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將MEMS傳感器用于各種創(chuàng)新的消費類產(chǎn)品設(shè)計

發(fā)布時間:2008-10-11

中心論題:

  • MEMS是利用微米級立體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)感應(yīng)和執(zhí)行功能的一項關(guān)鍵技術(shù)。
  • MEMS傳感器的廣闊應(yīng)用范圍。
  • MEMS加速計的介紹。
解決方案:
  • 計步器的傳感器通過處理加速度數(shù)據(jù)獲得在身體運動過程中所消耗掉的熱量。
  • MEMS實現(xiàn)電子元器件處理傳感器送來的信息利用特殊的算法識別輸入數(shù)據(jù)。
  • MEMS技術(shù)在手機領(lǐng)域使人機界面變得更簡單、直觀。
  • MEMS傳感器在器件靜止時可關(guān)閉耗電大的模塊降低手機和便攜導(dǎo)航儀的能耗。
  • MEMS加速計與陀螺儀配合使用實現(xiàn)更先進的選擇功能。

MEMS即微機電系統(tǒng),是利用微米級立體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)感應(yīng)和執(zhí)行功能的一項關(guān)鍵技術(shù)。其中,微米級立體結(jié)構(gòu)是利用被稱為“微加工”的特殊工藝實現(xiàn)的微米大小的立體機械結(jié)構(gòu)。

因為技術(shù)和經(jīng)濟的原因,MEMS傳感器曾經(jīng)被局限在汽車市場和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域;今天,隨著MEMS傳感器越來越小,價格越來越低,能效越來越高,設(shè)計和應(yīng)用空間不斷擴大,它在消費類應(yīng)用市場的普及率正在不斷提高。
制造這些器件所采用的微加工技術(shù)與制造基本集成電路所采用的工序和工藝大同小異,只不過微加工的產(chǎn)品通常是一個能夠活動的立體的機械結(jié)構(gòu)(如圖1)。

雖然制造MEMS產(chǎn)品可以使用多種不同的材料,但是硅越來越受到業(yè)界的歡迎,因為硅的電氣、機械和熱屬性都非常出色。此外,半導(dǎo)體廠商還意識到,如果使用成熟的芯片量產(chǎn)制造技術(shù),在晶片上一次可以制造數(shù)以萬計的MEMS器件。這就是說,MEMS可以利用微電子器件現(xiàn)有的規(guī)模經(jīng)濟,獲得更大的成本優(yōu)勢,特別是在進軍消費類產(chǎn)品市場時,利用好這個優(yōu)勢更加重要。因此,以硅為MEMS材料的吸引力最大。

過去,在沒有這項技術(shù)之前,有很多應(yīng)用是不可能的;今天,這項技術(shù)正在將這些應(yīng)用變?yōu)榭赡堋?
手提電腦、手機、便攜媒體播放器和移動終端設(shè)備內(nèi)的硬盤驅(qū)動器墜落保護功能,是MEMS運動傳感器在消費電子市場的具有重要歷史意義的代表性應(yīng)用之一。

在手提電腦內(nèi)的三軸加速計可以監(jiān)測加速度,因為具有特定的功能和數(shù)據(jù)處理電路,它能夠檢測到硬盤驅(qū)動器的意外摔落事故,并及時命令讀寫頭縮回到安全位置,以防電腦最終摔落在地板上時損壞讀寫頭。

健身和健康監(jiān)測是MEMS傳感器的另一類具有代表性的應(yīng)用。
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計步表或計步器是利用三軸MEMS傳感器實現(xiàn)健身和健康監(jiān)測功能的代表性應(yīng)用,在特定的情況下,計步器的傳感器能夠精確地測定在步行和跑步過程中作用在系統(tǒng)上的加速度,通過處理加速度數(shù)據(jù),計步器顯示用戶走過的步數(shù)和速度,以及在身體運動過程中所消耗掉的熱量。 
 
圖 1 : 基于MEMS的線性加速計。 
 
圖2:意法半導(dǎo)體開發(fā)的一款基于MEMS的計步器參考設(shè)計。

計步器功能通常被嵌入在在手機和便攜媒體播放器(MP3和MP4)內(nèi),對于這些設(shè)備,可以設(shè)定在固定時間內(nèi)要達到的步數(shù)目標,并能測量完成這個目標所消耗的熱量。虛擬健身房的會員之間還可以在網(wǎng)上分享這些信息,并開展以促進體育活動和健身運動為目標的虛擬比賽。

計步器也是便攜式導(dǎo)航儀中的一個重要模塊。便攜式導(dǎo)航儀能夠確定使用者的位置,提供引路功能,查找公共服務(wù)地點,接收地區(qū)廣告。在特殊情況下,例如,在市區(qū),因為地下通道、立交橋、高樓、室內(nèi)的阻擋,GPS信號會變?nèi)?,這時MEMS運動傳感器的信號就可以暫時替代GPS模塊,起到輔助導(dǎo)航定位的作用。

在另一項應(yīng)用中,MEMS傳感器可以用于設(shè)計一種老人急救設(shè)備。當老人意外摔倒時,這個設(shè)備可以檢測到摔倒動作,自動發(fā)出一個報警信號,請求緊急救援。通過MEMS傳感器和GPS模塊,可以估算到需要救助的受傷老人所在位置,并在網(wǎng)絡(luò)上傳送位置信息。在不久的將來,這些儀器商用化后,將會給不斷增長的老齡化人群提供一個更安全的生活環(huán)境。

如今,能夠檢測運動、方向和手勢的MEMS傳感器正推動運動傳感技術(shù)向手機、游戲機、便攜媒體播放器等市場擴展。
先進的功能、小巧的外觀、出色的能效,MEMS傳感器正在促進更加人性化的設(shè)備問世,有了這些能夠識別人類手勢的設(shè)備,用戶不必再閱讀冗長、復(fù)雜的用戶手冊,學(xué)習如何使用人機界面。

MEMS有助于打破用戶與應(yīng)用之間的障礙:傳感器像系統(tǒng)的眼睛,能夠測量加速度和角速度等物理量;電子元器件處理傳感器送來的信息,利用特殊的算法識別輸入數(shù)據(jù),然后激活相應(yīng)的功能。
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游戲機是運動跟蹤和手勢識別應(yīng)用的突出代表,以具有革命性的任天堂Wii游戲機為例,微型運動傳感器能夠捕捉到玩家任何細微的動作,并將其轉(zhuǎn)化成游戲動作。MEMS技術(shù)讓玩家動起來:玩家陶醉于真實的游戲體驗,通過不同的動作融入到游戲中,例如,模仿一場真實的網(wǎng)球賽、一場引人入勝高爾夫球賽、一場緊張的拳擊賽或輕松的釣魚比賽的動作(如圖3)。 
 
圖3:MEMS使玩家動起來。

MEMS技術(shù)在手機和PDA中的使用率正在提高,目前市場上采用MEM加速計的手機越來越多。手機中的MEMS加速計使人機界面變得更簡單、更直觀,通過手的動作就可以操作界面功能,全面增強了用戶的使用體驗(見圖4)。 
 
圖 4:MEMS運動控制式用戶界面。
根據(jù)終端設(shè)備的指向,MEMS傳感器可以把圖像、視頻和網(wǎng)頁(無論是人物肖像還是風景畫面)進行旋轉(zhuǎn)。通過上下左右傾斜手機,還可以查看手機菜單;只要輕輕擊打手機機身,就可以在屏幕上選中不同的圖標,所有這些智能功能離不開新一代MEMS器件內(nèi)嵌的先進數(shù)字技術(shù)。

有了MEMS加速計,只要把設(shè)備向某一方向傾斜,就能在小屏幕上詳細查看地圖,顯示放大的圖像。MEMS還能檢測到用戶抖動手機和MP3播放器的動作,這個簡單的手勢可以讓播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。

低功耗的MEMS運動傳感器還可用作先進的節(jié)能技術(shù),當手機沒有關(guān)閉放在飯桌上時,MEMS傳感器將會把耗電大的模塊(如顯示器背光板和GPS模塊)全部關(guān)閉,以降低手機和便攜導(dǎo)航儀的能耗。只要碰觸一下機身,又可以打開全部功能。

同樣地,無論何時,把手機正面向下反放在桌子上,手機設(shè)置就會切換到靜音模式;只要碰觸一下機身,就可以關(guān)閉靜音功能。MEMS運動控制技術(shù)折射出了未來手機的樣子:只有數(shù)量很少的按鍵,不再有普通的鍵盤。向手機輸入信息時,用戶在空中書寫數(shù)字和字母,MEMS傳感器識別這些動作,手機軟件將這些動作還原成數(shù)字和字母;軟件還可以把用戶預(yù)定的動作變成特殊的自定義功能。

MEMS加速計與陀螺儀配合使用,可以把更先進的選擇功能變?yōu)楝F(xiàn)實,例如:能夠在空中操作的三維鼠標和遙控器。在這些設(shè)備中,傳感器檢測到用戶的手勢,將其轉(zhuǎn)換成PC屏幕上的光標移動或機頂盒和電視機的頻道和功能選擇。圖5是一個含有MEMS傳感器的遙控器解決方案,MEMS傳感器組、兩個陀螺儀和一個加速計檢測手腕或鼠標在空中的動作,同時微控制器執(zhí)行動作跟蹤和手勢識別功能。然后,重組的運動曲線通過無線連接發(fā)送到機頂盒或PC機,無線鏈路可以采用紅外或射頻,具體視應(yīng)用要求而定。 
 
圖5:MEMS 3D遙控器和指示器。

近來上市的高能效低價微型MEMS傳感器徹底改變了人們與移動終端設(shè)備的互動方式。在各類移動終端、游戲機、遙控器等設(shè)備上,MEMS運動傳感器可以實現(xiàn)先進的功能,令人心動的用戶界面,用戶的手勢、碰摸就能夠激活相應(yīng)的功能。
可以預(yù)計,在不久的將來,MEMS技術(shù)會得到進一步發(fā)展,周圍環(huán)境將布滿傳感器網(wǎng)絡(luò),我們的衣服內(nèi)嵌有傳感器網(wǎng)絡(luò),這將會擴大可行設(shè)計應(yīng)用的空間,讓我們更好地與世界互動,更好地控制我們所在的世界。

 

 

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