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感測器/MEMS  

將MEMS感測器用於創新的消費性產品設計

上網時間: 2008年02月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MEMS  運動感測  手機 

微機電系統(MEMS)是利用微米級立體結構實現感測和執行功能的一項關鍵技術。其中,微米級立體結構是採用一種稱為‘微加工’的特殊製程所實現的微米級立體機械結構。

因為技術和經濟的原因,MEMS感測器曾經被侷限在汽車市場和產業應用領域;今天,隨著MEMS感測器越來越小,價格越來越低,能效越來越高,設計和應用空間不斷擴大,它在消費性應用市場的普及率正不斷提高。

製造這些元件所採用的微加工技術與製造基本積體電路所採用的工序和製程大同小異,只不過微加工的產品通常是一個能夠活動的立體機械結構(如圖1)。

雖然製造MEMS產品可以使用多種不同的材料,但是矽越來越受到業界的歡迎,因為矽的電氣、機械和熱屬性都非常出色。此外,半導體廠商還意識到,如果使用成熟的晶片量產製造技術,在晶片上一次可以製造數以萬計的MEMS元件。這就是說,MEMS可以利用微電子元件現有的規模經濟,獲得更大的成本優勢,特別是在進軍消費性產品市場時,這個優勢更加重要。因此,以矽為MEMS材料的吸引力最大。

過去,在沒有這項技術之前,有很多應用是不可能的;今天,這項技術正將這些應用變為可能。

可攜式電腦、手機、可攜媒體播放器和行動終端設備內的硬碟驅動器墜落保護功能,是MEMS運動感測器在消費電子市場的代表性應用之一。

在可攜式電腦內的三軸加速計可監測加速度,因為具有特定的功能和數據處理電路,它能夠檢測到硬碟驅動器的意外摔落事故,並及時命令讀寫頭回到安全位置,以防電腦最終摔落在地板上時損壞讀寫頭。

健身和健康監測是MEMS感測器另一類具有代表性的應用。

圖1:基於MEMS的線性加速計。
圖1:基於MEMS的線性加速計。

圖2:意法半導體開發的一款基於MEMS的計步器參考設計。
圖2:意法半導體開發的一款基於MEMS的計步器參考設計。

計步表或計步器是利用三軸MEMS感測器實現健身和健康監測功能的代表性應用,在特定的情況下,計步器的感測器能夠精確地測定在步行和跑步過程中作用在系統上的加速度,透過處理加速度數據,計步器顯示用戶走過的步數和速度,以及在身體運動過程中所消耗掉的熱量。

計步器功能通常被嵌入在手機和可攜媒體播放器(MP3和MP4)內,對於這些設備,可以設定在固定時間內要達到的步數目標,並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上分享這些資訊,並展開以促進體育活動和健身運動為目標的虛擬比賽。

計步器也是可攜式導航儀中的一個重要模組。可攜式導航儀能夠確定使用者的位置,提供導航功能,查找公共服務地點,接收地區廣告。在特殊情況下,例如,在市區,因為地下道、高架橋、大樓、室內的阻擋等會使GPS訊號變弱,這時MEMS運動感測器的訊號就可以暫時替代GPS模組,發揮輔助導航定位的作用。

在另一項應用中,MEMS感測器可以用於設計一種老人急救設備。當老人意外摔倒時,這個設備可以檢測到摔倒動作,自動發出一個警報訊號,請求緊急救援。透過MEMS感測器和GPS模組,可以估算到需要救助的受傷老人所在位置,並在網路上傳送位置資訊。在不久的將來,這些儀器商用化後,將會為不斷成長的高齡化社會提供一個更安全的生活環境。

如今,能夠檢測運動、方向和手勢的MEMS感測器正推動運動感測技術向手機、遊戲機、可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感測器正促進更加人性化的設備問世,有了這些能夠識別人類手勢的設備,用戶不必再閱讀冗長、複雜的用戶手冊,學習如何使用人機介面。

MEMS有助於打破用戶與應用之間的障礙:感測器像系統的眼睛,能夠測量加速度和角速度等實體量;電子零組件處理感測器送來的資訊,利用特殊的演算法識別輸入數據,然後啟動相應的功能。

遊戲機是運動追蹤和手勢識別應用的突出代表,以具有革命性的任天堂Wii遊戲機為例,微型運動感測器能夠捕捉到玩家任何細微的動作,並將其轉化成遊戲動作。MEMS技術讓玩家動起來:玩家陶醉於真實的遊戲體驗,透過不同的動作融入到遊戲中,例如,模仿一場真實的網球賽、一場引人入勝高爾夫球賽、一場緊張的拳擊賽或輕鬆的釣魚比賽的動作(如圖3)。

圖3:MEMS使玩家動起來。
圖3:MEMS使玩家動起來。

MEMS技術在手機和PDA中的使用率正提高,目前市場上採用MEM加速計的手機越來越多。手機中的MEMS加速計使人機介面變得更簡單、更直觀,透過手的動作就可以作業介面功能,全面增強了用戶的使用體驗(見圖4)。

圖4:MEMS運動控格式用戶介面。
圖4:MEMS運動控格式用戶介面。

根據終端設備的指向,MEMS感測器可以把影像、視訊和網頁(無論是人物肖像還是風景畫面)進行旋轉。透過上下左右傾斜手機,還可以查看手機選單;只要輕輕擊打手機機身,就可以在螢幕上選中不同的圖示,所有這些智慧功能離不開新一代MEMS元件內嵌的先進數位技術。

有了MEMS加速計,只要把設備向某一方向傾斜,就能在小螢幕上詳細查看地圖,顯示放大的影像。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運動感測器還可作為先進的節能技術,當手機沒有關閉放在飯桌上時,MEMS感測器將會把耗電大的模組(如顯示器背光板和GPS模組)全部關閉,以降低手機和可攜導航儀的能耗。只要碰觸一下機身,又可以打開全部功能。

同樣地,無論何時,把手機正針對下反放在桌子上,手機設置就會切換到靜音模式;只要碰觸一下機身,就可以關閉靜音功能。MEMS運動控制技術折射出了未來手機的樣子:只有數量很少的按鍵,不再有普通的鍵盤。向手機輸入資訊時,用戶在空中書寫數字和字母,MEMS感測器識別這些動作,手機軟體將這些動作還原成數字和字母;軟體還可以把用戶預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為現實,例如:能夠在空中作業的三維滑鼠和遙控器。在這些設備中,感測器檢測到用戶的手勢,將其轉換成PC螢幕上的圖示或視訊轉換盒和電視頻道及功能選擇。圖5是一個含有MEMS感測器的遙控器解決方案,MEMS感測器組、兩個陀螺儀和一個加速計檢測手腕或滑鼠在空中的動作,同時微控制器執行動作追蹤和手勢識別功能。然後,重組的運動曲線透過無線連接發送到視訊轉換盒或PC,視應用要求而定,無線鏈路可以採用紅外線或射頻。

圖5:MEMS 3D遙控器和指示器。
圖5:MEMS 3D遙控器和指示器。

近來上市的高能效低價微型MEMS感測器徹底改變了人們與行動終端設備的互動方式。在各類行動終端、遊戲機、遙控器等設備上,MEMS運動感測器可實現先進的功能,令人心動的用戶介面,用戶的手勢、觸摸都能夠啟動相應的功能。

可以預計,在不久的將來,MEMS技術會得到進一步發展,周圍環境將佈滿感測器網路,我們的衣服內嵌有感測器網路,這將會擴大可行設計應用的空間,讓我們更好地與世界互動,更好地控制我們所在的世界。

作者:Fabio Pasolini

業務開發經理

Paolo Bendiscioli

應用經理

ST Castelletto




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