如何将MEMS传感器用于各种创新的消费类产品设计

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  MEMS即微机电系统,是利用微米级立体结构实现感应和执行功能的一项关键技术。其中,微米级立体结构是利用被称为“微加工”的特殊工艺实现的微米大小的立体机械结构。

  因为技术和经济的原因,MEMS传感器曾经被局限在汽车市场和工业应用领域;今天,随着MEMS传感器越来越小,价格越来越低,能效越来越高,设计和应用空间不断扩大,它在消费类应用市场的普及率正在不断提高。

  制造这些器件所采用的微加工技术与制造基本集成电路所采用的工序和工艺大同小异,只不过微加工的产品通常是一个能够活动的立体的机械结构。

  虽然制造MEMS产品可以使用多种不同的材料,但是硅越来越受到业界的欢迎,因为硅的电气、机械和热属性都非常出色。此外,半导体厂商还意识到,如果使用成熟的芯片量产制造技术,在晶片上一次可以制造数以万计的MEMS器件。这就是说,MEMS可以利用微电子器件现有的规模经济,获得更大的成本优势,特别是在进军消费类产品市场时,利用好这个优势更加重要。因此,以硅为MEMS材料的吸引力最大。

  过去,在没有这项技术之前,有很多应用是不可能的;今天,这项技术正在将这些应用变为可能。

  手提电脑、手机、便携媒体播放器和移动终端设备内的硬盘驱动器坠落保护功能,是MEMS运动传感器在消费电子市场的具有重要历史意义的代表性应用之一。

  在手提电脑内的三轴加速计可以监测加速度,因为具有特定的功能和数据处理电路,它能够检测到硬盘驱动器的意外摔落事故,并及时命令读写头缩回到安全位置,以防电脑最终摔落在地板上时损坏读写头。

  健身和健康监测是MEMS传感器的另一类具有代表性的应用。

  计步表或计步器是利用三轴MEMS传感器实现健身和健康监测功能的代表性应用,在特定的情况下,计步器的传感器能够精确地测定在步行和跑步过程中作用在系统上的加速度,通过处理加速度数据,计步器显示用户走过的步数和速度,以及在身体运动过程中所消耗掉的热量。

  计步器功能通常被嵌入在在手机和便携媒体播放器(MP3和MP4)内,对于这些设备,可以设定在固定时间内要达到的步数目标,并能测量完成这个目标所消耗的热量。虚拟健身房的会员之间还可以在网上分享这些信息,并开展以促进体育活动和健身运动为目标的虚拟比赛。

  计步器也是便携式导航仪中的一个重要模块。便携式导航仪能够确定使用者的位置,提供引路功能,查找公共服务地点,接收地区广告。在特殊情况下,例如,在市区,因为地下通道、立交桥、高楼、室内的阻挡,GPS信号会变弱,这时MEMS运动传感器的信号就可以暂时替代GPS模块,起到辅助导航定位的作用。

  在另一项应用中,MEMS传感器可以用于设计一种老人急救设备。当老人意外摔倒时,这个设备可以检测到摔倒动作,自动发出一个报警信号,请求紧急救援。通过MEMS传感器和GPS模块,可以估算到需要救助的受伤老人所在位置,并在网络上传送位置信息。在不久的将来,这些仪器商用化后,将会给不断增长的老龄化人群提供一个更安全的生活环境。

  如今,能够检测运动、方向和手势的MEMS传感器正推动运动传感技术向手机、游戏机、便携媒体播放器等市场扩展。

  先进的功能、小巧的外观、出色的能效,MEMS传感器正在促进更加人性化的设备问世,有了这些能够识别人类手势的设备,用户不必再阅读冗长、复杂的用户手册,学习如何使用人机界面。

  MEMS有助于打破用户与应用之间的障碍:传感器像系统的眼睛,能够测量加速度和角速度等物理量;电子元器件处理传感器送来的信息,利用特殊的算法识别输入数据,然后激活相应的功能。

  游戏机是运动跟踪和手势识别应用的突出代表,以具有革命性的任天堂Wii游戏机为例,微型运动传感器能够捕捉到玩家任何细微的动作,并将其转化成游戏动作。MEMS技术让玩家动起来:玩家陶醉于真实的游戏体验,通过不同的动作融入到游戏中,例如,模仿一场真实的网球赛、一场引人入胜高尔夫球赛、一场紧张的拳击赛或轻松的钓鱼比赛的动作。

  MEMS技术在手机和PDA中的使用率正在提高,目前市场上采用MEM加速计的手机越来越多。手机中的MEMS加速计使人机界面变得更简单、更直观,通过手的动作就可以操作界面功能,全面增强了用户的使用体验。

  根据终端设备的指向,MEMS传感器可以把图像、视频和网页(无论是人物肖像还是风景画面)进行旋转。通过上下左右倾斜手机,还可以查看手机菜单;只要轻轻击打手机机身,就可以在屏幕上选中不同的图标,所有这些智能功能离不开新一代MEMS器件内嵌的先进数字技术。

  有了MEMS加速计,只要把设备向某一方向倾斜,就能在小屏幕上详细查看地图,显示放大的图像。MEMS还能检测到用户抖动手机和MP3播放器的动作,这个简单的手势可以让播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。

  低功耗的MEMS运动传感器还可用作先进的节能技术,当手机没有关闭放在饭桌上时,MEMS传感器将会把耗电大的模块(如显示器背光板和GPS模块)全部关闭,以降低手机和便携导航仪的能耗。只要碰触一下机身,又可以打开全部功能。

  同样地,无论何时,把手机正面向下反放在桌子上,手机设置就会切换到静音模式;只要碰触一下机身,就可以关闭静音功能。MEMS运动控制技术折射出了未来手机的样子:只有数量很少的按键,不再有普通的键盘。向手机输入信息时,用户在空中书写数字和字母,MEMS传感器识别这些动作,手机软件将这些动作还原成数字和字母;软件还可以把用户预定的动作变成特殊的自定义功能。

  MEMS加速计与陀螺仪配合使用,可以把更先进的选择功能变为现实,例如:能够在空中操作的三维鼠标和遥控器。在这些设备中,传感器检测到用户的手势,将其转换成PC屏幕上的光标移动或机顶盒和电视机的频道和功能选择。图5是一个含有MEMS传感器的遥控器解决方案,MEMS传感器组、两个陀螺仪和一个加速计检测手腕或鼠标在空中的动作,同时微控制器执行动作跟踪和手势识别功能。然后,重组的运动曲线通过无线连接发送到机顶盒或PC机,无线链路可以采用红外或射频,具体视应用要求而定。

  近来上市的高能效低价微型MEMS传感器彻底改变了人们与移动终端设备的互动方式。在各类移动终端、游戏机、遥控器等设备上,MEMS运动传感器可以实现先进的功能,令人心动的用户界面,用户的手势、碰摸就能够激活相应的功能。

  可以预计,在不久的将来,MEMS技术会得到进一步发展,周围环境将布满传感器网络,我们的衣服内嵌有传感器网络,这将会扩大可行设计应用的空间,让我们更好地与世界互动,更好地控制我们所在的世界。

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