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MEMS陀螺儀讓你在下一次消費電子浪潮中占盡先機
作者:意法半導體 Fabio Pasolini
來源:來源網(wǎng)絡(luò)(侵權(quán)刪)
日期:2010-11-30 16:43:00
摘要:消費電子設(shè)備早在幾年前就開始使用MEMS加速計。從游戲機到手機,從筆記本電腦到白色家電,運動控制式用戶界面和增強的保護系統(tǒng)給所有的消費電子產(chǎn)品帶來很多好處。現(xiàn)在輪到MEMS陀螺儀大顯神威了,消費電子集成MEMS陀螺儀的浪潮剛剛掀起。
消費電子設(shè)備早在幾年前就開始使用MEMS加速計。從游戲機到手機,從筆記本電腦到白色家電,運動控制式用戶界面和增強的保護系統(tǒng)給所有的消費電子產(chǎn)品帶來很多好處。
現(xiàn)在輪到MEMS陀螺儀大顯神威了,消費電子集成MEMS陀螺儀的浪潮剛剛掀起。
陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度,而MEMS加速計則能測量線性加速度,因此這兩者是一對理想的互補技術(shù)。
事實上,如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器,系統(tǒng)設(shè)計人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動,為最終用戶提供現(xiàn)場感更強的用戶使用體驗、精確的導航系統(tǒng)以及其它功能。
ST在EMES市場的份額正在快速增長,作為全球公認的消費電子和手機市場最大的MEMS傳感器供應商,ST最近推出了30款以低功耗和小封裝為特色的高性能陀螺儀。
ST研制的微機械陀螺儀傳感器沿用了ST成功的制造技術(shù),ST利用這項技術(shù)已經(jīng)制造了6億多顆加速傳感器, 選擇成功的技術(shù)可為客戶提供最先進的質(zhì)量可靠的產(chǎn)品,而且可直接用于最終應用。
ST陀螺儀的核心元件是一個微加工機械單元,按照一個音叉機制運轉(zhuǎn),利用Coriolis原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個特定感應結(jié)構(gòu)的位移。
我們以一個單軸偏航陀螺儀為例,探討最簡單的工作原理(圖1)。兩個正在運動的質(zhì)點向相反方向做連續(xù)運動,如藍色箭頭所示。只要從外部施加一個角速率,就會產(chǎn)生一個與質(zhì)點運動方向垂直的科里奧利力,如圖中黃色箭頭所示。產(chǎn)生的科里奧利力使感應質(zhì)點發(fā)生位移,位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為傳感器感應部分的運動電極(轉(zhuǎn)子)位于固定電極(定子)的側(cè)邊,上面的位移將會在定子和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成一個專用電路可以檢測的電參數(shù)。
在系統(tǒng)方面,陀螺儀的信號調(diào)節(jié)電路可簡化為電機驅(qū)動部分和加速傳感器感應電路兩部分(圖2):
- 電機驅(qū)動部分通過靜電激勵方法,使驅(qū)動電路前后振蕩,為機械元件提供勵磁;
- 感應部分通過測量電容變化來測量科里奧利力在感應質(zhì)點上產(chǎn)生的位移,這是一個穩(wěn)健、可靠的技術(shù),被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線,能夠提供強度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數(shù)字信號。
與ST的MEMS加速計類似,MEMS陀螺儀也沿用一個系統(tǒng)級封裝(SIP)方法,機械感應元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個封裝內(nèi)。
智能設(shè)計方法結(jié)合先進的封裝解決方案使得該系列產(chǎn)品的封裝尺寸大幅縮減,多軸陀螺儀的系統(tǒng)封裝面積僅為3x5 mm2 ,最大厚度僅為1mm (圖3)。
除上述傳統(tǒng)應用外,整合加速計和陀螺儀可以實現(xiàn)導航解決方案的慣性測量單元。換句話說,平臺開發(fā)商可利用最新的MEMS技術(shù),將慣性傳感器與較傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)配合使用,能夠在衛(wèi)星信號很弱的高樓林立的市區(qū)或根本沒有信號的室內(nèi)或地鐵環(huán)境中提供導航服務。在不久的將來,準確的方位信息與服務廠商提供的附加中間數(shù)據(jù)將會整合在一起,并顯示在用戶的手機顯示屏幕上,這種定位關(guān)聯(lián)服務將會為手機用戶帶來好處,例如,手機用戶可以獲得位于某一個購物中心內(nèi)的所有商鋪的準確信息,找到想要購買的產(chǎn)品的方位提示,接收根據(jù)用戶興趣訂制的商品特價和打折信息。
整合MEMS加速計和陀螺儀地磁的模塊正在進入廉價的電子玩具市場,傳感器模塊提供的動作感應功能可實現(xiàn)互動的游戲體驗,還能讓更小的兒童上網(wǎng)分享快樂:孩子們很快就能夠創(chuàng)造自己的虛擬娃娃和人物,用自然的動作玩這些玩具,不再使用按鈕或鍵盤一類的東西,甚至可以在網(wǎng)上與全球的小朋友一起分享游戲。
結(jié)論:就像幾年前加速計的成功故事一樣,意法半導體最近掀起了MEMS陀螺儀消費浪潮,為市場提供一系列可靠的低廉的微型陀螺儀,增強多種消費電子產(chǎn)品運動跟蹤功能,實現(xiàn)現(xiàn)場感更強的用戶體驗。憑借在MEMS技術(shù)、ASIC設(shè)計和更智能的封裝技術(shù)上不斷取得的進步,結(jié)合最先進的生產(chǎn)線和戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系,意法半導體進一步加強了其MEMS傳感器在消費電子和手機市場的領(lǐng)導地位。
現(xiàn)在輪到MEMS陀螺儀大顯神威了,消費電子集成MEMS陀螺儀的浪潮剛剛掀起。
陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度,而MEMS加速計則能測量線性加速度,因此這兩者是一對理想的互補技術(shù)。
事實上,如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器,系統(tǒng)設(shè)計人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動,為最終用戶提供現(xiàn)場感更強的用戶使用體驗、精確的導航系統(tǒng)以及其它功能。
ST在EMES市場的份額正在快速增長,作為全球公認的消費電子和手機市場最大的MEMS傳感器供應商,ST最近推出了30款以低功耗和小封裝為特色的高性能陀螺儀。
ST研制的微機械陀螺儀傳感器沿用了ST成功的制造技術(shù),ST利用這項技術(shù)已經(jīng)制造了6億多顆加速傳感器, 選擇成功的技術(shù)可為客戶提供最先進的質(zhì)量可靠的產(chǎn)品,而且可直接用于最終應用。
ST陀螺儀的核心元件是一個微加工機械單元,按照一個音叉機制運轉(zhuǎn),利用Coriolis原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個特定感應結(jié)構(gòu)的位移。
我們以一個單軸偏航陀螺儀為例,探討最簡單的工作原理(圖1)。兩個正在運動的質(zhì)點向相反方向做連續(xù)運動,如藍色箭頭所示。只要從外部施加一個角速率,就會產(chǎn)生一個與質(zhì)點運動方向垂直的科里奧利力,如圖中黃色箭頭所示。產(chǎn)生的科里奧利力使感應質(zhì)點發(fā)生位移,位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為傳感器感應部分的運動電極(轉(zhuǎn)子)位于固定電極(定子)的側(cè)邊,上面的位移將會在定子和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成一個專用電路可以檢測的電參數(shù)。
圖 1:單軸MEMS偏航陀螺儀
在系統(tǒng)方面,陀螺儀的信號調(diào)節(jié)電路可簡化為電機驅(qū)動部分和加速傳感器感應電路兩部分(圖2):
- 電機驅(qū)動部分通過靜電激勵方法,使驅(qū)動電路前后振蕩,為機械元件提供勵磁;
- 感應部分通過測量電容變化來測量科里奧利力在感應質(zhì)點上產(chǎn)生的位移,這是一個穩(wěn)健、可靠的技術(shù),被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線,能夠提供強度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數(shù)字信號。
圖 2:一個單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡圖
與ST的MEMS加速計類似,MEMS陀螺儀也沿用一個系統(tǒng)級封裝(SIP)方法,機械感應元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個封裝內(nèi)。
智能設(shè)計方法結(jié)合先進的封裝解決方案使得該系列產(chǎn)品的封裝尺寸大幅縮減,多軸陀螺儀的系統(tǒng)封裝面積僅為3x5 mm2 ,最大厚度僅為1mm (圖3)。
圖 3:采用超小LGA封裝的多軸陀螺儀
除上述傳統(tǒng)應用外,整合加速計和陀螺儀可以實現(xiàn)導航解決方案的慣性測量單元。換句話說,平臺開發(fā)商可利用最新的MEMS技術(shù),將慣性傳感器與較傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)配合使用,能夠在衛(wèi)星信號很弱的高樓林立的市區(qū)或根本沒有信號的室內(nèi)或地鐵環(huán)境中提供導航服務。在不久的將來,準確的方位信息與服務廠商提供的附加中間數(shù)據(jù)將會整合在一起,并顯示在用戶的手機顯示屏幕上,這種定位關(guān)聯(lián)服務將會為手機用戶帶來好處,例如,手機用戶可以獲得位于某一個購物中心內(nèi)的所有商鋪的準確信息,找到想要購買的產(chǎn)品的方位提示,接收根據(jù)用戶興趣訂制的商品特價和打折信息。
整合MEMS加速計和陀螺儀地磁的模塊正在進入廉價的電子玩具市場,傳感器模塊提供的動作感應功能可實現(xiàn)互動的游戲體驗,還能讓更小的兒童上網(wǎng)分享快樂:孩子們很快就能夠創(chuàng)造自己的虛擬娃娃和人物,用自然的動作玩這些玩具,不再使用按鈕或鍵盤一類的東西,甚至可以在網(wǎng)上與全球的小朋友一起分享游戲。
結(jié)論:就像幾年前加速計的成功故事一樣,意法半導體最近掀起了MEMS陀螺儀消費浪潮,為市場提供一系列可靠的低廉的微型陀螺儀,增強多種消費電子產(chǎn)品運動跟蹤功能,實現(xiàn)現(xiàn)場感更強的用戶體驗。憑借在MEMS技術(shù)、ASIC設(shè)計和更智能的封裝技術(shù)上不斷取得的進步,結(jié)合最先進的生產(chǎn)線和戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系,意法半導體進一步加強了其MEMS傳感器在消費電子和手機市場的領(lǐng)導地位。