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- 基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器分析與應(yīng)用
- 來源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)表于 2020/5/13
高速發(fā)展的電子及其制造技術(shù)使微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical-SySTems ，MEMS）迅速普及。其實(shí)基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器、壓力傳感器、陀螺儀等已經(jīng)有30余年的應(yīng)用歷史，但由于技術(shù)和成本等多方面的原因，這些技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)、軍事、汽車制造、儀器儀表，及醫(yī)療等領(lǐng)域，而未進(jìn)入消費(fèi)類產(chǎn)品市場。目前的情況則已大幅改觀，MEMS技術(shù)已不像幾十年前那樣貴如珠寶，低成本、小尺寸、低功耗、高性能的MEMS傳感器產(chǎn)品已掀起新的設(shè)計(jì)和消費(fèi)浪潮。
基于MEMS技術(shù)的多軸加速度傳感器目前主要應(yīng)用于游戲機(jī)和手機(jī)、硬盤防跌落保護(hù)、便攜式設(shè)備的健身計(jì)步測量，以及數(shù)碼相機(jī)/攝相機(jī)的防抖等。除此之外，用于測量熱效應(yīng)、光強(qiáng)度及壓力等物理量的物理傳感器（Physical Sensor）也是未來的重點(diǎn)之一。
ST一直致力于MEMS技術(shù)的廣泛應(yīng)用和進(jìn)行新產(chǎn)品與新技術(shù)的開發(fā)方面的投入。其率先投資建立了先進(jìn)的八英寸晶圓生產(chǎn)線，同時(shí)推動(dòng)互補(bǔ)的合作伙伴關(guān)系。ST的目標(biāo)是MEMS產(chǎn)品在消費(fèi)領(lǐng)域的普及和量產(chǎn)，成為該技術(shù)消費(fèi)性浪潮的推手。
1. MEMS概述
微機(jī)電系統(tǒng)指通過硅晶圓微加工技術(shù)制造的三維機(jī)械電子結(jié)構(gòu)，60年代時(shí)開始在半導(dǎo)體廠中出現(xiàn)。人們的日常生活中經(jīng)常能見到MEMS技術(shù)的物理傳感器，用來感測加速度、角速度、壓力和聲壓等。
汽車電子是目前發(fā)展迅速的市場，MEMS技術(shù)在其中隨處可見。例如汽車動(dòng)態(tài)控制和安全氣囊等所有的主動(dòng)和被動(dòng)式安全系統(tǒng)中，都使用加速度或偏移率（Yaw Rate）傳感器來保護(hù)乘客的生命安全；為降低油耗，壓力傳感器也應(yīng)用在引擎歧管（Engine Manifolds）和汽油管（Fuel Lines）中。
MEMS技術(shù)在活躍的消費(fèi)電子市場掀起了產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新的高潮。對于消費(fèi)性市場來說，微機(jī)電產(chǎn)品通常會(huì)是在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)考慮下的最佳解決方案，而且提供了微型化和高級程度的未來發(fā)展藍(lán)圖。最成功的應(yīng)用之一就是加速度傳感器在任天堂的Wii和Sony的PS3游戲機(jī)中帶來的全新操控體驗(yàn)。過去加速度傳感器只被用于汽車中的主動(dòng)及被動(dòng)式安全系統(tǒng)當(dāng)中，一些安全法規(guī)的要求是其在汽車電子中應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)力之一。今天，“感測及簡化”已成為MEMS在消費(fèi)產(chǎn)品市場的價(jià)值定位所在，掃除使用者和電子設(shè)備這個(gè)復(fù)雜世界之間的所有隔閡也是設(shè)計(jì)大師Naoto Fukusawa-san的夢想。此外，三軸加速度傳感器也可用來設(shè)計(jì)硬盤放跌落裝置，保護(hù)數(shù)據(jù)的安全；便攜式設(shè)備的UI操控也可以通過它來實(shí)現(xiàn)更人性化的功能。
MEMS元件與芯片中的CMOS相同，利用半導(dǎo)體晶圓廠來生產(chǎn)制造。但不同之處是，MEMS元件不僅僅是電子產(chǎn)品，還結(jié)合了許多機(jī)械結(jié)構(gòu)，如連硅質(zhì)彈簧（Spring）、電極（Electrode）、薄板（Membrane）和懸臂梁（Cantilever）等可移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。此外，硅微加工元件經(jīng)常會(huì)與傳統(tǒng)石英或壓電式產(chǎn)品存在價(jià)格、尺寸及效能上出現(xiàn)競爭。
加速度計(jì)和陀螺儀等運(yùn)動(dòng)感測器將移動(dòng)偵測的能力帶到硅組件當(dāng)中。 這類組件在汽車市場的應(yīng)用會(huì)持續(xù)增加，一些法案的要求正是其中的驅(qū)動(dòng)力之一；在消費(fèi)性市場中的應(yīng)用也將會(huì)大幅提高，其增長率會(huì)十分快速。 多軸加速度計(jì)過去只被用于汽車中的主動(dòng)及被動(dòng)式安全系統(tǒng)當(dāng)中，但現(xiàn)在已更廣泛被用于筆記型電腦、硬盤機(jī)、手機(jī)和游戲控制器中。 除了汽車動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)外，偏移率感測器（陀螺儀）也用于改善數(shù)位相機(jī)和攝影機(jī)的影像穩(wěn)定性。 此外，運(yùn)動(dòng)感測器和磁力計(jì)可望整合為運(yùn)動(dòng)量測單元，共同為手持設(shè)備提供個(gè)人化導(dǎo)航功能，進(jìn)而讓電信業(yè)者所提供的位置型服務(wù)（LBS）能夠落實(shí)。
業(yè)界預(yù)測加速度傳感器和陀螺儀等運(yùn)動(dòng)傳感器在消費(fèi)電子產(chǎn)品市場中的應(yīng)用將持續(xù)增加，且增長會(huì)十分迅速。
多軸加速度傳感器給硅組件帶來運(yùn)動(dòng)探測能力，目前被廣泛用于硬盤驅(qū)動(dòng)器、手持設(shè)備、筆記本電腦、手機(jī)、游戲機(jī)等設(shè)備中。陀螺儀也被用于數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)中，為其防抖動(dòng)功能提供支持。此外，運(yùn)動(dòng)傳感器和磁力計(jì)可望整合為運(yùn)動(dòng)傳感單元，共同為手持設(shè)備提供個(gè)人化導(dǎo)航功能，進(jìn)而為電信運(yùn)營商所提供的定位類服務(wù)（LBS）提供平臺。
微型壓力傳感器曾在汽車中大量應(yīng)用，主要集中在胎壓偵測等；此外，醫(yī)療器械也是其主要市場之一。目前隨著技術(shù)的進(jìn)步使開發(fā)成本逐漸降低和尺寸更加輕薄，微型壓力傳感器預(yù)計(jì)將很快被消費(fèi)類市場接受，并用于無線通訊等新領(lǐng)域。
手機(jī)和筆記本電腦由于尺寸的限制，使用表面貼裝技術(shù)（SMT）的傳統(tǒng)駐極體電容式邁克風(fēng)的時(shí)用受到限制，因此基于MEMS技術(shù)的電容式硅晶邁克風(fēng)將在該市場迅速普及。
加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等多種元件的集成將是未來的必然趨勢。MEMS產(chǎn)品供應(yīng)商需要基于客戶的需求，開發(fā)能將多種傳感器整合在一起的通用技術(shù)平臺。THELMA和VENSENS即為ST推出的兩款用于傳感器整合的技術(shù)平臺。ST的MEMS產(chǎn)品制造和研發(fā)都在先進(jìn)的八英寸MEMS晶圓廠中進(jìn)行，能使上市時(shí)間縮短，迅速滿足市場需求。此外，該公司還在積極開發(fā)多軸陀螺儀、壓力傳感器和電容式硅晶邁克風(fēng)等，也積極與其它公司合作推出具有市場潛力或滿足客戶要求的傳感器產(chǎn)品。
2. 物理傳感器的微加工技術(shù)
由于硅晶體具有極佳的電特性、機(jī)械特性和熱量特性，故已成為MEMS制造中最受歡迎的一種材料。MEMS傳感器一般通過與芯片基本制程技術(shù)相同的所謂的微加工（Micro-Machining）制程技術(shù)來加工和制造。然而，石英、玻璃、塑料和陶瓷等其他材料也可用于微加工或微成形。例如石英和陶瓷就常被用于晶振（CrySTal Resonator）和柯氏力型陀螺儀中。
硅晶體除了具有優(yōu)越物理特性，其引人注目的另一個(gè)原因是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面的考慮。全球微電子產(chǎn)業(yè)已投入龐大的資金并積累大量專業(yè)經(jīng)驗(yàn)來建構(gòu)一個(gè)穩(wěn)固的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。制造商可把用于硅芯片生產(chǎn)而開發(fā)的成熟制造技術(shù)來生產(chǎn)MEMS元件，并利用硅晶圓同時(shí)生產(chǎn)數(shù)千個(gè)微加工組件。巨大的經(jīng)濟(jì)規(guī)模曾經(jīng)是讓電子產(chǎn)業(yè)成功的重要條件，現(xiàn)在MEMS正可以從這種方式中復(fù)制成功的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，來設(shè)計(jì)和大量制造硅材質(zhì)的微電子組件，同時(shí)還可致力于電晶體尺寸的進(jìn)一步縮小。另外，晶圓的制程序要極其嚴(yán)格的程序和流程來管理，因此與其他制程方式相比較，設(shè)計(jì)可重復(fù)性和生產(chǎn)良品率更高。
硅的物理特性很奇特。其材質(zhì)較脆，但不容易產(chǎn)生塑料性形變；它可以鋼鐵更堅(jiān)硬，但重量只有其三分之一。由于材料的這些特性，其與集成電路整合設(shè)計(jì)后，由MEMS機(jī)構(gòu)中的振膜或懸梁臂等移動(dòng)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的電信號即可提供該傳感器的測量物理量或控制能力。
MEMS目前被廣泛使用主要原因是極小的尺寸、極高的可靠性和低功耗特性，相比其它較大體積的競爭產(chǎn)品能做到更快和更精確的操作。另一方面，對于普通用戶來說，尤其是在價(jià)格為主導(dǎo)的消費(fèi)性的領(lǐng)域，成本上的考慮更是不能被忽視的。
目前MEMS元件的尺寸還屬于微米級，采用較早期的6英寸晶圓廠即可生產(chǎn)制造；但隨著消費(fèi)市場對相關(guān)應(yīng)用需求的迅速增長以及價(jià)格方面的壓力，未來幾年中，預(yù)計(jì)許多廠商將會(huì)移轉(zhuǎn)到8英寸生產(chǎn)線中。ST早已實(shí)現(xiàn)了向8英寸生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)移，在技術(shù)和成本兩方面極佳的競爭優(yōu)勢使公司在市場中占據(jù)了主動(dòng)。
目前許多微加工制程都衍生自基本的IC制造技術(shù)，如光刻（Photolithography）、材料沉積（Material Deposition）、反應(yīng)離子（Reactive Ion）和化學(xué)刻蝕（Chemical Etching）等。僅管目前越來越多的組件的制造正在向CMOS制程整合，但由于具體情況的不同，仍需要針對不同的應(yīng)用做不同的考慮。
例如MEMS元件微加工的尺度大約在數(shù)十到數(shù)百微米之間，與芯片電路仍有差距；因此濕式蝕刻、生成或電鍍薄膜、晶圓堆疊、導(dǎo)通孔（Vias）及干式蝕刻等是今日常見的微加工制造程序。特別應(yīng)當(dāng)提到的是，MEMS組件還會(huì)用到金或玻璃介質(zhì)（Glass Frit）等材料，而這些在CMOS制程中是完全禁止的。
為實(shí)現(xiàn)差異化的競爭優(yōu)勢，MEMS供應(yīng)商近幾十年來依據(jù)自身和設(shè)備的特點(diǎn)，以及所擅長的制程步驟，都紛紛開發(fā)出適合自己產(chǎn)品的專有微加工制程技術(shù)。
各廠商的專有制程可大致分為兩大類：體型微加工和表面型微加工。體型微加工通過基板的移除來形成希望做到的結(jié)構(gòu)，是一種“減法制程”。適用于來設(shè)計(jì)較厚的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者可以自由地決定需求的基板厚度，不過微加工結(jié)構(gòu)的形狀會(huì)受到硅基板的結(jié)晶面構(gòu)造的限制。與之相對的表面型微加工則屬于“加法制程”，主要流程是根據(jù)具體需求通過不同的工序?qū)⒉煌牧蠈拥膫�(gè)別區(qū)域移除或留下，基板層則維持原樣不動(dòng)。因?yàn)椴牧蠈颖∧ぃ‵ilm）在基板上能生成或沉積的厚度有限，該技術(shù)開始只限于約2微米的薄型組件，但目前新的晶圓黏合（Wafer Bonding）技術(shù)有助于設(shè)計(jì)出較厚的元件。利用這些光刻技術(shù)，原本非常復(fù)雜且高度創(chuàng)新的機(jī)械性結(jié)構(gòu)也能變得相對簡單許多。
3. THELMA和VENSENS微加工制程
ST目前在進(jìn)行量產(chǎn)的微加工制程有THELMA和VENSENSE兩種，均屬于體型和表面型微加工技術(shù)的混合性制造技術(shù)。
THELMA全稱為Thick Epitaxial Layer for Microgyroscopes and Accelerometers，主要適用于加速度傳感器、陀螺儀及邁克風(fēng)等高效能和低成本的運(yùn)動(dòng)傳感器。THELMA制程從標(biāo)準(zhǔn)的硅晶圓開始，其上會(huì)有第一層做為隔離的氧化物層（約2微米）。接著會(huì)沈積一層互連用的多晶硅層，以及第二犧牲氧化層（約2微米）；再在這層中負(fù)責(zé)作為固定機(jī)構(gòu)的支持端及移動(dòng)機(jī)構(gòu)的固定端（Anchor）的個(gè)別點(diǎn)上進(jìn)行蝕刻，以產(chǎn)生孔洞。隨后一個(gè)較厚的壘晶層（約15微米）會(huì)在其上生成，再以一片光罩來對這一層進(jìn)行蝕刻，以產(chǎn)生兼具移動(dòng)和固定單元的結(jié)構(gòu)。 最后，這一結(jié)構(gòu)下方的犧牲氧化層會(huì)以等向性蝕刻（Isotropic Etching）方式被去除，以使移動(dòng)單元成形。為降低或消除由濕度或空氣密度變異而產(chǎn)生的效應(yīng)，進(jìn)而影響此元件的共振頻率，此結(jié)構(gòu)附近的開放空間充滿了空氣，通常是干燥的氮?dú)�。第二片晶圓會(huì)緊接著被黏合到第一片之上，以保護(hù)微小的機(jī)構(gòu)在進(jìn)行射出成形（Injection Molding）程序時(shí)施以的高壓下也不會(huì)受到破壞。
表一 CMOS、體型、表面型、THELMA、VENSENS微加工制程的比較
VENSENSE為Venice Process for Sensor的縮寫，可實(shí)現(xiàn)非常小型化的壓力傳感器。其也由一片標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓開始，其結(jié)果與采用體型微加工的晶圓黏結(jié)制程的結(jié)果頗為相似，專屬的干式和濕式硅蝕刻混合步驟可以生成單晶硅層，并在其上形成一層厚度小于3微米的犧牲層，結(jié)構(gòu)層的厚度可以達(dá)到20微米。但與體型微加工相比，VENSENSE能制出更薄、更小和機(jī)械性能更穩(wěn)定的芯片；此外，孔隙的密合并不需要任何晶圓與晶圓間的黏結(jié)，因此密合連結(jié)的可靠性更高。
由于單晶硅具有極佳的電子特性，通過布植（Implantation）或擴(kuò)散（Diffusion）等制程可以將穩(wěn)定可靠的電阻整合進(jìn)結(jié)構(gòu)層中。接著這些電阻會(huì)和一個(gè)鋁質(zhì)金屬層相連，實(shí)現(xiàn)惠斯通電橋（WheatSTone Bridge）的四個(gè)分支。此金屬層接著被標(biāo)準(zhǔn)的絕緣體，如Silicon-Oxynitrid等，所覆蓋，以提供對外部腐蝕性藥劑的保護(hù)能力。因電橋具有極佳的單晶硅層壓阻特性，因此對壓力的改變相當(dāng)敏感。
4. 消費(fèi)電子市場中的運(yùn)動(dòng)傳感器
消費(fèi)電子市場有其自身的特點(diǎn)，消費(fèi)產(chǎn)品需要實(shí)現(xiàn)低價(jià)、低功耗、低電壓、小型化。MEMS產(chǎn)品供應(yīng)商必須要提高新產(chǎn)品的開發(fā)速度，同時(shí)還要維持與汽車電子相同的可靠性。
加速度傳感器陀螺儀已被廣泛用于汽車和醫(yī)療器械市場，例如汽車的主動(dòng)或被動(dòng)式安全系統(tǒng)和心律調(diào)整器等。消費(fèi)市場的制造手段與汽車電子市場一般采用的大、厚且昂貴的陶瓷等封裝技術(shù)不同，其比較偏好可表面貼裝的封裝方式，以及小、薄和低成本的解決方案。例如ST于2002年發(fā)布的全模造塑料封裝（Full Molded PLGA）目前被業(yè)界廣泛使用而成為一項(xiàng)制程標(biāo)準(zhǔn)。憑借該技術(shù)，ST只用了不到3年的時(shí)間即將其3軸加速度傳感器系列產(chǎn)品從100立方毫米微型化到10立方毫米的封裝尺度。
汽車用傳感器不通過電池來供電，因此功耗并不是技術(shù)難點(diǎn)，而較高的抗震性能十分重要。此外更廣的溫度范圍和更高的產(chǎn)品可信度也是汽車產(chǎn)品市場的基本要求。而針對消費(fèi)市場，功耗和電壓則成為重點(diǎn)之一。目前消費(fèi)產(chǎn)品的供電電壓已降到1.8 V，電流必須小于1.0 mA。
因?yàn)槭殖衷O(shè)備沒有固定的框架作為參考，而用戶希望各個(gè)方向上的動(dòng)作都能被加速度傳感器探測并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，因此目前多軸傳感器方案為消費(fèi)性市場的主流。
模擬式輸出的傳感器方案也逐漸被數(shù)字式產(chǎn)品所取代，因?yàn)閿?shù)字式方案使產(chǎn)品整合更容易，軟件開發(fā)更快速。此外，增加中斷功能的引腳位能簡化最終產(chǎn)品的整合，也是客戶的需求之一。針對這些需求，ST開發(fā)了二軸、三軸、模擬與數(shù)字式加速度傳感器以適應(yīng)不同的應(yīng)用。ST還提供參考設(shè)計(jì)和評估套件，及專用開發(fā)軟件工具。
單芯片單封裝的單體式（Monolithic）和雙芯片單封裝混合式（Hybrid）是市場上的兩種主要解決方案。多芯片單封裝的解決方案不僅具有最佳的成本效益，還提供了快速量產(chǎn)所需要的模塊化和彈性化方面的要求，對消費(fèi)性市場十分重要。然而，由于實(shí)際系統(tǒng)在成本、上市時(shí)間等方面的要求，采用最合適的方案才是明智的辦法。目前將感測單元和接口電路整合在一起是可行的，但并不一定是最佳解決方案。有時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)來制造復(fù)雜的控制電路反而更能滿足功能和成本兩方面的需求。
ST推出的加速度傳感器和陀螺儀采用兩顆芯片單一封裝的系統(tǒng)級封裝（SiP）方案。兩顆芯片中，一顆通過THELMA微加工技術(shù)制造而成，對慣性或柯氏力很敏感；另一顆可以是模擬或數(shù)字控制芯片，用并排或堆疊的方式來與THELMA加工成的機(jī)械性組件封裝在一起。
在SiP構(gòu)架中，微加工傳感器器芯片將加速度轉(zhuǎn)換為差分電容改變量，另一顆接口芯片將微小的電容改變量（atto-farad范圍）轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字格式的輸出信號。
SiP的方法可加速多軸陀螺儀等新式運(yùn)動(dòng)傳感器的開發(fā)。由于ST采用類似LEGO（樂高）玩具式的模塊化設(shè)計(jì)，陀螺儀的機(jī)械和電子模塊可使用與已量產(chǎn)的多軸加速度傳感器相同的技術(shù)平臺，設(shè)計(jì)人員可對多軸加速度傳感器中已驗(yàn)證的功能模塊進(jìn)行復(fù)用（Re-Use），以加快研發(fā)的速度，并實(shí)現(xiàn)較低的開發(fā)成本。此外，得利于Land Grid Array封裝配置實(shí)現(xiàn)的彈性，ST可迅速將其芯片中的任意兩個(gè)模塊整合為最終產(chǎn)品，甚至包括接腳的調(diào)整。
5. 消費(fèi)電子市場中的壓力傳感器
壓力傳感器的傳統(tǒng)應(yīng)用為壓力和氣流等物理量的測量，主要場合為工業(yè)、汽車和醫(yī)學(xué)等。基于MEMS技術(shù)的壓力傳感器可用于測量電阻或電容變化量等物理值。其加工制造主要采用前文提到的體型加工或表面型加工，或兩者的混合方式。壓力傳感器材料一般為硅半導(dǎo)體，標(biāo)準(zhǔn)的硅基板或更昂貴的絕緣層上覆硅（Silicon-On-Insulator， SOI）基板同樣被用來作為起始層材料。
壓力傳感器可分為電阻式和電容式兩種，并分別對應(yīng)不同的加工制程。體型微加工技術(shù)是電阻式壓力傳感器較佳的選擇；而電容式壓力傳感器一般比較適合采用表面型微加工技術(shù)制造。
電阻式的工作原理利用了硅晶的壓阻特性，將微小的振膜應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿〉碾娮柚底兞�，電容式壓力傳感器則使用兩個(gè)平行板，一個(gè)固定，另一個(gè)則是以垂直于芯片平面的方向移動(dòng)的薄振膜。當(dāng)出現(xiàn)移動(dòng)時(shí)，這兩板之間會(huì)出現(xiàn)極小的電容值變化，并產(chǎn)生輸出。輸出的電阻或電壓值會(huì)傳送給接口電路，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐�。與運(yùn)動(dòng)傳感器的作法相同，接口電路可以以芯片或封裝造型來實(shí)現(xiàn)整合。采用SiP結(jié)構(gòu)可提供較大的設(shè)計(jì)彈性，并加快產(chǎn)品上市的速度。
廠家的定制化的制程目前是MEMS微加工技術(shù)的主流，而并未出現(xiàn)所謂的理想制程。但無論市場上存在多少不同的半導(dǎo)體晶圓廠和制程，消費(fèi)類產(chǎn)品的關(guān)鍵是一直是價(jià)格、尺寸和性能之間的取舍。這種情況造成了目前只有少數(shù)的廠商能為消費(fèi)性市場提供可行的解決方案的現(xiàn)象。例如在標(biāo)準(zhǔn)的體型微加工解決方案中，封裝部分往往是成本中的主要部分，而通過VENSENS技術(shù)可制造出尺寸僅為0.8mm x 0.8 mm，厚度約0.3 mm的低成本小型化全硅晶式（Full Silicon）壓力傳感器，其優(yōu)勢就在于使性能與封裝方式無關(guān)，掃清了進(jìn)入成本主導(dǎo)的消費(fèi)產(chǎn)品的障礙。ST最近發(fā)布的最新HLGA（Holed Land Grid Array）封裝專利技術(shù)，可使其壓力傳感器的生產(chǎn)復(fù)用（Re-Use）運(yùn)動(dòng)傳感器既有生產(chǎn)工具，讓消費(fèi)者能獲得更小和更薄的封裝。
6.運(yùn)動(dòng)與壓力傳感器的消費(fèi)性應(yīng)用類型
手機(jī)
MEMS技術(shù)的傳感器給帶來了電子產(chǎn)品用戶操作感受的變革。傳統(tǒng)手機(jī)屏幕上的頁面滾動(dòng)和放大縮小等都需要用戶通過按鍵或轉(zhuǎn)輪等來完成，而且機(jī)身的小型化造成了有限的顯示尺寸和功能，以及“小按鍵大手指”等的尷尬現(xiàn)象。結(jié)合了MEMS加速度傳感器的設(shè)備則可省略這些零件實(shí)體，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的界面元素。傳感器可通過用戶的動(dòng)作判斷其意圖，用戶可能只需要簡單地傾斜手中設(shè)備，就能瀏覽電子書或移動(dòng)地圖，使各種復(fù)雜的操作變得十分簡便。
無線游戲控制器
任天堂的Wii是市場中最成功的一個(gè)使用案例。多軸加速度傳感器的應(yīng)用使用戶的真實(shí)動(dòng)作變成了手持設(shè)備的鼠標(biāo)功能，系統(tǒng)通過判斷其動(dòng)作和姿態(tài)即可實(shí)現(xiàn)對游戲中虛擬環(huán)境和人物的操作。符合人性的界面使游戲變得更加吸引人，這對于所有目標(biāo)用戶為年輕人的公司來說十分關(guān)鍵。
鼠標(biāo)和3D Pointer
從鍵盤轉(zhuǎn)向鼠標(biāo)是操作方式上的一次進(jìn)步，也使鼠標(biāo)成為目前電腦及周邊設(shè)備上最常見的操作接口。鼠標(biāo)一般帶有2“3個(gè)按鍵，用以輸入指令，以及作為與電腦系統(tǒng)連結(jié)的通訊接口；用戶手持鼠標(biāo)在二維平面上的動(dòng)作被用來控制光標(biāo)或指針在圖形化界面中的位置，并執(zhí)行特定的動(dòng)作。慣性傳感器的出現(xiàn)為鼠標(biāo)操作帶來了新的革命。
在鼠標(biāo)中內(nèi)置加速度傳感器可使系統(tǒng)監(jiān)測用戶的三維控制動(dòng)作，并把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦操作系統(tǒng)；如整合陀螺儀則更能強(qiáng)化設(shè)備的功能和可用性。同時(shí)，該技術(shù)對于要求低功耗的無線解決方案也十分適合。
硬盤防跌落保護(hù)功能
由于大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求，目前除筆記本電腦外，內(nèi)置硬盤在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PMP、DV等產(chǎn)品中也大量普及。而便攜式設(shè)備時(shí)常有跌落而造成數(shù)據(jù)損失的危險(xiǎn)。三軸加速度傳感器的應(yīng)用可使這些設(shè)備中的數(shù)據(jù)免受傷害。
加速度傳感器可感測到重力加速度，在跌落時(shí)，微控器會(huì)發(fā)出指令要求讀寫頭從敏感的盤片上移開以避免落地時(shí)對其可能造成的劃傷，使硬盤在三軸方向上獲得自由落體保護(hù)。
位置服務(wù)的輔助導(dǎo)航（LBS）
在GPS廣泛普及的今天，其技術(shù)也暴露出一些缺陷。GPS設(shè)備主要通過接收器對衛(wèi)星信號的接收來實(shí)現(xiàn)定位和路線指示，而其在信號不好的地方，例如高層建筑之間、地下室、隧道、橋梁等，并不能實(shí)現(xiàn)100%的可靠性，很難進(jìn)行準(zhǔn)確定位。另外，電池式的GPS設(shè)備也往往消耗大量的電力。
DR（Dead Reckoning）采用慣性定位方式可有效彌補(bǔ)GPS的不足，與之形成互補(bǔ)。DR系統(tǒng)會(huì)掌握行車的距離和轉(zhuǎn)動(dòng)偏移的方向來計(jì)算相對位置，因此加速度傳感器、陀螺儀和磁力計(jì)可被用來建立一套運(yùn)動(dòng)量測單元來實(shí)現(xiàn)這一功能。MEMS設(shè)備的低功耗也可有效節(jié)省電力。
計(jì)步器
人們越來越關(guān)注自己的身體健康，各種輔助設(shè)備也被廣泛應(yīng)用。計(jì)步器能夠用來測量用戶行走的距離和速度，以確定其消耗的能量。計(jì)步器中的輸出是垂直于平面運(yùn)動(dòng)的一組周期性信號，其被安置于鞋中并可與其他設(shè)備進(jìn)行無線通訊。目前計(jì)步器已成為PND設(shè)備的一項(xiàng)重要功能，MP3播放器和多媒體手機(jī)也開始整合此項(xiàng)功能。
天氣預(yù)報(bào)和高度計(jì)
壓力傳感器能讓GPS設(shè)備或手持設(shè)備判斷使用者所在的高度，并具有天氣預(yù)報(bào)的功能。當(dāng)用戶撥打緊急電話時(shí)，GPS和壓力感測器將能自動(dòng)傳送出用戶在某建筑物中的位置和樓層高度。
數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)防抖功能
數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)的防抖功能可消除用戶按快門瞬間的抖動(dòng)對成像的影響，目前手機(jī)中普遍加入照相功能，這意味著陀螺儀在此市場具有極大的發(fā)展?jié)摿�。壓電振�?dòng)式陀螺儀被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)的防抖模塊，MEMS陀螺儀具有減少空間維度和降低功耗的功能優(yōu)勢，能同時(shí)量測pitch和roll軸的角加速度，也很容易與其它的運(yùn)動(dòng)感測器集成在一起。
MEMS的新興應(yīng)用領(lǐng)域
消費(fèi)電子市場的新型應(yīng)用甚將“MEMS的消費(fèi)性浪潮”進(jìn)一步推至“MEMS狂潮”。除了以上介紹的產(chǎn)品，MEMS技術(shù)還為其他許多創(chuàng)新性應(yīng)用提供了廣闊空間。MEMS必須專注于客戶的需求，迎合微型化和多感測器叢集的設(shè)計(jì)趨勢。ST在MEMS技術(shù)方面將繼續(xù)其小型化的目標(biāo)，另一方面，技術(shù)平臺的改良和產(chǎn)品路線圖的調(diào)整也是公司的重點(diǎn)。此外，讓客戶定制化及標(biāo)準(zhǔn)化的封裝能實(shí)現(xiàn)多傳感器的融合（如HLGA與一般的LGA封裝能完全兼容）等也是ST十分關(guān)注的領(lǐng)域。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是許多公司和研究機(jī)構(gòu)積極開發(fā)的另一塊市場。WSN曾廣泛用于軍事、安防和科學(xué)監(jiān)測等領(lǐng)域，目前也逐步走向民用，例如在汽車電子中的胎壓檢測系統(tǒng)實(shí)際上就是一個(gè)簡單的五節(jié)點(diǎn)WSN，其中傳感器的設(shè)計(jì)包含了MEMS壓力傳感器和加速度開關(guān)。
WSN由于還存在一些技術(shù)性的障礙，能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)還是未知數(shù)；但無論如何，廠商和產(chǎn)業(yè)界都能從為消費(fèi)產(chǎn)品市場小型低功耗MEMS傳感器產(chǎn)品的研發(fā)實(shí)踐中獲得收益。
Motes指由傳感器、接收器、控制器、電池和天線等組成的無線傳感器模組，主要用以測量物理量的改變，如壓力、溫度、熱量、氣流、受力、振動(dòng)、加速度、撞擊、扭力、濕度、應(yīng)變力和影像等。該概念也正逐漸走向商業(yè)化。
有許多應(yīng)用可以用到無線傳感器模組，例如家居自動(dòng)化、工業(yè)控制、安全監(jiān)控、建筑工程、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控等；目前由于市場對安全性、娛樂性、便利性和效率等的要求，以及一些政府和機(jī)構(gòu)的強(qiáng)制性要求，給無線傳感器模組的普及帶來了機(jī)遇，同時(shí)也給MEMS供應(yīng)商帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)槠湫枰袑⒉煌夹g(shù)整合到單一模組化格式中的能力。ST正是考慮到這方面的需求，投資先進(jìn)的八英寸晶圓廠，為Motes的量產(chǎn)建立生產(chǎn)制程平臺。
無線傳感器模組中傳感器的選用也要依據(jù)具體情況。傳感器并不一定要采用MEMS技術(shù)，有些應(yīng)用中選用已發(fā)展較長時(shí)間的傳統(tǒng)感測器也許會(huì)更合適。無線傳感器模組的潛在市場很大，當(dāng)技術(shù)上的瓶頸被克服，其將成為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊徊糠帧?/p>
結(jié)論
MEMS技術(shù)正在逐步走向民用和消費(fèi)類市場，我們正處于“MEMS狂潮”的開端，ST將以其完善的生產(chǎn)基礎(chǔ)、高效的執(zhí)行能力、對消費(fèi)電子市場的深入了解，以及先進(jìn)而穩(wěn)定的生產(chǎn)研發(fā)技術(shù)平臺作為此次新浪潮的重要推動(dòng)者。ST認(rèn)為，以壓力傳感器、加速度傳感器為代表的MEMS技術(shù)將在未來的產(chǎn)品中扮演越來越重要的角色，并帶來席卷整個(gè)業(yè)界的威力；WSN可帶來無窮無盡的創(chuàng)新應(yīng)用，在攻克技術(shù)難關(guān)后必將進(jìn)一步推動(dòng)MEMS的創(chuàng)新革命。
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