Fabio Pasolini, STMicroelectronics
Digi-Key
МЭМС (Микроэлектромеханические системы) акселерометры нашли широкое применение в мобильных телефонах, игровых консолях и устройствах определения местоположения. МЭМС гироскопы и геомагнитные сенсоры смогут вывести эти устройства на совершенно новый уровень.
По данным аналитической компании iSuppli, потребительский рынок МЭМС в 2010 году вырос на 27% ($1.6 млрд.), и прогнозируемый доход от этих приборов в 2014 году составит $3.7 млрд. Постоянно растущий спрос на МЭМС со стороны рынка мобильных и потребительских устройств стимулирует расширение этого сектора, который, как ожидается, станет крупнейшим сегментом МЭМС в 2014 году.
МЭМС датчики стали ключевыми строительными блоками для реализации принципиально новых приложений в потребительских приборах. В последние годы датчики малых ускорений изменили облик множества устройств, от игровых приставок до мобильных телефонов, и от ноутбуков до бытовой техники, сделав возможной реализацию в них активируемых движением пользовательских интерфейсов и расширенных защитных функций. Теперь настала очередь МЭМС гироскопов и геомагнитных датчиков, использование которых может открыть новые возможности приложений и сделать их более привлекательными.
О технологии МЭМС акселерометров, измеряющих линейные ускорения, написано уже очень много. Поэтому в этой статье мы коснемся их лишь поверхностно, сосредоточившись на более подробном рассмотрении МЭМС гироскопов, геомагнитных датчиков и других устройств, способных обеспечить приложениям несколько степеней свободы.
МЭМС гироскопы
Способность этих гироскопов измерять угловые скорости вокруг одной или нескольких осей представляет собой естественное дополнение к МЕМС акселерометрам. Благодаря комбинации акселерометров и гироскопов появляется возможность отследить и зафиксировать движение в трехмерном пространстве. Это позволяет системным разработчикам создавать более совершенные пользовательские интерфейсы, высокоточные навигационные системы и многое другое.
Выпустив в последнее время более 30 различных типов гироскопов, имеющих высокую точность, малое потребление тока и компактный корпус, компания STMicroelectronics продолжает стремительное наступление на рынок МЭМС. Сердце гироскопов компании STMicroelectronics представляет собой микроэлектронный механический элемент, работающий по принципу камертона и использующий эффект Кориолиса для преобразования угловой скорости в перемещение специальной чувствительной структуры.
 |
|
| Рисунок 1. | Одноосевой курсовой (yaw) МЭМС гироскоп. |
Рассмотрим, например, простой вариант одноосевого курсового (yaw) гироскопа (см. Рисунок 1). Две подвижные массы находятся в непрерывном движении в противоположных направлениях, обозначенных синими стрелками. Как только произойдет изменение угловой скорости, сила Кориолиса, показанная желтыми стрелками, будет действовать в перпендикулярном направлении, и вызовет смещение масс, пропорциональное величине угловой скорости. Так как движущиеся электроды (роторы) сенсорной части датчика расположены рядом с фиксированными электродами (статоры), то любое смещение будет вызывать изменение электрической емкости конденсаторов, образованных статорами и роторами. Таким образом, осуществляется преобразование угловой скорости гироскопа в электрический параметр, величина которого детектируется специализированной схемой.
На основе разработанной STMicroelectronics МЭМС технологии выпущено уже более 600 миллионов акселерометров. Это указывает пользователям на правильность принятого в свое время технического решения, гарантирующего им возможность применения современной и надежной продукции непосредственно в конечных приложениях. По сравнению с другими гироскопами дифференциальный характер используемых STMicroelectronics камертонов делает систему нечувствительной к нежелательному линейному ускорению и случайной вибрации, воздействующей на сенсор. При наличии таких воздействий обе массы датчика будут смещаться в одном направлении, в результате чего за счет дифференциального включения будет регистрироваться нулевое результирующее изменение общей емкости.
 |
|
| Рисунок 2. | Блок-схема одноосевого курсового (yaw) гироскопа. |
Схему преобразования и нормирования сигнала, используемую в гироскопе, можно рассматривать как сочетание секции управления двигателем и воспринимающей части акселерометра (Рисунок 2).
- Секция управления предназначена для возбуждения механического элемента, вызывающего его колебания вперед и назад с помощью электростатического привода (актуатора).
- Воспринимающая часть определяет смещение масс, вызываемого силой Кориолиса, посредством измерения емкости. Это надежная и отработанная технология, используемая во всех МЭМС продуктах компании. Схема датчика формирует аналоговый или цифровой выходной сигнал, пропорциональный угловой скорости приобретенной датчиком.
Усовершенствованные функции снижения потребляемой мощности, встроенные в схему управления гироскопом, позволяют отключать датчик при бездействии. С другой стороны, датчик может находиться в спящем режиме, когда общее потребление гироскопа значительно уменьшается по сравнению с нормальным режимом работы, и, в тоже время, по команде пользователя немедленно переключаться в активный режим для измерения угловых скоростей.
Так же как и МЭМС акселерометры, МЭМС гироскопы STMicroelectronics представляют собой систему-в-корпусе (system-in-package – SIP) – механический элемент датчика и специализированная схема преобразования сигналов изготовлены на разных кристаллах и помещены в один корпус. Передовые конструкторские решения в совокупности с усовершенствованным корпусом позволили значительно уменьшить габаритные размеры датчика. Многоосевые МЭМС гироскопы выпускаются в корпусе размерами 3 × 5 мм с максимальной толщиной 1 мм (Рисунок 3), сохраняя при этом стабильность и обеспечивая высокие рабочие характеристики конечного устройства в течение всего срока службы.
 |
|
| Рисунок 3. | Многоосевые гироскопы STMicroelectronics в ультракомпактном корпусе LGA. |
Компания предлагает широкий ассортимент МЭМС гироскопов, от одно- до трехосевых, с диапазонами измерений от 30 до 6000 градусов в секунду. Такой выбор и характеристики МЭМС гироскопов дают разработчикам возможность реализации различных приложений, от систем стабилизации изображения до игровых устройств, устройств позиционирования и робототехники.
Аналогично тому, как это произошло с акселерометрами, появление 3-осевых МЭМС гироскопов предоставило возможность интегрировать современные человеко-машинные интерфейсы в мобильные телефоны, игровые консоли и другие приложения.
Не только движение
Теперь в потребительские устройства пробивает себе дорогу новый класс приборов – геомагнитные датчики. Способные измерять магнитное поле земли по нескольким осям, эти устройства позволяют расширить навигационные функции портативных устройств.
Так же как и для датчиков движения, основным и самым быстрорастущим рынком для геомагнитных датчиков стал рынок мобильных телефонов и потребительской электроники. В 2009 году было зафиксировано 10-кратное увеличение поставок электронных компасов. По данным компании iSuppli поставки этих устройств в 2013 году увеличатся до 540 миллионов единиц, а прогнозируемый совокупный темп годового роста составит 129%.
Среди различных способов изготовления кремниевых магнитных датчиков все шире используется AMR (анизотропная магнитно-резистивная) технология. Это связано с ее способностью сочетать высокое пространственное разрешение и высокую точность измерений с низким энергопотреблением, что исключительно важно для устройств с батарейным питанием. Принцип работы таких датчиков основан на изменении сопротивления тонкой полоски ферромагнитного материала под действием внешнего магнитного поля, перпендикулярного направлению тока, проходящего по этой полоске. Чувствительный элемент датчика, как правило, имеет конфигурацию моста Уитстона, как изображено на Рисунке 4, и состоит из магниторезисторов, имеющих в состоянии покоя одинаковое сопротивление R. Во время измерения на мост подается напряжение Vb, и через резисторы начинает протекать ток. Всякий раз, при воздействии на измерительный мост магнитного поля H, вектор намагниченности в двух противоположно расположенных резисторах моста смещается по направлению тока, что вызывает увеличение их сопротивления. В оставшихся двух противоположно расположенных резисторах моста вектор намагниченности смещается против направления тока, в результате сопротивление их уменьшается. Таким образом, в линейном диапазоне выход датчика пропорционален приложенному магнитному полю.
 |
|
| Рисунок 4. | Упрощенная функциональная схема магниторезистивного преобразователя. |
Мобильные телефоны давно стали самой активной сферой потребления датчиков, и установка в них магнитометров в сочетании с акселерометрами для реализации компасов с компенсацией наклона представляется все более заманчивой. Примером такого устройства, имеющего шесть степеней свободы, является производимая компанией STMicroelectronics микросхема цифрового MЭMC компаса LSM303DLH. В микросхеме, выпускаемой в компактном корпусе LGA, объединены высокоэффективный 3-осевой акселерометр и 3-осевой магнитометр повышенной точности (Рисунок 5). Подсистема магнитометра содержит дополнительные токопроводящие дорожки, позволяющие электрически управлять полярностью выходного напряжения и создавать поле смещения для компенсации внешних магнитных полей.
 |
|
| Рисунок 5. | 3-осевой акселерометр и 3-осевой магнитометр LSM303DLH в компактном корпусе LGA. |
LSM303DLH обеспечивает высокоточное трехмерное измерение магнитных полей внутри зданий, автомобилей, а также на высоких широтах в США, Канаде и Северной Европе (и, разумеется, в России), где магнитное склонение поля Земли трудно измерять с помощью датчиков Холла. В сочетании с программными драйверами для считывания результатов измерений, автокалибровки и компенсации магнитных помех, доступными для многих популярных мобильных операционных систем, датчик LMS303DLH с 6 степенями свободы предоставляет разработчикам мощный инструмент для реализации навигационных функций.
В целом, сбалансированное сочетание данных, получаемых от акселерометра, гироскопа и магнитометра, совместно обрабатываемых с помощью специфических программных средств, способствует внедрению таких передовых приложений, как сервисы определения местоположения, счисление пути пешеходов, игры с поддержкой расширенного управления посредством движений. При совместном использовании датчиков применяется набор адаптивных алгоритмов, способных интеллектуально объединять информацию, поступающую от различных сенсоров, для достижения лучшей системной производительности с точки зрения точности, разрешающей способности, стабильности и времени ответа. Это позволяет, например, разрабатывать надежные GPS системы, способные выполнять навигационные функции даже там, где сигналы от спутников слабы или вовсе отсутствуют, прежде всего, в городских каньонах и в метро. В ближайшем будущем, объединение данных от GPS с дополнительными метаданными, поставляемыми сервис провайдерами, и отображение их на экране мобильного телефона, предоставит пользователям множество дополнительных удобств, основанных на определении местоположения. Пользователи смогут получать информацию о магазинах, расположенных в торговом центре, о направлении, в котором находятся прилавки с интересующими их товарами, а также о специальных торговых акциях, таких, скажем, как распродажи. Подобные приложения уже появляются, и примером может служить мобильный браузер расширенной реальности Layar, доступный в Нидерландах для мобильных телефонов на Android. Комбинированные микросхемы с акселерометром, гироскопом и магнитометром преобразят рынок недорогих игрушек, где захват движения позволит реализовать интерактивные игры и веб-присутствие, даже для самых маленьких. Вскоре дети смогут играть с виртуальными куклами и персонажами не с помощью кнопок и клавиатуры, а с помощью естественных движений, и даже поделиться своей игровой активностью с друзьями из интернет-сообщества.
Заключение
Недавно появившиеся крошечные, надежные и дешевые МЭМС гироскопы и магнитометры вместе со специальным ПО позволят расширить функции отслеживания и захвата движений, что приведет к созданию более захватывающих и реалистичных пользовательских интерфейсов во многих потребительских устройствах. Компания STMicroelectronics имеет все эти устройства в своем портфеле датчиков.
Недавно компания расширила номенклатуру МЭМС компонентов, выпустив микрофоны и датчики давления. МЭМС микрофоны (Рисунок 6) позволят создавать более компактные, легкие и тонкие мобильные телефоны и другие портативные устройства, с лучшей направленностью, высоким качеством звука и надежным шумоподавлением. С помощью МЭМС датчиков давления (Рисунок 7) потребительские устройства смогут измерять атмосферное давление и/или указывать точное местоположение во всех трех измерениях.
 |
 |
||||
| Рисунок 6. | МЭМС микрофон MP45DT01. | Рисунок 7. | МЭМС датчик давления LPS001WP. | ||
