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高性能MEMS传感器进一步缩减尺寸，开辟移动设备新时代
作者：Roger Allan
上网时间：2010年08月27日
所属类别: 便携设备 I 放大/调整/转换 I 技术方案
关键字: MEMS 传感器 陀螺仪 加速度计 惯性测量单元
微机电系统(MEMS)运动正在走向更高的集成度、更小的芯片尺寸、更低的成本以及更高的性能和可靠性。这些趋势在最新的加速度计、陀螺仪和惯性测量单元(IMU)上得到了体现，使得MEMS器件得以满足多种下一代电子产品，特别是消费电子产品的需求。
半导体制造商以及领先的研究机构在利用最新的硬件和软件，为现有以及新的市场开发能体现MEMS技术主要优势(即成本低、体积小)的运动感知器件。这些技术进步使开发具有特色的运动传感器IC成为可能。各公司借助这些传感器开发出尖端产品、从而在竞争激烈的市场中实现产品的差异化。
MEMS加速度计和陀螺仪是正在迅速增长的市场。市场研究公司Yole Developpement预测，2013年MEMS加速度计和陀螺仪的复合市场将达约30亿美元(图1)。而在2008年该市场是18.5亿美元，当时全球大约生产了8.59亿个MEMS加速度计和陀螺仪。 另一家市场研究公司iSuppli预测，2010年的MEMS市场将从2006年的56亿美元上升到83亿美元，这个市场包含除运动感知传感器之外的许多其它功能的传感器。
图1：MEMS加速度和陀螺仪市场在2013年达到30亿美元。
消费电子推动MEMS传感器市场繁荣
尽管安全气囊、制动压力(电子稳定控制或称ESC)、轮胎压力监测系统(TPMS)等汽车电子应用仍占主导，但MEMS传感器在消费市场的使用量将在2012年超过汽车市场。消费电子市场是MEMS传感器发展的重要推手，其它快速增长的市场包括家庭保健医疗设备、军事和工业应用等。
手机、小家电、电子游戏、远程控制、智能书、移动互联网设备以及个人导航设备(PND)等消费电子产品要求体积更小、功耗更低的MEMS加速度计。用于上述产品的MEMS加速度计芯片的需求量很大，因为许多此类产品在设计中都要用到若干个加速度计，且必须由电池供电，而且还要求更长的电池续航时间。
消费电子产业已受益于批量单价现已低于1美元的低成本、多轴MEMS加速度计。“尽管消费者花在大宗电子和移动产品方面的支出在大幅削减，但MEMS产业仍得益于移动手机和消费电子产品对其需求而继续蓬勃发展。”iSuppli的总监兼首席分析师Jeremie Bouchaud表示，“包括对具有基于直观运动界面的移动设备的渴望，以及对提供丰富和现实体验的追求等诸多因素，造就着MEMS传感器的成功。”
消费者对手势识别、方位感知、单点轻敲、双点轻敲、自由落体、晃动等实时运动检测功能的需求越来越多。MEMS加速度计制造商通过开发除感知元件以外还整合了相关电路和嵌入式软件算法等方案，使设计人员在实现这些特性的任意组合时具有比以往更高的精度、更大的灵活性。
“手机使用的加速度计是目前MEMS传感器的主要市场。”iSuppli的分析师Richard Dixon称。
“在2007年，只有3％的手机采用了加速度计。不过，归功于MEMS技术的进步以及消费者对更完美用户接口的需求，到2010年，预计有33％的手机采用加速度计。”飞思卡尔半导体传感器和执行器解决方案部副总裁兼总经理Demetre Kondylis表示。
市场调研公司IDC也提出了类似的前瞻性预测。该公司称：“尽管经济不景气，但与2008年第四季度比，智能手机销量在2009年第四季度还是同比增长了39％。2009年的智能手机出货量达到1.742亿部，比2008年的1.514亿部同比增长15.1％，预计这一上升趋势将持续下去。” 改善移动连接体验
最近新推出的许多三轴MEMS加速度计，都是针对智能消费电子产品。这些电子产品借助能更快、更精准地感知运动的特性来改善用户的移动连接体验。
飞思卡尔半导体的低功耗、12位、三轴MEMS加速度计MMA8450Q(图2)就是其中一个例子。飞思卡尔半导体采用系统级方法来开发这款传感器，并利用了其电源管理、基于ARM的i.MX处理器、传感器和软件方面的专长。
图2：MMA8450Q低功耗12位三轴MEMS加速度计可改善消费者的移动连接体验。
“该芯片代表了一种非常高端和高效的设计。”飞思卡尔半导体惯性传感器营销经理Michelle Kelsey表示。
该IC内的感知元件借助内置的XYZ采样先进先出(FIFO)存储器、高通滤波器和嵌入算法等智能特性实现运动感知。可用的嵌入功能包括定位、单点、双点、摇晃、自由落体和振动感知。
“FIFO和可配置性是保证MMA8450Q性能的关键，它们确保来自任何特定感知元件的数据都不会丢失。”Kelsey补充说道。
在3×3×1mm封装内，该芯片提供所有的先进特性，包括：接到I2C端口的12位数字输出；±2、±4和±8g的加速度范围；关机状态下仅2μA的电流消耗；1.71~1.89V直流工作电源；用于8个中断源的两个可编程引脚。
MMA8450Q的功耗特性也非常抢眼。在待机模式，在一个I2C端口工作的情况下，MMA8450Q的功耗只有10μA。在工作模式下，MMA8450Q的典型功耗为27μA(50Hz输出数据速率)或42μA(100Hz输出数据速率)。
在三轴数字输出KXTE9MEMS加速度计中，Kionix也嵌入了用于方位和活动监测的算法。该加速度计采用3×3×0.98mm的LGA封装，工作电压为1.8至3.6V，功耗仅30μA。飞思卡尔还计划推出应用开发工具，它们将有助于接入集成在芯片内的系统级功能。 减小芯片尺寸
VTI Technologies、意法半导体和Bosch Sensortec等MEMS IC制造商，通过使传感器更小、更省电来进一步挤压基于MEMS技术的芯片尺度的边界。去年，VTI Technologies率先推出了小尺寸三轴MEMS加速度计——CMA3000(图3)。这款三轴、低功耗(10μA/1.8V)加速度计采用2×2×0.98mm封装。
图3：VTI Technologies的CMA3000三轴MEMS加速度计。
意法半导体的LIS3Dx Femto系列三轴数字加速度计采用2×2×0.98mm LGA封装(图4)，在100Hz采样速率的全功能模式，功耗仅为10μA，工作电压仅为1.8V。若降低数据速率，
还可进一步降低功耗，如在25Hz下为4μA，在几个Hz下为2μA。该芯片具有可编程FIFO存储器、串行外围接口(SPI)和I2C接口、单点和双点运动检测/唤醒、4D/6D方位检测，以及±2、±4和±8g的加速度范围。
图4：LIS3Dx Femto MEMS三轴数字加速度计在全功能模式下仅消耗10uA电流。
领先的MEMS传感器供应商Bosch Sensortec也缩小了其MEMS加速度计的体积(图5)，其三轴数字加速度计BMA220具有与ST同类产品一样的小巧体积(2×2×0.98mm)，但具有±2、±4、±8和±16g更宽的灵敏度范围。在全功能模式，该芯片的功耗为250μA(1.8V电源)。此外，根据不同占空比，其功耗可低至10μA。BMA220是完全可编程的，具有单点、双点、自动唤醒、振动、中断和高加速/低加速检测、可配置步长以及I2C和SPI接口。