MEMS應用大行其道　陀螺儀/磁感測器功不可沒

MEMS感測器是消費性電子實現創新應用不可或缺的關鍵元件。近幾年以來，不論是從遊 戲機到手機，或者是從筆記型電腦到白色家電(White Good)，許多的消費性電子產品都透過低重力(g)加速度計，實現了動作控制的用戶介面和強化保護系統。而現在則輪到MEMS陀螺儀(Gyroscope)和磁感測器(Magnetism Sensor)受到矚目，將為消費性電子應用推動下一波創新應用及產業成長。  

有關能夠測量線性加速度的MEMS加速度計(Accelerometer)的技術文章已經很多，因此，本文基本上不會涉及加速度計，而把更多的篇幅留給陀螺儀、磁感測器等具有多個角速度自由偵測功能的元件。  

陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸動作的角速度，是補充MEMS加速度計功能的理想技術。事實上，如果結合加速度計和陀螺儀這兩種感測器，系統設計人員可以跟蹤並捕捉3D空間的完整動作，為終端用戶提供更真實的用戶體驗、精確的導航系統及其他功能。  

陀螺儀朝低功率/小封裝發展  

消費性電子和手機MEMS感測器供應商憑藉著近期推出的多款低功耗和小型封裝的高性能陀螺儀，正快速滲透MEMS市場。  

陀螺儀的核心元件是一個微加工機械單元，在設計上按照一個音叉機制運轉，透過科氏力原理(Principle of Coriolis)把角速率轉換成一個特定感測結構的位移。  

圖1　單軸MEMS偏移陀螺儀

以一個單軸偏移(Yaw)陀螺儀為例，探討最簡單的工作原理(圖1)。兩個正在動作的質量向相反方向做連續動作，如水平方向箭頭所示。只要從外部施加一個角速率，就會出現一個科氏力，力的方向垂直於質量動作方向，如垂直方向箭頭所示。產生的科氏力使感測質量發生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為感測器感測部分的動電極(轉子)位於固定電極(定子)的側邊，上面的位移將會在定子和轉子之間引起電容變化，因此，在陀螺儀輸入部分施加的角速率被轉化成一個專用電路可以檢測的電子參數。  

意法半導體(ST)研製的MEMS陀螺儀感測器採用與該公司已銷售超過六億個的加速度計相同的製程，可為客戶提供最先進且品質可靠的產品，可直接用於終端應用。因為選用了音叉方法設計陀螺儀，其差分特性使系統本身對感測器上的無用線性加速度和雜亂振動的敏感度低於市場上的其他陀螺儀。當這些無用的訊號被施加到陀螺儀上時，兩個質量就會沿相同方向位移，在一個差分測量後，終端的電容變化將視為無效。  

SiP縮減陀螺儀封裝尺寸  

在系統方面，陀螺儀的訊號調節電路可以分為馬達驅動和加速度計感測電路兩個部分(圖2)。其中，馬達驅動部分是透過靜電引動方法(Electrostatic Actuation)，使驅動電路前後振盪，為機械元件提供激勵化功能(Excita-tion)；而感測部分透過測量電容變化來測量科氏力在感測質量上產生的位移。這是一個穩固且可靠的技術，被成功地用於MEMS產品線，能夠提供強度與施加在感測器上的角速率成正比的類比或數位訊號。

圖2　單軸偏移MEMS陀螺儀的結構圖

內建於控制電路的先進省電(Power-down)功能，可在不需要感測器功能時，關閉整個感測器電源或讓其進入深度睡眠模式，以大幅降低陀螺儀的總體功耗，當須要檢測感測器上施加的角速率時，在接到用戶的命令後，感測器可從睡眠模式中立即被喚醒。  

圖3　採用超小的LGA封裝的多軸陀螺儀

與MEMS加速度計相同的是，MEMS陀螺儀也沿用系統封裝(System in Package, SiP)技術，將機械感測元件與其輔助特定應用積體電路(ASIC)整合在同一個封裝內。智慧型設計方法結合先進的封裝技術成功縮減該系列產品的封裝尺寸，多軸陀螺儀的系統封裝面積僅為3×5平方毫米，最大厚度僅1毫米(圖3)，能同時確保終端產品使用壽命內的感測器穩定性和高性能表現。  

目前廠商提供一軸至三軸、30～6,000dps全量程範圍的各式陀螺儀產品，讓系統設計人員可針對不同的應用需求進行開發，從影像穩定系統(也就是俗稱的防手震功能)到遊戲，從指向裝置(Pointing Device)到機器人控制。而與三軸加速度計相同的是，高性能三軸陀螺儀的上市將為手機、遊戲機以及更多的應用實現先進的人機介面。  

類似於動作感測器，消費性電子產品和手機也是磁感測器成長速度最快的市場，2009年磁感測器市場成長逾100%。根據iSuppli市場研究報告顯示，磁感測器市場的成長非常快速，出貨量預計從2008年的八百萬個，成長到2013年的五億四千萬個，年複合成長率達129%。  

AMR標榜低功耗/高精度特性  

在現有不同的磁感測器晶片製造技術中，各向異性磁阻(Anisotropic Magneto Re-sistive, AMR)感測器技術的發展後勢強勁，因為能夠提供高空間解析度、高精度和低功耗，特別是低功耗對電池供電的可攜式裝置至關重要。  

磁感測器的工作原理是透過測量電阻變化來確定磁場強度。當在一個很薄的鐵條上施加磁力線方向與經過鐵條的電流方向垂直的磁場時，鐵條內的電阻就會發生變化。這種感測器通常採用單臂電橋形式，如圖4所示，電橋由靜態阻值相同的磁阻構成。在測量過程中，電橋被通電壓Vb，有電流通過電阻。只要施加磁場H，在四個相反放置的電阻器內，有兩個電阻的磁化向量轉向電流，使電阻值變大，而另兩個電阻的磁化向量背離電流，使電阻值變小。在線性範圍內，感測器輸出與所施加的磁場強度成正比。

圖4　磁阻感測器(簡圖)

圖5　LSM303DLH 3x在一個超小的LGA封裝內整合三軸加速度計和三軸磁感測器。

隨手機成為MEMS感測器最具發展潛力應用領域，當與加速度計結合進而傾斜補償式(Tilt-compensated)羅盤應用時，磁感測器越來越被看好。如業者6D模組LSM303DLH是一個有六自由度(DoF)的磁感測器。這款產品在一個超小的LGA封裝內整合高性能的三軸加速度計與高解析度的三軸磁感測器(圖5)。磁感測器單元包括附加的電流帶，可以透過電方式給輸出磁極「設定」或「重置」，並施加一個偏移磁場來修正環境磁場。  

在大樓內、汽車內及如北美和北歐等高緯度地區，很難透過霍爾感測器(Hall Effect Sensor)檢測地球磁場傾角，而LSM303DLH能夠提供精確的3D行進方向。配合可支援各種主流的手機作業系統的行進、自動校準以及軟/硬鐵補償(Soft Iron/Hard Iron Compensation)軟體驅動程式，6D磁感測器LMS303DLH為系統設計人員提供一個功能強大的導航工具。  

IMU可與GPS合搭配使用  

特別值得一提的是，均衡地整合加速度計、陀螺儀及磁感測器三者各自的優點，就可以在導航解決方案的核心裡面建立慣性測量單元(Inertial Measurement Units, IMU)。換句話說，平台開發商可透過最新的MEMS技術，將慣性感測器與一般傳統的全球衛星定位系統(GPS)系統配合使用，能夠在衛星訊號很弱的地區(如高樓林立的市區)或根本沒有訊號的地區(如室內或地鐵)提供導航服務。未來將整合精確的方位資訊與服務供應商所提供的附加元數據(Metadata)，並顯示在用戶的手機螢幕上，這種定位服務將會為手機用戶帶來好處，例如，手機用戶可以獲得位於某一個百貨公司內的所有商店的精確資訊、找到想要購買的產品的方位提示、接收根據用戶興趣客製的商品特價和折扣資訊。  

這些應用已成功進入市場，例如在荷蘭的Android手機用戶已可安裝Layer行動擴增實境瀏覽器(Mobile Augmented Reality Browser)。在大多數的情況下，新推出的開放式軟體平台會先面對先進感測功能的軟體開發需求，所以新款軟體平台需要全體開發人員的團結合作，開發符合需求的應用軟體，同時為電子裝置提供更多附加價值。  

整合MEMS加速度計、陀螺儀和地磁感測器的模組已開始被低價玩具市場採用。感測器模組提供的動作捕捉(Motion Capture)功能可實現互動式遊戲體驗，還能讓更小的兒童享受上網樂趣，亦即小朋友在不久的將來便可創造屬於自己的虛擬娃娃和人物，不再須要透過按鈕或鍵盤，而是用人類自然的動作玩這些玩具，甚至透過網路與全球各地的小朋友一起分享遊戲。  

市面上最近推出的微型、可靠、低價的MEMS陀螺儀和磁感測器(通常整合了MEMS加速度計)，可為多種消費性電子裝置實現更強的動作追蹤(Motion Tracking)功能，並為用戶提供更真實的用戶體驗。另有廠商提供一站式MEMS元件服務，其感測器產品組合包括本文所提到的全部元件。憑藉在MEMS技術、ASIC設計及智慧型封裝技術上不斷取得進步，結合最先進的生產線和策略合作夥伴，供應商致力於推動感測功能一體化時代，並進一步加強其MEMS感測器在消費性電子和手機市場的應用。  

(本文作者為意法半導體MEMS、感測器以及高性能類比產品事業部消費性電子與工業應用事業單位總監)