時(shí)，鐵條內的電阻就會(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)阻值相同的磁阻構成。在測量過(guò)程中，電橋被通電壓Vb，有電流通過(guò)電阻。只要施加磁場(chǎng)H，在四個(gè)相反放置的電阻器內，有兩個(gè)電阻的磁化矢量轉向電流，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(xiàn)性范圍內，傳感器輸出與所施加的磁場(chǎng)強度成正比。

隨著(zhù)手機成為傳感器最熱的應用領(lǐng)域，當配合加速計實(shí)現傾斜補償羅盤(pán)應用時(shí)，磁感應計越來(lái)越被市場(chǎng)看好。例如，意法半導體的6D模塊LSM303DLH就是一個(gè)有6個(gè)自由度(6 DOF) 的磁感應計。 這款產(chǎn)品在一個(gè)超小的LGA封裝內集成一個(gè)高性能的3軸加速計與一個(gè)高分辨率的3軸磁感應計 （圖5）。磁感應計單元包括附加的電流帶，可以通過(guò)電方式給輸出磁極“置位”或“復位”，并施加一個(gè)偏移磁場(chǎng)來(lái)修正環(huán)境磁場(chǎng)。

在建筑物和汽車(chē)內，在高緯度地區，如北美和北歐，很難用霍爾型磁感應計檢測地球磁場(chǎng)傾角，而LSM303DLH能夠提供準確的3D的行進(jìn)方向。配合支持各種主流的手機操作系統的行進(jìn)、自動(dòng)校準和軟/硬鐵補償驅動(dòng)程序，LMS303DLH六維磁感應計為系統設計人員實(shí)現導航功能提供一個(gè)強大的工具。

特別值得一提是，整合加速計、陀螺儀和磁感應計，并均衡地利用三者的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，可在在導航解決方案的核心部分實(shí)現一個(gè)所謂的慣性測量單元（IMU）。換句話(huà)說(shuō)，平臺開(kāi)發(fā)商可利用最新的MEMS技術(shù)，將慣性傳感器與較傳統的GPS系統配合使用，能夠在衛星信號很弱的高樓林立的市區或根本沒(méi)有信號的室內或地鐵環(huán)境中提供導航服務(wù)。在不久的將來(lái)，準確的方位信息與服務(wù)廠(chǎng)商提供的附加中間數據將會(huì )整合在一起，并顯示在用戶(hù)的手機顯示屏幕上，這種定位關(guān)聯(lián)服務(wù)將會(huì )為手機用戶(hù)帶來(lái)好處，例如，手機用戶(hù)可以獲得位于某一個(gè)購物中心內的所有商鋪的準確信息，找到想要購買(mǎi)的產(chǎn)品的方位提示，接收根據用戶(hù)興趣訂制的商品特價(jià)和打折信息。

這樣的應用現已出現在市場(chǎng)上，例如，在荷蘭，Android手機用戶(hù)可以安裝新增的移動(dòng)現實(shí)空間瀏覽器Layar。
在大多情況下，新出現的開(kāi)放軟件平臺的開(kāi)發(fā)項目更易遭遇到先進(jìn)的感應功能，所以新的軟件平臺鼓勵全社區的開(kāi)發(fā)人員團結協(xié)作，開(kāi)發(fā)符合自己需求的應用軟件，同時(shí)給電子設備增加價(jià)值。

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

結論：我們最近推出的微型、可靠、低價(jià)的MEMS陀螺儀和磁感應計通常集成了MEMS加速計，可使多種消費電子設備實(shí)現更強的運動(dòng)跟蹤功能，為用戶(hù)提供更好的如臨其境的現場(chǎng)感。意法半導體是您首選的一站式MEMS元器件供應商，上文提到的全部元器件都在意法半導體的傳感器產(chǎn)品組合內。憑借在MEMS技術(shù)、ASIC設計和更智能的封裝技術(shù)上不斷取得進(jìn)步，結合最先進(jìn)的生產(chǎn)線(xiàn)和戰略合作伙伴關(guān)系，意法半導體正在推動(dòng)感應功能一體化時(shí)代，進(jìn)一步加強其MEMS傳感器在消費電子和手機市場(chǎng)的領(lǐng)導地位。

作者簡(jiǎn)介

Fabio Pasolini是意法半導體MEMS傳感器和高性能模擬產(chǎn)品部下的消費電子與工業(yè)應用事業(yè)組的總監。1994年畢業(yè)于意大利帕維亞大學(xué)工程系，1995起效力于意法半導體，為ST的MEMS產(chǎn)品部的發(fā)展做出了貢獻，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(guò)多種集成電路的開(kāi)發(fā)項目；他的研究項目主要集中于微機電系統，包括MEMS加速計和陀螺儀內置的讀出接口、智能傳感器模塊，以及基于運動(dòng)識別的完整應用的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項目。

在帶通sigma-delta轉換器穩定技術(shù)、數據處理和MEMS傳感器電子接口架構等領(lǐng)域，他曾獲得多項專(zhuān)利，發(fā)表多篇技術(shù)論文。