發布日期：2022-10-07 點擊率：69
消費電子市場有其自身的特點，消費產品需要實現低價、低功耗、低電壓、小型化。MEMS產品供應商必須要提高新產品的開發速度，同時還要維持與汽車電子相同的可靠性。
加速度傳感器陀螺儀已被廣泛用于汽車和醫療器械市場，例如汽車的主動或被動式安全系統和心律調整器等。消費市場的制造手段與汽車電子市場一般采用的大、厚且昂貴的陶瓷等封裝技術不同，其比較偏好可表面貼裝的封裝方式，以及小、薄和低成本的解決方案。例如ST于2002年發布的全模造塑料封裝（Full Molded PLGA）目前被業界廣泛使用而成為一項制程標準。憑借該技術，ST只用了不到3年的時間即將其3軸加速度傳感器系列產品從100立方毫米微型化到10立方毫米的封裝尺度。
汽車用傳感器不通過電池來供電，因此功耗并不是技術難點，而較高的抗震性能十分重要。此外更廣的溫度范圍和更高的產品可信度也是汽車產品市場的基本要求。而針對消費市場，功耗和電壓則成為重點之一。目前消費產品的供電電壓已降到1.8 V，電流必須小于1.0 mA。
因為手持設備沒有固定的框架作為參考，而用戶希望各個方向上的動作都能被加速度傳感器探測并實現相應的功能，因此目前多軸傳感器方案為消費性市場的主流。
模擬式輸出的傳感器方案也逐漸被數字式產品所取代，因為數字式方案使產品整合更容易，軟件開發更快速。此外，增加中斷功能的引腳位能簡化最終產品的整合，也是客戶的需求之一。針對這些需求，ST開發了二軸、三軸、模擬與數字式加速度傳感器以適應不同的應用。ST還提供參考設計和評估套件，及專用開發軟件工具。
單芯片單封裝的單體式（Monolithic）和雙芯片單封裝混合式（Hybrid）是市場上的兩種主要解決方案。多芯片單封裝的解決方案不僅具有最佳的成本效益，還提供了快速量產所需要的模塊化和彈性化方面的要求，對消費性市場十分重要。然而，由于實際系統在成本、上市時間等方面的要求，采用最合適的方案才是明智的辦法。目前將感測單元和接口電路整合在一起是可行的，但并不一定是最佳解決方案。有時采用標準CMOS技術來制造復雜的控制電路反而更能滿足功能和成本兩方面的需求。
ST推出的加速度傳感器和陀螺儀采用兩顆芯片單一封裝的系統級封裝（SiP）方案。兩顆芯片中，一顆通過THELMA微加工技術制造而成，對慣性或柯氏力很敏感；另一顆可以是模擬或數字控制芯片，用并排或堆疊的方式來與THELMA加工成的機械性組件封裝在一起。
在SiP構架中，微加工傳感器器芯片將加速度轉換為差分電容改變量，另一顆接口芯片將微小的電容改變量（atto-farad范圍）轉換成模擬或數字格式的輸出信號。
SiP的方法可加速多軸陀螺儀等新式運動傳感器的開發。由于ST采用類似LEGO（樂高）玩具式的模塊化設計，陀螺儀的機械和電子模塊可使用與已量產的多軸加速度傳感器相同的技術平臺，設計人員可對多軸加速度傳感器中已驗證的功能模塊進行復用（Re-Use），以加快研發的速度，并實現較低的開發成本。此外，得利于Land Grid Array封裝配置實現的彈性，ST可迅速將其芯片中的任意兩個模塊整合為最終產品，甚至包括接腳的調整。
消費電子市場中的壓力傳感器
壓力傳感器的傳統應用為壓力和氣流等物理量的測量，主要場合為工業、汽車和醫學等。基于MEMS技術的壓力傳感器可用于測量電阻或電容變化量等物理值。其加工制造主要采用前文提到的體型加工或表面型加工，或兩者的混合方式。壓力傳感器材料一般為硅半導體，標準的硅基板或更昂貴的絕緣層上覆硅（Silicon-On-Insulator, SOI）基板同樣被用來作為起始層材料。
壓力傳感器可分為電阻式和電容式兩種，并分別對應不同的加工制程。體型微加工技術是電阻式壓力傳感器較佳的選擇；而電容式壓力傳感器一般比較適合采用表面型微加工技術制造。
電阻式的工作原理利用了硅晶的壓阻特性，將微小的振膜應力轉變為微小的電阻值變量，電容式壓力傳感器則使用兩個平行板，一個固定，另一個則是以垂直于芯片平面的方向移動的薄振膜。當出現移動時，這兩板之間會出現極小的電容值變化，并產生輸出。輸出的電阻或電壓值會傳送給接口電路，并轉變為電壓值。與運動傳感器的作法相同，接口電路可以以芯片或封裝造型來實現整合。采用SiP結構可提供較大的設計彈性，并加快產品上市的速度。
廠家的定制化的制程目前是MEMS微加工技術的主流，而并未出現所謂的理想制程。但無論市場上存在多少不同的半導體晶圓廠和制程，消費類產品的關鍵是一直是價格、尺寸和性能之間的取舍。這種情況造成了目前只有少數的廠商能為消費性市場提供可行的解決方案的現象。例如在標準的體型微加工解決方案中，封裝部分往往是成本中的主要部分，而通過VENSENS技術可制造出尺寸僅為0.8mm x 0.8 mm，厚度約0.3 mm的低成本小型化全硅晶式（Full Silicon）壓力傳感器，其優勢就在于使性能與封裝方式無關，掃清了進入成本主導的消費產品的障礙。ST最近發布的最新HLGA（Holed Land Grid Array）封裝專利技術，可使其壓力傳感器的生產復用（Re-Use）運動傳感器既有生產工具，讓消費者能獲得更小和更薄的封裝。
運動與壓力傳感器的消費性應用類型
手機
MEMS技術的傳感器給帶來了電子產品用戶操作感受的變革。傳統手機屏幕上的頁面滾動和放大縮小等都需要用戶通過按鍵或轉輪等來完成，而且機身的小型化造成了有限的顯示尺寸和功能，以及“小按鍵大手指”等的尷尬現象。結合了MEMS加速度傳感器的設備則可省略這些零件實體，實現創新的界面元素。傳感器可通過用戶的動作判斷其意圖，用戶可能只需要簡單地傾斜手中設備，就能瀏覽電子書或移動地圖，使各種復雜的操作變得十分簡便。
無線游戲控制器
任天堂的Wii是市場中最成功的一個使用案例。多軸加速度傳感器的應用使用戶的真實動作變成了手持設備的鼠標功能，系統通過判斷其動作和姿態即可實現對游戲中虛擬環境和人物的操作。符合人性的界面使游戲變得更加吸引人，這對于所有目標用戶為年輕人的公司來說十分關鍵。
鼠標和3D Pointer
從鍵盤轉向鼠標是操作方式上的一次進步，也使鼠標成為目前電腦及周邊設備上最常見的操作接口。鼠標一般帶有2~3個按鍵，用以輸入指令，以及作為與電腦系統連結的通訊接口；用戶手持鼠標在二維平面上的動作被用來控制光標或指針在圖形化界面中的位置，并執行特定的動作。慣性傳感器的出現為鼠標操作帶來了新的革命。
在鼠標中內置加速度傳感器可使系統監測用戶的三維控制動作，并把相關數據發送給電腦操作系統；如整合陀螺儀則更能強化設備的功能和可用性。同時，該技術對于要求低功耗的無線解決方案也十分適合。
硬盤防跌落保護功能
由于大量數據存儲的需求，目前除筆記本電腦外，內置硬盤在手機、數碼相機、PMP、DV等產品中也大量普及。而便攜式設備時常有跌落而造成數據損失的危險。三軸加速度傳感器的應用可使這些設備中的數據免受傷害。
加速度傳感器可感測到重力加速度，在跌落時，微控器會發出指令要求讀寫頭從敏感的盤片上移開以避免落地時對其可能造成的劃傷，使硬盤在三軸方向上獲得自由落體保護。
位置服務的輔助導航（LBS）
在GPS廣泛普及的今天，其技術也暴露出一些缺陷。GPS設備主要通過接收器對衛星信號的接收來實現定位和路線指示，而其在信號不好的地方，例如高層建筑之間、地下室、隧道、橋梁等，并不能實現100%的可靠性，很難進行準確定位。另外，電池式的GPS設備也往往消耗大量的電力。
DR（Dead Reckoning）采用慣性定位方式可有效彌補GPS的不足，與之形成互補。DR系統會掌握行車的距離和轉動偏移的方向來計算相對位置，因此加速度傳感器、陀螺儀和磁力計可被用來建立一套運動量測單元來實現這一功能。MEMS設備的低功耗也可有效節省電力。人們越來越關注自己的身體健康，各種輔助設備也被廣泛應用。計步器能夠用來測量用戶行走的距離和速度，以確定其消耗的能量。計步器中的輸出是垂直于平面運動的一組周期性信號，其被安置于鞋中并可與其他設備進行無線通訊。目前計步器已成為PND設備的一項重要功能，MP3播放器和多媒體手機也開始整合此項功能。
天氣預報和高度計
壓力傳感器能讓GPS設備或手持設備判斷使用者所在的高度，并具有天氣預報的功能。當用戶撥打緊急電話時，GPS和壓力感測器將能自動傳送出用戶在某建筑物中的位置和樓層高度。
數碼相機/攝像機防抖功能
數碼相機和攝像機的防抖功能可消除用戶按快門瞬間的抖動對成像的影響，目前手機中普遍加入照相功能，這意味著陀螺儀在此市場具有極大的發展潛力。壓電振動式陀螺儀被廣泛應用于數碼相機和攝像機的防抖模塊，MEMS陀螺儀具有減少空間維度和降低功耗的功能優勢，能同時量測pitch和roll軸的角加速度，也很容易與其它的運動感測器集成在一起。
MEMS的新興應用領域
消費電子市場的新型應用甚將“MEMS的消費性浪潮”進一步推至“MEMS狂潮”。除了以上介紹的產品，MEMS技術還為其他許多創新性應用提供了廣闊空間。MEMS必須專注于客戶的需求，迎合微型化和多感測器叢集的設計趨勢。ST在MEMS技術方面將繼續其小型化的目標，另一方面，技術平臺的改良和產品路線圖的調整也是公司的重點。此外，讓客戶定制化及標準化的封裝能實現多傳感器的融合（如HLGA與一般的LGA封裝能完全兼容）等也是ST十分關注的領域。
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是許多公司和研究機構積極開發的另一塊市場。WSN曾廣泛用于軍事、安防和科學監測等領域，目前也逐步走向民用，例如在汽車電子中的胎壓檢測系統實際上就是一個簡單的五節點WSN，其中傳感器的設計包含了MEMS壓力傳感器和加速度開關。
WSN由于還存在一些技術性的障礙，能否實現商業化量產還是未知數；但無論如何，廠商和產業界都能從為消費產品市場小型低功耗MEMS傳感器產品的研發實踐中獲得收益。
Motes指由傳感器、接收器、控制器、電池和天線等組成的無線傳感器模組，主要用以測量物理量的改變，如壓力、溫度、熱量、氣流、受力、振動、加速度、撞擊、扭力、濕度、應變力和影像等。該概念也正逐漸走向商業化。
有許多應用可以用到無線傳感器模組，例如家居自動化、工業控制、安全監控、建筑工程、農業、環境監控等；目前由于市場對安全性、娛樂性、便利性和效率等的要求，以及一些政府和機構的強制性要求，給無線傳感器模組的普及帶來了機遇，同時也給MEMS供應商帶來了挑戰，因為其需要有將不同技術整合到單一模組化格式中的能力。ST正是考慮到這方面的需求，投資先進的八英寸晶圓廠，為Motes的量產建立生產制程平臺。
無線傳感器模組中傳感器的選用也要依據具體情況。傳感器并不一定要采用MEMS技術，有些應用中選用已發展較長時間的傳統感測器也許會更合適。無線傳感器模組的潛在市場很大，當技術上的瓶頸被克服，其將成為人們日常生活中的一部分。
結論
MEMS技術正在逐步走向民用和消費類市場，我們正處于“MEMS狂潮”的開端，ST將以其完善的生產基礎、高效的執行能力、對消費電子市場的深入了解，以及先進而穩定的生產研發技術平臺作為此次新浪潮的重要推動者。ST認為，以壓力傳感器、加速度傳感器為代表的MEMS技術將在未來的產品中扮演越來越重要的角色，并帶來席卷整個業界的威力；WSN可帶來無窮無盡的創新應用，在攻克技術難關后必將進一步推動MEMS的創新革命。
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