MEMS力拼10自由度，运动传感器成为大热门

　　引言：传感器融合将为高精度运动检测在手机、导航系统、游戏机等便携电子设备内的应用创造更多新机会，空中鼠标、智能遥控器、LBS等都是未来十分看好的应用。就在各种6自由度、9自由度器件不断问世之际，10自由度MEMS产品也已悄然问世。

　　伴随着MEMS传感器“融合”的诞生，以iPhone和iPad为代表的消费电子产品的运动感知能力正在发生根本性改变。“智能手机与平板是驱动今年增长的关键力量，这些产品中很多已经具有3轴加速计、3轴陀螺仪、麦克风、立体声波滤波器等标准MEMS器件。”意法半导体（ST）模拟、MEMS和传感器部门应用经理Paolo Bendiscioli对电子工程专辑记者表示。

　　来自IHS公司的消费与移动MEMS市场研究报告显示，2011年消费与移动MEMS营业收入将有望达到22.5亿美元，取得迄今以来最高的增长率37%。而2010年创下的最高增长率则是27%，营业收入达到了16.4亿美元。该公司预测说，2015年全球MEMS营业收入将比2010年增长近两倍，达到45.4亿美元，2010-2015年的复合年度增长率约为22.5%。

　　要想在消费电子市场取得成功，厂商就必须通过规模经济取胜，并且能够提供广泛的解决方案。ST称，他们预见到了MEMS在消费类电子、医疗保健，工业和汽车市场强劲的需求态势，因此大幅度提高了其MEMS产能。目前，ST MEMS传感器的产能已达300万/天，且是世界上第一家制造基于8英寸晶圆工艺MEMS器件制造商。

　　力拼10自由度

　　传感器融合一直是MEMS产业的热议话题，而新兴的移动消费电子应用，如位置相关服务（LBS）、室内及多楼层盲区导航功能等，也需要复杂程度更高的感应功能。ST大中华及南亚区模拟与微电机系统部市场部经理吴卫东认为，传感器融合将为高精度运动检测在手机、导航系统、游戏机及众多的便携电子设备内的应用创造更多新机会，空中鼠标、智能遥控器、LBS等都是ST未来十分看好的应用。

　　就在各种6自由度、9自由度器件不断问世之际，10自由度MEMS产品也已悄然问世。ST近日就推出了10自由度（DoF）传感器应用整体解决方案，包括三轴地磁模块LSM303DLHC（包含三轴线性运动和三轴地磁运动传感器）、三轴数字陀螺仪L3G4200D和压力传感器。从而使消费电子产品具备立即获得线性加速度、角速率、地球引力、前进方向和海拔高度等完整3D立体地理信息指示的能力，且不受GPS卫星信号消逝或变弱的影响。

　　此外，为了将MEMS传感器和多轴惯性模块的全部功能发挥到极致，ST还同时发布了iNEMO引擎传感器整合套件。Paolo Bendiscioli强调称，iNEMO引擎是“业界首款完整可定制的多轴MEMS传感器软硬件解决方案”，能够加强运动识别和前进方向精度识别功能。

　　基于卡尔曼滤波器（Kalman Filter）理论，iNEMO引擎采用一套自适应预测和滤波算法，能够识别由加速度计、陀螺仪、罗盘以及压力传感器组成的多个传感器的输入信息，并可自动修正传感器的测量失真、错误以及干扰，从而大幅提升用户体验以及感应精度、分辨率、稳定性和响应时间。几个月前，ST宣布与微软合作，以确保在基于Windows 8的平板电脑和计算机中可快速采用其MEMS传感器及相关技术。

　　ADI最近也新增了战术级（零偏稳定度低于10o/小时）角速率陀螺仪ADIS16136和十自由度惯性测量单元（IMU）ADIS16488。ADIS16136的典型零偏稳定度达到了3.5o/小时，采用火柴盒大小的模块封装，功耗低于1W，重量仅为25克。ADI方面称，与昂贵的光纤陀螺仪相比，新款陀螺仪的稳定度和角度随机游走特性与之相当，但线性度却提高2倍，启动时间快30倍，功耗低5倍，且无需用户配置就能产生精密准确的速率检测数据。

　　而ADIS16488则在单封装中集成一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、一个三轴磁力计和一个压力传感器。ADI微机械产品线高级应用工程师赵延辉表示，除了重要的战术级（低于10o/小时）零偏稳定度以外，在重力加速度效应、温度系数和带宽等更重要的特性方面，ADIS16488同样超过所有其它同类陀螺仪IMU产品，改善幅度最多可达100倍。此外，在对线性加速度和振动加速度抑制方面，ADIS16488性能甚至还超过了传统军用级IMU。

　　众所周知，MEMS陀螺仪一直以来是最难设计和制造的MEMS器件，特别是当许多新兴工业自动化和仪器仪表应用要求高性能和低功耗时更是如此。赵延辉表示，iMEMS陀螺仪是基于ADI前三代MEMS陀螺仪开发的第四代器件，采用先进的差分四传感器设计，可在强烈冲击和振动状态下精确地工作。这种MEMS陀螺仪具有鲁棒性能和6mA的低功耗特性，可有效地用于多种应用，如机器人、工业仪器、航空以及用于高速列车的平台稳定系统。

　　不过，多传感器集成化在现阶段对于MEMS制造工艺依然是不小的挑战。“这是因为集成模块的制作工艺更难，生产良率也会显著下降，只有充分掌握其中每一门技术，才能保证器件的性能稳定性。”Paolo Bendiscioli表示，“我们已经宣布将硅通孔技术（TSV）应用于大批量MEMS生产中，这对在智能传感器和多轴惯性模块中实现高性能3D芯片集成来说，是具有里程碑性质的事件。”

　　高集成度是否将催生MCU传感器

　　“要想从MEMS内核获得更高的性能，传感器与信号处理就必须结合，而这正是ADI的核心优势。”赵延辉强调说。他分析认为，要想在MEMS市场获得成功，供应商不仅应该关注基本运动检测或增加新功能，还必须能够应对更多需求和挑战，包括在各种振动/温度差异，以及巨大幅度冲击环境下，保持足够的灵敏度、噪声等关键特性。此外，设计人员还要有能力提供更具价值的系统性能优化，从而实现过程的自动化、并减少系统停机时间，从而降低成本。

　　随着MEMS传感器集成化程度的加剧，是否将催生DSP/MCU传感器与专用硬件也是业界讨论的焦点。最具代表性的是飞思卡尔（Freescale）提出的塔式系统（Tower System）概念。该平台包含一系列的开发套件，主要以8位、16位、32位微控制器为核心设计开发平台，最大特色为模块化特性和强大的扩展性。控制器模块提供易于使用、可重构的硬件；可搭配可互换的外围模块，诸如串口、存储区及液晶显示模块等。而将多种MEMS传感器和MCU功能融合在一个平台上的“传感系统”就是其中之一，Freescale方面认为这代表了传感器发展的未来。

　　不过吴卫东则对此评价说，“不能一概而论”。尽管ST结合MCU的MEMS模块已近在研发当中，技术上不存在任何问题。但他认为，首先只有真正商用化的量产方案才有实际意义。更重要的是，不同应用市场对MCU的需求不同，在为客户开发带来便利性的同时有可能是以牺牲灵活性为代价的，所以集成并非绝对的好，需要针对应用具体分析；其次，消费类市场对成本极为敏感，模块化方案的性价比是否就一定优于单个器件，也需要仔细斟酌。

　　赵延辉认为，目前，MEMS器件发展面临的挑战主要来自系统级设计、测试、分析、嵌入式软件的开发、以及电源管理技术，其中优化解决方案所需要的许多其它要素也为技术工程师提出了许多挑战。“我们认为，在未来的10年中，MEMS传感器设计仍需要更进一步的优化。同时，将MEMS芯片与IC芯片整合、封装在一起也会是集成电路技术发展的新趋势，这是传统IC厂商的新机遇，企业只有不断创新才能获取更多的利润。”