如何將MEMS傳感器用于各種創(chuàng)新的消費類產品設計

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

因為技術和經濟的原因，MEMS傳感器曾經被局限在汽車市場和工業(yè)應用領域；今天，隨著MEMS傳感器越來越小，價格越來越低，能效越來越高，設計和應用空間不斷擴大，它在消費類應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，只不過微加工的產品通常是一個能夠活動的立體的機械結構(如圖1)。

雖然制造MEMS產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，半導體廠商還意識到，如果使用成熟的芯片量產制造技術，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)模經濟，獲得更大的成本優(yōu)勢，特別是在進軍消費類產品市場時，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，在沒有這項技術之前，有很多應用是不可能的；今天，這項技術正在將這些應用變?yōu)榭赡堋?

手提電腦、手機、便攜媒體播放器和移動終端設備內的硬盤驅動器墜落保護功能，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用之一。

在手提電腦內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用。

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：意法半導體開發(fā)的一款基于MEMS的計步器參考設計。

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，對于這些設備，可以設定在固定時間內要達到的步數(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航儀中的一個重要模塊。便攜式導航儀能夠確定使用者的位置，提供引路功能，查找公共服務地點，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、室內的阻擋，GPS信號會變弱，這時MEMS運動傳感器的信號就可以暫時替代GPS模塊，起到輔助導航定位的作用。

在另一項應用中，MEMS傳感器可以用于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(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、復雜的用戶手冊，學習如何使用人機界面。

MEMS有助于打破用戶與應用之間的障礙：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)，然后激活相應的功能。

游戲機是運動跟蹤和手勢識別應用的突出代表，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，并將其轉化成游戲動作。MEMS技術讓玩家動起來：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。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器件內嵌的先進數(shù)字技術。

有了MEMS加速計，只要把設備向某一方向傾斜，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，當手機沒有關閉放在飯桌上時，MEMS傳感器將會把耗電大的模塊(如顯示器背光板和GPS模塊)全部關閉，以降低手機和便攜導航儀的能耗。只要碰觸一下機身，又可以打開全部功能。

同樣地，無論何時，把手機正面向下反放在桌子上，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(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。在這些設備中，傳感器檢測到用戶的手勢，將其轉換成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備的互動方式。在各類移動終端、游戲機、遙控器等設備上，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的功能。

可以預計，在不久的將來，MEMS技術會得到進一步發(fā)展，周圍環(huán)境將布滿傳感器網(wǎng)絡，我們的衣服內嵌有傳感器網(wǎng)絡，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

商業(yè)開發(fā)經理,
Paolo Bendiscioli
應用經理
ST Castelletto