MEMS微機電感測技術(shù)擅場時代

從Wii掀起MEMS風(fēng)潮

自從20年前由ADI(亞德諾半導(dǎo)體)做成業(yè)界第一顆MEMS (微機電系統(tǒng))XL傳感器單芯片起，有近十年的時間MEMS傳感器幾乎都是以汽車的安全氣囊應(yīng)用為主力，以及航天飛行應(yīng)用上。最近十年，隨著MEMS廠商在技術(shù)發(fā)展上屢見突破，讓業(yè)界發(fā)展出基于MEMS技術(shù)的各式產(chǎn)品。尤其是在2000年后，任天堂Wii游戲機大膽采用ADI(亞德諾)和ST(意法半導(dǎo)體)兩家的MEMS動作傳感器，隨即風(fēng)靡全球消費市場，也讓這兩家廠商奠定在MEMS市場的領(lǐng)先地位。本文將簡介MEMS產(chǎn)品概況以及從ADI及ST這兩家廠商最新產(chǎn)品的進展從而了解MEMS技術(shù)的發(fā)展方向。

MEMS類別多

MEMS以種類分，主要分慣性(Inertial)產(chǎn)品與非慣性產(chǎn)品，慣性產(chǎn)品分為單軸、雙軸和振動傳感器等High-g(重力加速度)加速計(accelerometer)，以及單軸、雙軸和三軸的low-g加速計，另外有角速度陀螺儀(angular rate gyros)和多重傳感器方案。整合技術(shù)趨勢反應(yīng)在慣性傳感器上十分鮮明，將多重加速計、陀螺儀乃至壓力傳感器與微處理器(8位/32位)都整合成單一封裝將是業(yè)界致力的方向。在加速計與陀螺儀主要供貨商有ADI、ST、Bosch、Panasonic、Epson Toyocom、 Kionix等。值得一提的Epson Toyocom也運用MEMS技術(shù)發(fā)展出MEMS振蕩器-QMEMS，另一家SiTime也是MEMS振蕩器廠商。

在非慣性產(chǎn)品方面，主要為MEMS麥克風(fēng)，在數(shù)字化環(huán)境漸趨成熟下，MEMS麥克風(fēng)具有高音質(zhì)、高感度、低耗電、耐高溫、抗噪聲、高整合、小尺寸、低價格…等多重功能/成本優(yōu)勢可望逐步取代受到噪聲、音質(zhì)、耐受性限制的傳統(tǒng)麥克風(fēng)，并在應(yīng)用領(lǐng)域做更大的延展。這塊新興市場先期由樓氏電子與Akustica(今年被Bosch所并)所主導(dǎo)，近年包括ADI、 ST、NXP等大廠陸續(xù)搶進，競爭更形激烈。此外，新興的非慣性MEMS技術(shù)正朝向生醫(yī)MEMS和RF MEMS發(fā)展，值得期待。

動作傳感器成CE和手機熱門應(yīng)用

根據(jù)iSuppli 2009年6月出爐的市場分析，2008年在消費電子與手機市場的MEMS廠商營收排名，ST位居龍頭，2007至2008年的成長率高達128%。iSuppli指出，ST是全球第一家專為消費性產(chǎn)品建置8英吋MEMS晶圓廠的公司，于2006年開始量產(chǎn)。在三年前，此舉甚為大膽，因為當(dāng)時消費市場尚未真正起飛。由于2008年動作傳感器需求激增， 相較于其他對手受限于產(chǎn)能， ST因有該新廠充裕的產(chǎn)能而勝出。據(jù)統(tǒng)計，ST在手機加速計的市占率達57%，其次為Bosch Sensortec的13%，ADI 11%，Hokuriku 8%，Kionix 6%。

MEMS傳感器在可攜式領(lǐng)域自2007年起逐年呈強勁的成長。應(yīng)用范圍擴及搖控器、PDN、MP3播放器、數(shù)字相機、游戲機控制器、筆電、手機到電子書閱讀器。ADI MEMS大中華區(qū)營銷經(jīng)理Stephen Wu指出，由于MEMS慣性傳感器具有加速、振動、撞擊、傾斜與旋轉(zhuǎn)等五種動作感測特性(表2)，應(yīng)用潛力龐大。在先進手機應(yīng)用中內(nèi)建加速計與陀螺儀甚至磁力計將成主流， 使其具有先進計步、智能屏幕、3D定位、智能響鈴、Air Mouse(空中操作鼠標(biāo))結(jié)合無線遙控、游戲、相機光學(xué)防手震及室內(nèi)定位服務(wù)等功能于一身。

針對電子書與平板計算機的應(yīng)用，Stephen Wu指出業(yè)者可藉由加速計設(shè)計差異化特色，如定位、輕拍、傾斜控制瀏覽圖像等smart GUI功能或具有智能屏幕便于閱讀位置辨識。

ADI加了磁力計讓三軸智慧傳感器更強大

以ADI iSensor智能傳感器產(chǎn)品系列新成員ADIS16405為例，它是一顆結(jié)合多軸慣性/磁力計感測于一身的單芯片， ADIS16405六自由度（6DoF）慣性測量單元（IMU）內(nèi)建簡單的高性能三軸磁力計傳感器，可用于提高首向準(zhǔn)確度。同時推出的ADIS16300四自由度（4DoF）IMU則具有業(yè)界突破性的價格，其價格僅為其他同級產(chǎn)品的1/10。與整合度較低且需要高度用戶對準(zhǔn)的許多IMU產(chǎn)品不同， ADIS16405所有必需的運動感測與校準(zhǔn)都是在工廠內(nèi)完成的。這意味著系統(tǒng)整合時間的大幅縮短，用戶實現(xiàn)就像供電及連接SPI（串行外設(shè)接口）端口一樣簡單。這使得系統(tǒng)設(shè)計工程師可以縮短長達一年的系統(tǒng)開發(fā)時間，同時節(jié)省數(shù)十萬美元的測試設(shè)備成本。

ADIS16405可提供0.05°的速度傳感器正交校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，不僅改善了系統(tǒng)的整體準(zhǔn)確度，而且簡化了終端系統(tǒng)的設(shè)計。磁力計傳感器已經(jīng)過校準(zhǔn)，并與慣性傳感器軸進行對準(zhǔn)。擴展的校準(zhǔn)與動態(tài)補償使產(chǎn)品可提供低于2.0度/√hr的角隨機游走和40 ppm/℃的溫度穩(wěn)定性。所有傳感器均可透過標(biāo)準(zhǔn)SPI接口進行存取，藉由這一接口還可對內(nèi)部數(shù)字濾波進行控制。

車用市場更大宗 ST積極轉(zhuǎn)進

不同于早在車用市場建立基礎(chǔ)的ADI，近年強打可攜消費應(yīng)用的策略，ST是從消費市場打回要求相對嚴苛的汽車應(yīng)用。事實上，MEMS動作傳感器在消費市場雖然年復(fù)合成長率達兩位數(shù)，但市場規(guī)模最大者還是來自汽車市場(見圖)，因此促使ST切入此一各立山頭的市場。ST MEMS與醫(yī)療電子事業(yè)群汽車產(chǎn)品部經(jīng)理Marco Ferraresi表示，ST的加速計與陀螺儀植基于穩(wěn)固的一站式MEMS技術(shù)與制造能力，迄今出貨數(shù)已超過6億顆給客戶。與其他同業(yè)在MEMS技術(shù)上的差異在于，ST擁有三個關(guān)鍵要素:

1. 微米級傳感器是透過稱為THELMA的特殊制程來實現(xiàn)。
2. 以先進的模擬芯片結(jié)合智能型功能于一身。
3. 專注于封裝與校正的特性

基于種種優(yōu)勢，ST推出創(chuàng)新的高精密度汽車智能型電子系統(tǒng)動作傳感器，可用于適應(yīng)性頭燈系統(tǒng)（adaptive front light）、自動更正高強度氣體放電（high-intensity discharge，HID）燈、慣性剎車燈、電子手煞車（e-parking brake）、先進防盜系統(tǒng)以及汽車動態(tài)控制等系統(tǒng)。
AIS226DS是一款雙軸共平面加速度計，測量精密度高于兩個獨立傳感器解決方案。該組件的最大感測加速度為±6g，其中「g」代表重力加速度。舉例來說，在載有人的火箭發(fā)射飛向太空時，機組人員所感受的重力加速度大約為3g。新款A(yù)IS226DS還能可靠地分辨小于0。02度的細微傾斜角度。精確的傾斜角度測量功能對高度自動更正燈、電子手剎車以及坡道起步輔助（Hill Start Aid，HSA）應(yīng)用相當(dāng)?shù)闹匾?

動作可透過在一顆芯片上的微型MEMS動作傳感器。這個組件還整合一個SPI或I2C輸出的接口芯片，使傳感器可直接連接汽車的電子控制組件（Electronic Control Unit，ECU）。此外，其他的汽車系統(tǒng)也可以使用AIS226DS，包括交通事故或違規(guī)駕駛監(jiān)測器，還有當(dāng)衛(wèi)星訊號消失時，使用汽車動作數(shù)據(jù)提高航位推算準(zhǔn)確度的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。AIS226DS并可用于許多汽車以外的應(yīng)用，例如，工業(yè)設(shè)備中的震動感測、運送貨柜的黑盒子監(jiān)視器、傾斜儀（inclinometer）以及機器人系統(tǒng)。

業(yè)界首顆模擬陀羅儀問世

此外，ST也推出一款高性能單一封裝的模擬陀螺儀，可沿三個垂直軸精確地測量角速度。以優(yōu)異的精確性、穩(wěn)定性取勝，配合小型尺寸，意法半導(dǎo)體的3軸陀螺儀讓各種消費性電子產(chǎn)品可以廣泛采用真實動作控制的用戶接口。
LYPR540AH 3軸陀螺儀可執(zhí)行360°角速度偵測，使手機、游戲機、個人導(dǎo)航系統(tǒng)等便攜設(shè)備具有高精確3D手勢和動作識別功能。與一個3軸加速度計配合使用，意法半導(dǎo)體的最新陀螺儀讓設(shè)計人員能夠開發(fā)慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Unit），追蹤并提供人、車輛以及其他物體的動作類型、速度和方向的全部信息。

這款創(chuàng)新的3軸陀螺儀的每個軸都能同時提供兩個獨立的輸出信號：用于偵測高精確慢動作的400dps全量程數(shù)值，和用于偵測速度非?？斓氖謩莺蛣幼鞯?，600dps全量程數(shù)值。這兩個同步的全量程輸出訊號配合高分辨率，以及在寬溫度范圍（-40℃～85℃）和長時間作業(yè)下出色的穩(wěn)定性，為業(yè)界樹立新的偵測精確和穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，并且簡化傳感器的軟硬件整合設(shè)計。

除了陀羅儀外，ST近期也推出全新中型G加速度計，最大可測量值達到24g，相當(dāng)于一級方程式賽車（F1）在強剎車時所產(chǎn)生的加速度的5倍左右。LIS331HH擁有市場上獨一無二的功能組合，包括多種10g以上量程、小尺寸、高分辨率、低功耗，以及嵌入式智能型功能，可在廣泛的消費性電子和工業(yè)應(yīng)用中實現(xiàn)高精確度的動作測量。

在±6/±12/±24g的量程范圍內(nèi)，意法半導(dǎo)體最新的MEMS加速度計LIS331HH的輸出數(shù)據(jù)極其精確。中型g傳感器能夠監(jiān)測高強度震動和檢測高沖擊，而不會失去任何信息。在與游戲相關(guān)的應(yīng)用中，中型g傳感器可提升用戶接口體驗，增加以前感受不到的真實程度。 

兩個獨立、可編程的中斷訊號可立即通知前瞻事件，例如，當(dāng)加速度值高/低于用戶默認值時。

LIS331HH動作傳感器可設(shè)置成睡眠模式，有助于降低系統(tǒng)的總體功耗。在睡眠模式下，加速度計使讀取鏈（read chain）保持活動狀態(tài)，功耗低于10μA；當(dāng)一個事件發(fā)生時，傳感器將從睡眠模式喚醒，自動提高輸出數(shù)據(jù)速率。

意法半導(dǎo)體的數(shù)字輸出中型g加速度計在寬溫度范圍內(nèi)擁有很高的穩(wěn)定性，以達成零g偏差和高靈敏度。采用超緊湊的耐用設(shè)計，撞擊承受能力高達10,000g。芯片內(nèi)建自我測試功能，客戶可在組裝于電路板后驗證其傳感器的功能，無需再做電路板動作測試。

結(jié)語

包括ADI及ST等大廠都朝向功能更加強大尺寸更小型的智能型傳感器邁進，要達此目標(biāo)企業(yè)資源必須足夠充沛，才有能力結(jié)合多重傳感器與處理器甚至整合軟硬件于一身。以ST為例,該公司開發(fā)出內(nèi)建計10顆慣性量測單元的模塊，體積只有15cm3，但ST不以此為滿足，下一代模塊的功耗將更低，體積只有50mm3，這一訊息相當(dāng)令人期待，另一方面也顯示MEMS產(chǎn)業(yè)的競技門坎將越來越高，誰能勝出猶待觀察。