傳感器融合將為高精度運動檢測在手機、導(dǎo)航系統(tǒng)、游戲機等便攜電子設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用創(chuàng)造更多新機會，空中鼠標、智能遙控器、LBS等都是未來十分看好的應(yīng)用。就在各種6自由度、9自由度器件不斷問世之際，10自由度MEMS產(chǎn)品也已悄然問世。
伴隨著MEMS傳感器“融合的誕生，以iPhone和iPad為代表的消費電子產(chǎn)品的運動感知能力正在發(fā)生根本性改變。“智能手機與平板是驅(qū)動今年增長的關(guān)鍵力量，這些產(chǎn)品中很多已經(jīng)具有3軸加速計、3軸陀螺儀、麥克風、立體聲波濾波器等標準MEMS器件。意法半導(dǎo)體（ST）模擬、MEMS和傳感器部門應(yīng)用經(jīng)理Paolo Bendiscioli對電子工程專輯記者表示。
來自IHS公司的消費與移動MEMS市場研究報告顯示，2011年消費與移動MEMS營業(yè)收入將有望達到22.5億美元，取得迄今以來最高的增長率37%。而2010年創(chuàng)下的最高增長率則是27%，營業(yè)收入達到了16.4億美元。該公司預(yù)測說，2015年全球MEMS營業(yè)收入將比2010年增長近兩倍，達到45.4億美元，2010-2015年的復(fù)合年度增長率約為22.5%。
要想在消費電子市場取得成功，廠商就必須通過規(guī)模經(jīng)濟取勝，并且能夠提供廣泛的解決方案。ST稱，他們預(yù)見到了MEMS在消費類電子、醫(yī)療保健，工業(yè)和汽車市場強勁的需求態(tài)勢，因此大幅度提高了其MEMS產(chǎn)能。目前，ST MEMS傳感器的產(chǎn)能已達300萬/天，且是世界上第一家制造基于8英寸晶圓工藝MEMS器件制造商。
力拼10自由度
傳感器融合一直是MEMS產(chǎn)業(yè)的熱議話題，而新興的移動消費電子應(yīng)用，如位置相關(guān)服務(wù)（LBS）、室內(nèi)及多樓層盲區(qū)導(dǎo)航功能等，也需要復(fù)雜程度更高的感應(yīng)功能。ST大中華及南亞區(qū)模擬與微電機系統(tǒng)部市場部經(jīng)理吳衛(wèi)東認為，傳感器融合將為高精度運動檢測在手機、導(dǎo)航系統(tǒng)、游戲機及眾多的便攜電子設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用創(chuàng)造更多新機會，空中鼠標、智能遙控器、LBS等都是ST未來十分看好的應(yīng)用。
就在各種6自由度、9自由度器件不斷問世之際，10自由度MEMS產(chǎn)品也已悄然問世。ST近日就推出了10自由度（DoF）傳感器應(yīng)用整體解決方案，包括三軸地磁模塊LSM303DLHC（包含三軸線性運動和三軸地磁運動傳感器）、三軸數(shù)字陀螺儀L3G4200D和壓力傳感器。從而使消費電子產(chǎn)品具備立即獲得線性加速度、角速率、地球引力、前進方向和海拔高度等完整3D立體地理信息指示的能力，且不受GPS衛(wèi)星信號消逝或變?nèi)醯挠绊憽?/p>
此外，為了將MEMS傳感器和多軸慣性模塊的全部功能發(fā)揮到極致，ST還同時發(fā)布了iNEMO引擎?zhèn)鞲衅髡咸准aolo Bendiscioli強調(diào)稱，iNEMO引擎是“業(yè)界首款完整可定制的多軸MEMS傳感器軟硬件解決方案，能夠加強運動識別和前進方向精度識別功能。
基于卡爾曼濾波器（Kalman Filter）理論，iNEMO引擎采用一套自適應(yīng)預(yù)測和濾波算法，能夠識別由加速度計、陀螺儀、羅盤以及壓力傳感器組成的多個傳感器的輸入信息，并可自動修正傳感器的測量失真、錯誤以及干擾，從而大幅提升用戶體驗以及感應(yīng)精度、分辨率、穩(wěn)定性和響應(yīng)時間。幾個月前，ST宣布與微軟合作，以確保在基于Windows 8的平板電腦和計算機中可快速采用其MEMS傳感器及相關(guān)技術(shù)。
ADI最近也新增了戰(zhàn)術(shù)級（零偏穩(wěn)定度低于10o/小時）角速率陀螺儀ADIS16136和十自由度慣性測量單元（IMU）ADIS16488。ADIS16136的典型零偏穩(wěn)定度達到了3.5o/小時，采用火柴盒大小的模塊封裝，功耗低于1W，重量僅為25克。ADI方面稱，與昂貴的光纖陀螺儀相比，新款陀螺儀的穩(wěn)定度和角度隨機游走特性與之相當，但線性度卻提高2倍，啟動時間快30倍，功耗低5倍，且無需用戶配置就能產(chǎn)生精密準確的速率檢測數(shù)據(jù)。
而ADIS16488則在單封裝中集成一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、一個三軸磁力計和一個壓力傳感器。ADI微機械產(chǎn)品線高級應(yīng)用工程師趙延輝表示，除了重要的戰(zhàn)術(shù)級（低于10o/小時）零偏穩(wěn)定度以外，在重力加速度效應(yīng)、溫度系數(shù)和帶寬等更重要的特性方面，ADIS16488同樣超過所有其它同類陀螺儀IMU產(chǎn)品，改善幅度最多可達100倍。此外，在對線性加速度和振動加速度抑制方面，ADIS16488性能甚至還超過了傳統(tǒng)軍用級IMU。
眾所周知，MEMS陀螺儀一直以來是最難設(shè)計和制造的MEMS器件，特別是當許多新興工業(yè)自動化和儀器儀表應(yīng)用要求高性能和低功耗時更是如此。趙延輝表示，iMEMS陀螺儀是基于ADI前三代MEMS陀螺儀開發(fā)的第四代器件，采用先進的差分四傳感器設(shè)計，可在強烈沖擊和振動狀態(tài)下精確地工作。這種MEMS陀螺儀具有魯棒性能和6mA的低功耗特性，可有效地用于多種應(yīng)用，如機器人、工業(yè)儀器、航空以及用于高速列車的平臺穩(wěn)定系統(tǒng)。
不過，多傳感器集成化在現(xiàn)階段對于MEMS制造工藝依然是不小的挑戰(zhàn)。“這是因為集成模塊的制作工藝更難，生產(chǎn)良率也會顯著下降，只有充分掌握其中每一門技術(shù)，才能保證器件的性能穩(wěn)定性。Paolo Bendiscioli表示，“我們已經(jīng)宣布將硅通孔技術(shù)（TSV）應(yīng)用于大批量MEMS生產(chǎn)中，這對在智能傳感器和多軸慣性模塊中實現(xiàn)高性能3D芯片集成來說，是具有里程碑性質(zhì)的事件。
高集成度是否將催生MCU傳感器
“要想從MEMS內(nèi)核獲得更高的性能，傳感器與信號處理就必須結(jié)合，而這正是ADI的核心優(yōu)勢。趙延輝強調(diào)說。他分析認為，要想在MEMS市場獲得成功，供應(yīng)商不僅應(yīng)該關(guān)注基本運動檢測或增加新功能，還必須能夠應(yīng)對更多需求和挑戰(zhàn)，包括在各種振動/溫度差異，以及巨大幅度沖擊環(huán)境下，保持足夠的靈敏度、噪聲等關(guān)鍵特性。此外，設(shè)計人員還要有能力提供更具價值的系統(tǒng)性能優(yōu)化，從而實現(xiàn)過程的自動化、并減少系統(tǒng)停機時間，從而降低成本。
隨著MEMS傳感器集成化程度的加劇，是否將催生DSP/MCU傳感器與專用硬件也是業(yè)界討論的焦點。最具代表性的是飛思卡爾（Freescale）提出的塔式系統(tǒng)（Tower System）概念。該平臺包含一系列的開發(fā)套件，主要以8位、16位、32位微控制器為核心設(shè)計開發(fā)平臺，最大特色為模塊化特性和強大的擴展性。控制器模塊提供易于使用、可重構(gòu)的硬件；可搭配可互換的外圍模塊，諸如串口、存儲區(qū)及液晶顯示模塊等。而將多種MEMS傳感器和MCU功能融合在一個平臺上的“傳感系統(tǒng)就是其中之一，F(xiàn)reescale方面認為這代表了傳感器發(fā)展的未來。
不過吳衛(wèi)東則對此評價說，“不能一概而論。盡管ST結(jié)合MCU的MEMS模塊已近在研發(fā)當中，技術(shù)上不存在任何問題。但他認為，首先只有真正商用化的量產(chǎn)方案才有實際意義。更重要的是，不同應(yīng)用市場對MCU的需求不同，在為客戶開發(fā)帶來便利性的同時有可能是以犧牲靈活性為代價的，所以集成并非絕對的好，需要針對應(yīng)用具體分析；其次，消費類市場對成本極為敏感，模塊化方案的性價比是否就一定優(yōu)于單個器件，也需要仔細斟酌。
趙延輝認為，目前，MEMS器件發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)主要來自系統(tǒng)級設(shè)計、測試、分析、嵌入式軟件的開發(fā)、以及電源管理技術(shù)，其中優(yōu)化解決方案所需要的許多其它要素也為技術(shù)工程師提出了許多挑戰(zhàn)。“我們認為，在未來的10年中，MEMS傳感器設(shè)計仍需要更進一步的優(yōu)化。同時，將MEMS芯片與IC芯片整合、封裝在一起也會是集成電路技術(shù)發(fā)展的新趨勢，這是傳統(tǒng)IC廠商的新機遇，企業(yè)只有不斷創(chuàng)新才能獲取更多的利潤。