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MEMS传感器成移动产品整合重点

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地磁感应MEMS可以整合电子地图应用,甚至搭配实时街景服务,让软件功能与操作更直觉。STMicro
地磁感应MEMS可以整合电子地图应用,甚至搭配实时街景服务,让软件功能与操作更直觉。STMicro

智能手机、平板电脑,甚至是笔记本电脑,已经开始大量使用MEMS微机电元件,让装置本身具备环境感知的扩充应用,尤其是Apple的iOS Device采行陀螺仪、加速度计、地磁感应...元件后,使单纯的智能手机、平板电脑能扩展更多有趣的软件应用,也等于给第三方程序设计师更多实践创意的开发平台。

Apple iPhone、iPad等小屏幕与中型屏幕的移动智能产品,已将MEMS元件列为标准配备,甚至出现所使用的传感器越来越多的现象,早期使用MEMS微机电元件大多有设计的目的性整合,如在硬盘附近增设加速度计,当笔记本电脑或移动硬盘摔落时,可以实时传感得知硬盘处于危险环境,透过内部设计韧体实时将读写臂停靠在安全磁区,避免硬盘摔落损及数据安全。

早期气压传感器件与转换成MEMS微机电技术设计后,器件体积更平整小巧。MERIT

早期气压传感器件与转换成MEMS微机电技术设计后,器件体积更平整小巧。MERIT

MEMS器件体积持续压缩,功能越来越强。(Bosch)

MEMS器件体积持续压缩,功能越来越强。(Bosch)

早期MEMS元件体积较大,目前已经可以做到SiP或是高度整合表面黏着器件设计。Bosch

早期MEMS元件体积较大,目前已经可以做到SiP或是高度整合表面黏着器件设计。Bosch

微机电应用多元  提升移动设备应用新体验

微机电系统(Microelectromechanical systems;MEMS)传感元件,目前移动设备整合嵌入式系统应用相当热门,而在终端装置整合MEMS元件后,可使原本不易操作或输入大量数据的移动设备,让使用者可更直觉应用装置的晃动、倾斜产生同步输入指令,用以控制游戏进行,是让产品更便于使用的关键。

而目的性的装载MEMS微机电元件,发展迄今,微机电元件的成本与技术持续改善,不只是单位价格持续压缩,单位元件可整合的传感项目也变得更丰富、精确,甚至可以达到MEMS整合型芯片,满足硬件平台一颗购足的应用需求。

以iPhone、iPad为例,目前已经整合光感应器、近接感应器、加速度计、方向感应器等多重MEMS传感元件,新款产品还追加空间传感更精确的多轴陀螺仪元件、地磁传感元件等,不只是有2D方向性的传感能力,还升级了立体空间的旋转、移动传感应用,而地磁传感功能也不光仅当指南针使用,还可搭配网络的街景地图功能,直接把平板或智能手机的位置角度实时变更呈现的立体地图视角,让智能装置的使用型态更为人性、直觉。

微机电元件建构全新控制人机界面

尤其是在Wii游戏机与iPhone智能移动电话,透过整合MEMS陀螺仪、加速度计创造体感应用控制热潮后,MEMS传感器的使用已逐渐渗透各式CE产品应用,透过不需利用硬件键、不用进入系统选单调整设定,即可利用单纯的产品方向、角度或环境光感应等条件,来控制终端装置的对应功能,尤其是在数码镜头,已有大量的新机型装载了水平传感器、方向传感器,让镜头能感知用户取景是否有达到准确的水平构图,而不同取景方向也能在拍摄同时记录,而不用事后手动进行图片旋转与微调。

随着MEMS传感器成本持续压缩,MEMS元件的市场需求不断提升,目前几乎中、高价位的信息产品已开始将MEMS元件列为标准设计,几乎一线、二线的智能手机多少都会整合3种以上的MEMS传感功能。

以成本面检视,能传感三轴信息的传感器件,成本约在1.5~3美元,陀螺仪或更高精度的传感元件,多以智能手机、高端平板电脑整合为主,一般性低精度的传感元件,则多以电子罗盘、惯性传感器、加速度计等应用较为普遍。

而MEMS元件大多采用多功能性整合型态设计,随着终端产品整合的MEMS传感微机电侦测项目持续增加,形成多种MEMS元件以单一封装的形式产出多功能MEMS解决方案的应用形式,这对电子产品来说,可以更有效的运用有限的载板空间与机构空间,更进一步缩小产品尺寸。

多轴MEMS元件 精度、器件体积多方升级

而多数号称多轴的高精度传感MEMS器件,多是将加速度计、陀螺仪、电子罗盘...等与空间传感相关MEMS元件,以系统级封装(System in Package;SiP)进行整合,当嵌入式系统需要撷取环境空间信息时,可以先在MEMS SiP内先透过整合芯片处理前期各元件传感数据,先将传感器杂讯、误动作等信息过滤,透过内部多元传感器件先进行数据的提取与筛选,提升传感数据的输出精度,而这类将多传感器元件整合的高精度MEMS单颗元件,也不失为移动设备的环境传感应用方案。

即便多轴设计的传感器SiP有便于开发、整合产品需求的极大优势,但实际上多轴整合因为是单一芯片多颗MEMS元件,在控制产出良率方面,可能会有一定程度的制作耗损,尤其是在后期产品测试段出现的耗损品,会较单一功能的MEMS更明显,这也造成整合型的MEMS SiP单价会较单颗贵许多的原因;而且,若整合型MEMS SiP内部单组元件出现故障,也可能造成全机MEMS传感功能出现误动作问题。因此多数量产产品设计,大多仍采单颗元件方式进行功能整合。

在实际产品应用方面,智能移动电话一般会仅用到三轴设定的传感器而已,一方面手机传感动态的精度要求不高,一方面也是为了压低整体料件成本,而此种等级的MEMS元件较主流、产品良率最高,也相对较耐用,此外,这类三轴MEMS元件的单价也是相对较低的。

如果是要针对性的提升空间传感能力,即产品需导入多轴MEMS元件来强化空间传感性能,一般的作法会改用更多轴的MEMS元件来升级传感效果,目前已有六轴以上MEMS传感器可供选用,该元件可利用多个传感器协同侦测、分析,透过更多环境数据参照提升空间侦测精确度。

对于一般中?低价价格导向产品来说,采行的MEMS元件顶多使用单轴、双轴加速度计或追加三轴数码与模拟元件的MEMS器件,目前MEMS业者也发展出经济型的三轴传感解决方案,透过元件提供的增强特性,或改进的传感元件技术,再加强元件功耗表现改善器件效能。

MEMS技术持续发展,器件尺寸、功耗表现已有突破性进展,例如六轴加速度计具更高效能与准确度,与主流的三轴传感应用有突破性的改良,而三轴应用可能仅能令装置满足基本动作控制、手势指令应用,若升级六轴传感水准,可在侦测精度实现更高复杂度的手势或装置状态传感。


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