用智慧改變生活--趙陽和他的加速度傳感器的故事

頭一次見趙陽博士，我被他那至少在一米九以上的瘦高個(gè)兒給震住了。這可跟我印象中半導(dǎo)體行業(yè)精英的形象有些不同。不過，更讓我迫切地想和他對(duì)話的還是他那革命性的加速度傳感器技術(shù)和他創(chuàng)辦的美新(MEMSIC)公司。作為一個(gè)中國(guó)人，在高手林立的美國(guó)硅谷，能夠憑借自己的智慧與努力研發(fā)出完全創(chuàng)新性的加速度傳感器技術(shù)，并且與已經(jīng)在這個(gè)市場(chǎng)成熟多年的美國(guó)公司抗衡，甚至威脅到他們的市場(chǎng)份額。就憑這一點(diǎn)就不能不讓我產(chǎn)生一種自豪感和欽佩之情。

    但實(shí)際上我們的對(duì)話更像是聊天。趙陽博士很健談。這位就在中關(guān)村長(zhǎng)大的地道北京人，有著北京人典型的特點(diǎn)：熱情、幽默、自信和一點(diǎn)點(diǎn)傲氣。 
從智慧靈光閃現(xiàn)到革命性產(chǎn)品的誕生

    趙陽在讀本科時(shí)的專業(yè)是量子光電器件，在美國(guó)普林斯頓大學(xué)他相繼獲得了物理學(xué)和電子工程學(xué)兩個(gè)碩士學(xué)位以及電子工程學(xué)博士學(xué)位，讀博士時(shí)師從于獲得1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的Daniel Tsui教授。正所謂名師出高徒，若不具備充分的天資和勤奮的努力，怎么會(huì)獲得名師的指導(dǎo)。這都為趙陽以后的技術(shù)創(chuàng)新埋下堅(jiān)實(shí)的伏筆。

    博士畢業(yè)后，趙陽加入美國(guó)模擬器件(ADI)公司，成為ADI MEMS產(chǎn)品部門主要研發(fā)人員之一。當(dāng)時(shí)ADI的MEMS加速度傳感器研發(fā)方向分為兩個(gè)小組，一組的研發(fā)方向仍然是基于傳統(tǒng)的加速度傳感器架構(gòu)，就是內(nèi)部為機(jī)械結(jié)構(gòu)的架構(gòu)。傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)存在很多缺點(diǎn)，比如抗震性能差，容易損壞，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。另一組由趙陽負(fù)責(zé)，當(dāng)時(shí)他一直在苦苦思索，能不能避開機(jī)械結(jié)構(gòu)這個(gè)瓶頸，尋找到一條捷徑呢？在不斷的思索與實(shí)踐中，時(shí)間過去了7年。7年后，兩個(gè)小組都宣布研發(fā)成功。而趙陽終于找到了一條他所期待的捷徑，他將熱氣團(tuán)取代傳統(tǒng)加速度傳感器中的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)革命性的創(chuàng)新，它完全顛覆了傳統(tǒng)的架構(gòu)，在性能和穩(wěn)定性上實(shí)現(xiàn)了很好的效果，而且成本又很低。趙陽說“它就好像德州儀器公司(TI)的DLP技術(shù)，是一種完全不同于傳統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)。”是的，TI的DLP技術(shù)被業(yè)界視為TI一個(gè)標(biāo)志性的獨(dú)創(chuàng)技術(shù)，它的研發(fā)歷經(jīng)十余載，直到前幾年隨著數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的興起才真正找到了用武之地，而趙陽的加速度傳感器技術(shù)從靈感的閃現(xiàn)到成功的產(chǎn)品，也歷經(jīng)了7年的艱苦歷程。這不僅僅需要超人的智慧，更需要超人的毅力和執(zhí)著的熱情。

    技術(shù)成熟的加速度傳感器分為三種：壓電式、容感式、熱感式。壓電式加速度傳感器運(yùn)用的是壓電效應(yīng)，在其內(nèi)部有一個(gè)剛體支撐的質(zhì)量塊，有運(yùn)動(dòng)的情況下質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應(yīng)變，把加速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。容感式加速度傳感器內(nèi)部也存在一個(gè)質(zhì)量塊，從單個(gè)單元來看，它是標(biāo)準(zhǔn)的平板電容器，加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)從而改變平板電容兩極的間距和正對(duì)面積，通過測(cè)量電容變化量來計(jì)算加速度。而熱感式加速度傳感器內(nèi)部沒有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個(gè)加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時(shí)在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個(gè)熱氣團(tuán)，熱氣團(tuán)的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團(tuán)的移動(dòng)形成的熱場(chǎng)變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。由于壓電式加速度傳感器內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式加速度傳感器只能感應(yīng)到“動(dòng)”加速度，而不能感應(yīng)到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應(yīng)“動(dòng)”加速度，又能感應(yīng)“靜態(tài)”加速度。

    由于沒有任何移動(dòng)部件，而且采用了微機(jī)械加工技術(shù)，熱感式加速度傳感器的研發(fā)過程中解決了很多加工上的難題。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本低，抗沖擊能力強(qiáng)，而且可靠性好，失效率低于10ppm。
1999年，經(jīng)過ADI的技術(shù)授權(quán)，趙陽成立了美新公司，開始專心做自己的事業(yè)，把自己的技術(shù)推向市場(chǎng)。


在消費(fèi)類領(lǐng)域自由馳騁

    在見到趙陽博士以前，我對(duì)加速度傳感器的關(guān)注度遠(yuǎn)沒有DSP、FPGA那么高。這小小的傳感器似乎處在半導(dǎo)體主流技術(shù)之外。但傳感器技術(shù)的創(chuàng)新和新應(yīng)用的產(chǎn)生融合在一起，創(chuàng)造出來的奇跡簡(jiǎn)直令人驚嘆。 

    加速度傳感器在很多跟“運(yùn)動(dòng)”、“傾角”有關(guān)的應(yīng)用里都有出色表現(xiàn)。比如投影機(jī)，它需要平穩(wěn)地投射影像，一旦有所傾斜，內(nèi)部的加速度傳感器會(huì)迅速感知傾角的變化并迅速調(diào)整投影機(jī)的投射角度以保持投射影像的平正。

    已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)主要?jiǎng)恿Φ谋銛y式消費(fèi)類電子產(chǎn)品也是加速度傳感器施展才華的舞臺(tái)。美新的加速度傳感器在很多方面都具有便攜式產(chǎn)品需要的性能。體積小，現(xiàn)在美新批量生產(chǎn)的產(chǎn)品高度僅0.9mm，今后還會(huì)更小；抗沖擊能力強(qiáng)，達(dá)到 50,000g；低功耗，工作電流在2mA以下；和主芯片接口具備標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口模式；性價(jià)比高，美新新一代的芯片經(jīng)過進(jìn)一步精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)和軟硬件集成，并加入DSP功能，價(jià)格將突破目前的價(jià)格瓶頸，而智能化大大提升。

    此外，美新還是第一個(gè)把MEMS加速度傳感器和混合信號(hào)處理電路集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝集成電路上的公司，這為造就低價(jià)格，高性能和多功能的產(chǎn)品奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，這種技術(shù)可以很容易地組合和擴(kuò)展新的功能、創(chuàng)造新的傳感器，甚至把使用的標(biāo)準(zhǔn)COMOS集成電路工藝擴(kuò)展到加速度傳感器之外的其它MEMS應(yīng)用中。

    許多令人驚嘆的功能由于先進(jìn)的加速度傳感器技術(shù)而得以在便攜式產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)。比如手機(jī)和MP4里圖像的移動(dòng)瀏覽和菜單的選擇。隨著手機(jī)中數(shù)字相機(jī)像素的增加，手機(jī)里圖像的分辨率越來越大，而屏幕卻是有限的。采用加速度傳感器，通過上下左右移動(dòng)手機(jī)，可以讓圖像隨著動(dòng)作移動(dòng)，清楚、輕松地看到圖像的每一部分細(xì)節(jié)。

    又比如便攜設(shè)備的GPS 系統(tǒng)在進(jìn)入地下隧道時(shí)，信號(hào)會(huì)丟失，利用加速度傳感器通過對(duì)加速度進(jìn)行粗略地計(jì)算，信號(hào)恢復(fù)時(shí)及時(shí)修正GPS上的數(shù)據(jù)，從而提高GPS的精度。

    加速度傳感器還可以在使用數(shù)碼相機(jī)拍照時(shí)防手抖，通過加速度傳感器檢測(cè)手抖動(dòng)的頻率和幅度，如果幅度過大可以鎖定快門，阻止拍照。幅度較小或穩(wěn)定時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)快門，以保證拍出清晰的照片。

    現(xiàn)在便攜式產(chǎn)品里許多產(chǎn)品使用微硬盤作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)讀寫的時(shí)候，硬盤抗沖擊能力很弱，而硬盤在磁頭復(fù)位的情況下抗沖擊能力比讀寫的時(shí)候要高100倍以上。系統(tǒng)里加上加速度傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)到外部有大的沖擊或是失重時(shí)，讓磁頭復(fù)位。

    更有趣的是空中寫字識(shí)別功能。用帶有加速度傳感器的手機(jī)在空中比劃可以直接輸入文字。在播放音樂的時(shí)候我們自己打節(jié)拍的動(dòng)作可以通過傳感器的感應(yīng)來改變音樂的節(jié)奏，讓音樂隨著我們的節(jié)拍而播放。

    還有許多非常有趣的應(yīng)用不勝枚舉。我覺得小小的加速度傳感器簡(jiǎn)直是在改變我們的生活方式！ 


創(chuàng)新：永不停歇的腳步

    在加速度傳感器這一領(lǐng)域，除了美新公司，市場(chǎng)上主要的廠商有ADI、ST和Freescale等。這幾家廠商所采用的架構(gòu)都是基于傳統(tǒng)的機(jī)械架構(gòu)。而基于獨(dú)有的熱感式加速度傳感器的美新公司，因其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)的推廣速度相當(dāng)快。在2003年時(shí)，美新在日本的投影機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)取得了主導(dǎo)的地位?，F(xiàn)在，美新把市場(chǎng)重點(diǎn)放在亞洲和中國(guó)的消費(fèi)類產(chǎn)品。趙陽認(rèn)為，2006至2007年，消費(fèi)類電子市場(chǎng)將有很大增長(zhǎng)，全球加速度傳感器出貨量將有幾千萬片。

    作為一個(gè)成長(zhǎng)中的公司，美新除了擁有獨(dú)創(chuàng)的核心技術(shù)，還擁有業(yè)內(nèi)具有十幾年經(jīng)驗(yàn)的出色研發(fā)人才。趙陽對(duì)于美新公司和業(yè)界那些老字號(hào)廠商的競(jìng)爭(zhēng)非常有信心。但他也表示，創(chuàng)新的腳步是不能停滯不前的，他們現(xiàn)在已經(jīng)開始了下一輪創(chuàng)新產(chǎn)品的研發(fā)計(jì)劃，而這個(gè)新產(chǎn)品是與目前的熱感式加速度傳感器完全不同的另一類傳感器產(chǎn)品。我期待著趙陽和他創(chuàng)新的加速度傳感器技術(shù)給我們帶來的下一輪更精彩的生活體驗(yàn)。