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目前,用于移動和游戲設備的運動傳感技術種類繁多,范圍從紅外傳感器和慣性傳感器到集成了加速計和陀螺儀的多功能器件。多虧了任天堂的Wii和蘋果的iPhone,以及眾多設計師的無限創意,MEMS傳感技術才能使大量創新應用成為可能。

Bourne Research公司總裁兼首席分析師Marlene Bourne表,雖然現在最為廣泛使用的傳感器是簡單的紅外線傳感器(并非基于MEMS),但由于在Wii和蘋果iPhone中的應用,MEMS加速計已經引起了人們的廣泛關注。

不過,在今天的主流應用中,MEMS傳感器仍缺乏足夠的推動力。

Bourne認為,對于MEMS傳感器的推廣來說,僅注重技術創新還不夠,而且小尺寸和低價格也不是當前的重點。她指出,MEMS供應商已經在上述三個方面取得進展,但是最為重要的問題仍然懸則未決:MEMS傳感器的附加值體現在哪里？“早期的使用者將MEMS傳感器集成進其產品中,但是這些產品并不屬于大眾市場,而只有進入主流市場才能最終促進MEMS傳感器的發展。不過,我認為短期內這不太可能發生。”Bournce表示。

要想充分發揮該技術的功能,當前仍有大量工作要做。

舉例來說,索尼的Sixaxis控制器所使用的慣性測量單元(IMU)就集成了一個加速計和一個陀螺儀,可以實現六自由度的移動。但Bournce認為,索尼的控制器仍然基于玩家的雙手操作,它還不能像Wii那樣充分發揮MEMS傳感功能優勢。

另外還有來自現低端手機的競爭,這些手機使用了GestureTek等公司的軟件,復制了MEMS加速計的交互式體驗。對此,Bourne表示:“將MEMS集成進蜂窩電話比集成進傳感器更簡單、更迅速,而且成本也更低。因此,不要僅僅因為蜂窩電話有屏幕定向或交互游戲,就認為其較MEMS傳感器先進。”

另外,設計師正在將更多的MEMS傳感器集成進他們的移動設備設計中,并且在不計成本地開發新的具有創意的用法。

“加速計將實現更多的用戶接口功能,而這也將成為未來的標準。通過某種運動,你可以在數秒內實現多種檢測類型,無論是向某個方向或其相反方向搖動設備還是敲擊設備。”飛思卡爾半導體公司慣性傳感器營銷經理Michelle Kelsey表示。

便攜式設備設計師總是想在不增加尺寸的條件下增加更多的性能,因此說到傳感器,設計師希望能在一個微型封裝內集成多種性能,包括快速響應、低電流損耗和低電壓操作等。

另外,設計師正在尋求具有更高靈敏度(面向運動型應用)、更好溫度補償機制和更高智能性的傳感器,比如門限檢測和點擊或脈沖檢測,Kelsey指出。

有了門限檢測功能后,用戶可以對門限信號電平進行編程來檢測敲擊或震動；有了點擊或脈沖檢測功能后,用戶可以通過對信號門限和信號時序編程,來檢測單次或雙次敲擊,或者是在使用者步行時,將其用于計步器應用中,Kelsey說。

設計師還希望有更低的電流損耗或快速的上電響應時間,以便給設備循環供電實現目標電流損耗；或者有睡眠模式功能,當需要運動檢測時關閉加速計,Kelsey表示。

睡眠模式的例子之一是當手機閑置時關閉其背光,當檢測到運動時再重新打開。

圖1:Hillcrest Labs推出環狀參考設備——具有兩個按鍵和一個滾輪的指針式電視遙控器,利用其Freespace空中慣性傳感器技術實現三維指示。

小型化很重要

一些用于消費電子產品的最新三軸加速計特別小,非常適用于游戲、硬盤驅動保護和安全等應用。一些加速計具有快速啟動、零加速度檢測特性,可實現自由落體保護和自檢功能。

意法半導體(ST)去年晚期推出了新一代的"納米級"三軸線性加速計。產品型號為LIS331的低功率MEMS傳感器系列可以為消費和工業應用中小型化運動檢測解決方案提供嵌入式智能特性,包括移動和游戲設備中的運動用戶接口、硬盤數據保護中 的自由落體檢測,甚至白家電中的振動檢測和補償。

ST的三軸運動傳感器代表這類產品向微型化方向邁出了一大步。采用塑料封裝的LIS331加速計還具備極高的抗震能力,其最大可抵御10,000 g沖擊。“納米”運動傳感器非常適合于各種低加速度應用。

飛思卡爾半導體公司也在去年進一步擴充了其MEMS傳感器產品線,其中一款三軸數字輸出加速計的外形尺寸比前代產品小77%,并且無需A/D轉換器和外部存儲器即可工作。該公司表示,MMA7450L是目前采用超薄塑料LGA封裝的最薄器件。

MMA7450L可以實現基于運動的功能,如傾斜滾動、游戲控制、按鍵靜音和手持終端的自由落體硬盤驅動保護等,這些功能可以用來實現基于手部動作的用戶接口以及要求移動、加速或傾斜感應的設備。

飛思卡爾公司近期推出了增強型產品,包含最新MMA73x1L系列中的MMA7361L,該器件具有用于運動識別的1.5和6g檢測選項。

該公司還發布了MMA7455L,它是7450L器件的擴展,具有更高的封裝高度,但價格卻更低。MMA7455L將提供I2C和SPI接口、門限檢測和點擊檢測功能,因此非常適用于蜂窩電話或個人設備中的運動應用,包括圖像穩定、文本滾動和移動撥號。

ADI則計劃發布Wii搖控器中使用的ADXL330三軸加速計的后繼產品。ADI承諾其下一個加速計將提供更好的性能,包括低功率和更低的成本。

圖2:飛思卡爾公司的MMA7455L低加速度三軸數字加速計可以提供I2C和SPI接口、溫度補償、自檢、脈沖檢測和可編程門限等性能

雙軸器件

InvenSense公司則提供采用封裝的雙軸陀螺儀IDG-1100。該器件集成了MEMS諧振結構和硅晶圓級的CMOS電子器件。IDG-1100陀螺儀的外形尺寸要比其他同類產品小25%,InvenSense公司表示。

IDG-1100主要用于對成本敏感和受尺寸約束的便攜式消費類應用(如數碼相機和攝像機)實現圖像和視頻的穩定；用于便攜式導航設備實現GPS信號丟失或弱化時的航位推測；用于三維運動檢測設備(如空中鼠標和A/V遙控器)操作電視和多媒體中心及游戲控制器。

另外一種用于空中鼠標的技術是空中慣性傳感器技術,它利用MEMS傳感器、DSP和邏輯實現三維指示。Hillcrest Labs的Freespace技術雖然瞄準電視遙控器和游戲控制器市場,但也被羅技公司用于其PC用MX Air可充電無線空中鼠標中。

該技術與設備的位置無關,并且無方向約束。“即使你將設備翻轉,面向下拿在手中,只要你往左移,光標仍會往左動。” Hillcrest Labs首席技術官Chuck Gritton表示。

一旦你進入GPS領域,可能復雜性和成本都會提高。GPS受益于目前為止最復雜的MEMS檢測群設備之一:磁性羅盤。“這些群設備不僅整合了IMU(加速計和陀螺儀),還有MEMS磁性傳感器,甚至最近還增加了MEMS壓力傳感器。”Bourne介紹,“目前只有那些非常高端的型號才會采用這樣的配置,雖然制造商喜歡航位推測/方向功能,但他們認為檢測模塊太貴,短期內無法大范圍推廣。”

一些導航系統使用陀螺儀實現高速測量和方向改變,它們還利用磁性傳感器實現陀螺儀的低速漂移補償,ADI公司應用工程師Harvey Weinberg指出。從這里開始系統就變得復雜起來,因為用作長期參考的磁性傳感器需要加速計補償,而用作短期方向參考的陀螺儀則由磁性傳感器進行長期漂移補償,他指出。

Bourne相信,在手持設備中集成GPS將進一步推動蜂窩電話中MEMS傳感器的發展,但可以預見,在未來成本將限制這些MEMS傳感器只能用于某些高端型號。

作者:羅吉娜