推动创新型消费电子应用发展的MEMS传感器

尽管2009年全球经历了空前的经济危机，但是MEMS市场并未受到影响，市场规模几乎与2008持平，出货量与2008年同期相比大约增长了10%。这些数据表明，MEMS在消费电子市场的渗透率正在不断提高。iSuppli最新一份市场研究报告显示，2010年及以后的MEMS市场前景光明，预计2010年MEMS市场将重新恢复两位数的增幅，而2009-2013期间的总年复合增长率更是会达到12.2%。

事实上，MEMS传感器是消费电子实现创新应用不可或缺的关键元器件。近年来，从游戏机到手机，从笔记本电脑到白色家电，很多消费电子产品都利用低g加速计实现了运动控制的用户界面和增强型保护系统。现在，该轮到MEMS陀螺仪和地磁感应计发挥作用，推动新一波令人兴奋的创新应用高速增长。

有关能够测量线性加速度的MEMS加速计的技术文章已经很多，因此，本文基本不涉及加速传感器，而是将更多笔墨留给陀螺仪、地磁感应计等具有多个自由度检测功能的元器件。

MEMS陀螺仪

陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，是补充MEMS加速计功能的理想技术。事实上，如果组合使用加速计和陀螺仪这两种传感器，系统设计人员就可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。

ST在MEMS市场的份额正在快速增长。作为全球公认的消费电子和手机市场最大的MEMS传感器供应商，ST最近推出了30款以低功耗和小封装为特色的高性能陀螺仪。

ST陀螺仪的核心元件是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制运转，利用科里奥利原理把角速率转换成一个特定感应结构的位移。我们以一个单轴Z轴陀螺仪为例，探讨最简单的工作原理(图1)。两个正在运动的质点向相反方向做连续运动，如蓝色箭头所示。只要从外部施加一个角速率，就会出现一个科里奥利力，力的方向垂直于质点运动方向。产生的科里奥利力使感应质点发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。因为，传感器感应部分的运动电极(转子)位于固定电极(定子)的侧边，上面的位移将会在定子和转子之间引起电容变化，因此在陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电参数。


图 1:单轴MEMS偏航陀螺仪 

ST研制的微机械陀螺仪传感器沿用了ST成功的制造技术，这项技术已为ST制造了6亿多颗加速传感器，选择成功的技术可为客户提供最先进的质量可靠的产品，而且可直接用于最终应用。因为ST选用了音叉方法设计陀螺仪，其差分特性使系统本身对作用在传感器上的无用线性加速度和杂乱振动的敏感度低于市场上现有的其它类型陀螺仪。当这些无用的信号被施加到陀螺仪上时，两个质点就会沿相同方向位移，在一个差分测量后，最终的电容变化将视为无效。 

在系统方面，陀螺仪的信号调节电路可简化为电机驱动部分和加速传感器感应电路两部分(图2)：

图 2:一个单轴偏航MEMS陀螺仪的结构简图

- 电机驱动部分通过静电驱动方法，使机械元件前后振荡，产生谐振；

- 感应部分通过测量电容变化来测量科里奥利力在感应质点上产生的位移，这是一个稳健、可靠的技术，被成功地用于ST的MEMS产品线，能够提供强度与施加在传感器上的角速率成正比的模拟或数字信号。

控制电路内部嵌入了先进的电源关断功能，可以在不需要传感器功能的时候关闭整个传感器，或让其进入深度睡眠模式，从而大幅降低陀螺仪的总功耗；但是，无论何时接收到用户指令，传感器都可以立刻被唤醒，来检测传感器上施加的角速率。 

与ST的MEMS加速计类似，MEMS陀螺仪也沿用一个系统级封装(SIP)方法，机械感应元器件与其调节ASIC电路放在同一个封装内。智能设计方法结合先进的封装解决方案使得该系列产品的封装尺寸大幅缩减，多轴陀螺仪的系统封装面积仅为3x5mm2 ，最大厚度仅为1mm(图3)，同时在最终产品的生命周期内确保传感器的稳定性和高性能。 

图 3:采用超小LGA封装的ST多轴陀螺仪