运动传感器:为便携产品再添活力

上网时间: 2007年06月01日? 作者:蔡景艳? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:MEMS? 传感器? ST?

把游戏控制器变成一把剑! ——任天堂去年推出Wii的已经办到。该款游戏机惊艳市场的秘诀,在于采用了意法半导体和模拟器件公司的MEMS加速度传感器,让游戏控制从以前的“上下左右”变成三维实感操控。如今,这股“更炫更生动”之风在便携电子市场越刮越劲,厂商们正在利用MEMS加速度传感器开发更多时尚与人性化的新功能,以吸引终端客户日渐挑剔的目光。为此,ST,飞思卡尔,美新等知名传感器提供商在不断开发新技术,以推出更高性价比的运动传感器,满足成本敏感、规模巨大的便携电子市场需求。

“我们预计MEMS器件下一个主要增长点将是便携设备。”ST的MEMS业务部主管Benedetto Vigna表示。他介绍,其具体应用包括手机、笔记本、数码相机等便携设备中的硬盘保护;在手机、GPS、MP4中利用倾斜度的变化实现多种功能界面(游戏,浏览地图、网页、图片,图片或者影像垂直自动校正)以及利用垂直方向加速度变化来实现的计步器功能;在GPS中为实现精确导航而使用的导航推算系统;静态和动态成像设备中的防抖动功能。

据市场调研公司Bourne Research的数据,随着越来越多的厂商利用MEMS传感器来改善产品功能和性能,2010年用于消费电子产品的MEMS传感器销售额将突破7.5亿美元。

应用前景持续看好

“事实上,我们在10年前已经看好消费电子市场,”美新半导体公司(MEMSIC)的总经理赵阳说,目前的趋势似乎正在验证他的这一信心。美新的热感式MEMS传感器在2003年即赢得IBM的定单,其产品被应用于ThinkPad笔记本中,用来检测硬盘的震动。当笔记本意外摔落时,加速度传感器会在0.1秒内感应到这种震荡,立即停止硬盘读写,从而实现数据保护。随着硬盘在手机,MP3以及数码相机中的出现,这类应用已经更为成熟。

目前手机上比较热的应用是记步功能。比如手机巨头诺基亚在去年推出号称“音乐运动手机”的5500借助加速度传感器,在市场上赚尽眼球。该手机提供的运动模式可记录用户跑步和行走时的数据。其“轻拍听音乐”也是一大卖点:轻拍机身正面屏幕与导航键所在的部分两次,就可以自动开始播放音乐。——通过加速度传感器,用户实现了用动作而不是键盘来控制菜单,类似应用正在不断涌现。

“我一直相信,有一天加速度传感器会成为手机的标准配置。”赵阳评论说。他透露道,美新半导体今年在手持市场收获颇丰。该公司目前有MXC6202xMP, MXC6202xJV以及MXC602xMT等多款传感器专门面向手持设备应用,可以实现防震保护、计步器、闪信、动感/晃动游戏、菜单卷轴(通过摇动设备)、空中书写辨认、图像自动调整及游戏控制器(倾斜)等功能。

除美新外,今年来诸厂商针对消费电子尤其是便携式消费电子市场推出MEMS传感器新品,例如飞思卡尔一口气推出MMA7360L、MMA7340L和MMA7330L三款MEMS传感器,扩展其MMA加速度传感器系列,可满足从1.5g到16g的消费应用。“根据具体的应用需要,这些器件可以提供全部三个轴的敏感度,并能根据多种应用及功能的要求提供可选敏感度。” 飞思卡尔的惯性传感器市场经理Michelle Kelsey介绍道。另一家老牌传感器厂商博世(Bosch Sensortec GmbH)亦宣布推出加速度传感器新品SMB380,该公司首席执行官Frank Melzer表示,“详细情况还不能透露,但该产品已确定用于手机”。

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飞思卡尔的加速度传感器能按要求提供可选敏感度。

游戏精确控制是加速度传感器的另一个强项。在游戏应用中,传感器被嵌入到游戏控制器之中或者安装在玩家的身上,以提高人机互动性。Kelsey举了个例子来说明:在最常见的拳击游戏中,利用加速度传感器,拳击手套的初始定位很容易通过静态加速度值来确定。当拳击方向发生移动时,加速度值将高于+/-1g,因此容易识别出手套的移动方向。当拳击末段出现减速时,就可以确定拳击的力量。通过分析每个动作的加速度值的特征,可以从动作中提出大量信息。只要传感器安装的位置相同,每类拳击动作的特征模式都能识别出来。“这一切帮助虚拟游戏实现了飞跃。”她强调。

除游戏机外,预计随着网络速度的提升,尤其是3G将手机变成便携产品的“集大成者”时,手机联网游戏,这一被手机增值服务提供商称为“短信之后的另一金矿”,会呈现暴速增长态势,进一步促进制造商们把加速度传感器放上电路板。毫无疑问,这正是所有加速度传感器供应商们所期盼的。

价格降低是关键

众所周知,MEMS运动传感器此前取得成功的主战场是汽车应用,为何现在才开始走红消费电子市场?其中最重要的原因是成本问题。降低成本,减小体积和降低功耗,是一度摆在器件供应商面前的挑战。

对此,ST的Vigna表示:“过去MEMS传感器被认为像珠宝一样昂贵。但我们已成功促使它从昂贵而又占空间的封装向便宜和小型化方向转变。”为了满足便携设备对元器件低功耗、小封装的要求,ST推出了功耗和成本都被优化的LIS302系列产品。其中,模拟输出的LIS302ALK可以提供3轴(x,y,z)的加速值。采用5×3×0.9mm塑料封装,紧凑的设计使其抗撞击能力可在0.1毫秒内高达10,000g。全程输出范围+/-2.0g,适用于功耗极低的低频振动监测。

数字输出的LIS302DL与模拟输出的不同点在于LIS302DL在芯片内部已经将模拟信号转换为数字信号,这样使用时就不再需要配额外的A/D转换芯片。LIS302DL带有一个标准的SPI/I2C数字接口和两个独立的可编程中断信号的传感器,这两个不同的信号使传感器能同时监测终端设备的"自由坠落"和"高g运动"两种状态,通过设定不同的阈值来区别自由坠落和翻滚动作。

Vigna解释道,在便携设备中,中断信号尤其重要,这样在不使用MEMS应用如计步器的时候,CPU就可以处于睡眠状态,一旦有加速度发生,LIS302DL可以发出中断来唤醒CPU,达到降低功耗的目的。“这一特性给客户在应用设计和配置方面带了更大的自由空间和灵活性。”他强调。

由于目前仍未解决利用COMS工艺实现MEMS器件的标准化制造,为了将MEMS传感器与模拟或数字电路集成在一起,SiP成为ST的选择,该公司的MEMS传感器采用小型化LGA封装,进一步降低器件的普及成本。“消费电子需要便宜、可靠、性能正好、久经考验以及易于扩大产量的MEMS传感器。”Vigna指出,“这种标准的生产工艺将改善规模经济。”

关于MEMS加速度传感器的普及,美新的赵阳有相似观点,“我们着眼于为不同层次的终端产品提供性价比合适的产品。”他强调。以手机为例,占到市场最大份额的是中低端产品,它们需要大量的低成本器件,“价格便宜,性能够用才是厂商们的需求。”

美新在MEMS传感器行业中的特别之处,在于采用了与老牌厂商们不一样的热力学原理,采用这种工艺的传感器芯片中的测量媒质是空气,被密封在芯片中,芯片中间有一个热源,当被检测物体受到外力作用产生运动或加速度的时候,空气因为惯性的原因,在一瞬间仍然保持静止,热源的移动将改变空气的温度,密度及压强,通过对空气热力学参数的计算,测量出当前物体的加速度改变。

据悉,由于美新的产品在制造传感结构的过程中不需要进行特殊的显微加工工艺,使得产品成本大大降低,“美新公司独特的感温设计从根本上降低了加速计的成本,”赵阳强调,“这为我们带来一个很大的优势,即可以很自由的控制性能的差异,从而实现成本的差异,达到为不同层次产品提供高性价比方案的目的。”他宣称,美新的产品是现今市场上价格最低的加速度传感器产品之一。

目前,美新研发与生产了二十多种型号的加速度计传感器,目前有5款新产品正在开发中,其中两款是热感型加速度传感器的改良型。“另外三种是全新的产品,原理和热感型产品完全不同。”赵阳介绍道,这三种新产品已进入Design-win阶段,但具体详情,他表示不便透露。“我们非常看好消费电子应用,” 他说,“但不止与此,我们的目标是成为一个可以提供多层次MEMS产品和解决方案的供应商。”

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  • 意法半导体(STMicroelectronics),简称ST,是世界上最大的半导体公司之一。公司成立于1987年,是意大利SGS半导体公司和法国汤姆逊半导体合并后的新企业,整个集团共有员工近50,000名,拥有16个先进的研发机构、39个设计和应用中心、16主要制造厂,并在36个国家设有78个销售办事处。

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