Mniejsze i wydajniejsze MEMS do urządzeń przenośnych nowej generacji

Producenci półprzewodników oraz czołowe jednostki badawcze inwestują w rozwój sensorów do pomiaru ruchu, które mają charakteryzować się kluczowymi zaletami technologii MEMS - małym kosztem i wymiarami. Akcelerometry oraz żyroskopy MEMS należą do gwałtownie rosnących rynków. Według analityków z Yole Développement, całkowita wartość tych branż osiągnie 3 mld dol. w 2013 roku. Natomiast w roku 2008 były one warte 1,85 mld dol., gdy na świecie wyprodukowano około 860 mln akcelerometrów i żyroskopów MEMS. Według iSuppli, rynek MEMS wzrośnie do 8,3 mld dol. w 2010 roku z 5,6 mld dol. w roku 2006, jednak analiza ta, oprócz sensorów ruchu, uwzględnia również wiele innych typów tych elementów.

Elektronika użytkowa napędza rynek

Rynek elektroniki konsumenckiej stanowi główną siłę napędową dla MEMS. Chociaż dominujące w sprzedaży są wciąż aplikacje elektroniki motoryzacyjnej, takie jak poduszki powietrzne, elektroniczna stabilizacja toru jazdy oraz ciśnienie w oponach, przewiduje się, że sektor konsumencki dogoni rynek motoryzacyjny już w 2012 roku. Do innych rozwijających się aplikacji należą medyczne urządzenia domowe oraz aplikacje wojskowe i przemysłowe.

Istnieje też duże zapotrzebowanie na akcelerometry MEMS o niskim poborze mocy do takich urządzeń elektroniki konsumenckiej, jak telefony komórkowe, małe przyrządy, gry wideo, piloty do zdalnego sterowania, smartbooki, przenośne urządzenia z dostępem do Internetu oraz urządzenia nawigacyjne. Wymieniony sprzęt często zawiera więcej niż jeden akcelerometr, co dodatkowo wpływa na wzrost popytu, a ceny wieloosiowych akcelerometrów spadły w hurcie poniżej jednego dolara za układ.

Rys. 1. Obroty rynku akcelerometrów i żyroskopów MEMS wg Yole Développement

Według iSuppli, pomimo cięć w wydatkach konsumentów na podstawową elektronikę i urządzenia mobilne, sprzedaż MEMS do telefonów komórkowych oraz urządzeniach użytkowych w dalszym ciągu kwitnie. Sukces sensorów tego typu jest napędzany przez wiele czynników, w tym zapotrzebowanie na bazujące na ruchu intuicyjne interfejsy urządzeń mobilnych zawierające rozpoznawanie gestów, orientacji, jednokrotnego i dwukrotnego dotyku, swobodnego spadania czy wstrząsu.

Odpowiedzią producentów akcelerometrów MEMS są układy zawierające, oprócz elementu sensorycznego, większą liczbę obwodów przetwarzania sygnału i algorytmy programowe, które pozwalają projektantom na większą elastyczność w implementowaniu dowolnej kombinacji wymienionych cech z jeszcze lepszą dokładnością niż dotychczas. Według opracowań Freescale Semiconductor, w 2007 roku jedynie 3% telefonów komórkowych zawierało akcelerometry. Jednak przewiduje się, że udział ten w 2010 roku przekroczył już 33%.

Przykładowe produkty

Jednym z przykładów czujników jest produkowany przez Freescale 3-osiowy akcelerometr MEMS małej mocy - MMA8450Q. Zawiera mikroprocesor i.MX bazujący na rdzeniu ARM, pamięć na dane pochodzące z trzech osi, filtry cyfrowe oraz ma wbudowane algorytmy wykrywania kierunku, jednokrotnego i dwukrotnego dotyku, swobodnego spadania czy wstrząsu. Układ ma wymiary 3×3×1mm, 12-bitowe wyjście cyfrowe i dokonuje pomiaru przyspieszeń w zakresach ±2g, ±4g i ±8g.

Pobór prądu jest na poziomie 27-100μA przy zasilaniu 1,71-1,89V, w zależności od szybkości odczytu danych. Są też dwa programowalne piny i osiem źródeł przerwań. Inne czujniki to na przykład 3-osiowy KXTE9 firmy Kionix - ma wbudowane algorytmy monitorowania kierunku i aktywności i jest dostępny w obudowie LGA o wymiarach 3×3×0,98mm. Pracuje przy napięciach 1,8-3,6V oraz pobiera jedynie 30μA. Podobną funkcjonalność ma CMA3000 VTI Technologies pobierający 10μA przy 1,8V w obudowie 2×2×0,98mm i układy STMicroelectronics z rodziny LIS3D× Femto.

W obu przypadkach częstotliwość odczytu może sięgać 100Hz, dla niższych wartości pobierany prąd jest mniejszy, np. dla 25Hz 4μA, a dla kilku herców - 2μA. Układy ST zawierają pamięć FIFO, interfejsy SPI oraz I²C, potrafi ą wykrywać pojedyncze i podwójne dotknięcia, pracują w trybie 4D/6D, a zakresy mierzonych przyspieszeń wynoszą ±2g, ±4g i ±8g. Akcelerometr firmy Bosch Sensortec BMA220 ma takie same wymiary jak produkty konkurencji (2×2×0,98mm), ale jego zakres pomiarowy sięga ±16g. Układ pobiera 250μA przy 1,8V w trybie pełnej funkcjonalności, lecz prąd spada do jedynie 10μA przy wolniejszych odczytach.

Czujnik jest w pełni programowalny, umożliwia wykrywanie pojedynczego i podwójnego dotyku, przerwania, wstrząsu, ma rozróżnianie dużego lub małego przyspieszenia, zawiera funkcję auto-wake oraz interfejsy I²C oraz SPI. Akcelerometr ten może także pracować w trybie we/wy jako samodzielne urządzenie, bez potrzeby stosowania mikrokontrolera. Z kolei Analog Devices jest pierwszą firmą, która wprowadziła na rynek monolityczny płaski 3-osiowy akcelerometr MEMS, zaprojektowany do poduszek powietrznych. ADXL346 pobiera 1μA w trybie standby oraz 35μA w trybie pełnej funkcjonalności.

Cechą odróżniającą ten 13-bitowy akcelerometr od innych jest możliwość zwiększenia rozdzielczości w każdym z dostępnych zakresów przyspieszeń (±2g, ±4g, ±8g i ±16g) o 4mg/ LSB. Czujnik ten zawiera smartphone Blackberry Storm 2. Firma Memsic w swoim akcelerometrze MXP7205VW/VF wykorzystuje do pomiaru przyspieszenia zjawisko wymiany ciepła.

Urządzenie może wytrzymać wstrząs do 50 tys. g, a jego dokładność pomiaru zera wynosi ±30 mg dla zakresu temperatur od -40°C do 105°C, co jest ważną cechą w aplikacjach elektronicznej stabilizacji toru pojazdu (ESC). Znaczącym wkładem Hewlett-Packard w branżę MEMS jest ultraczuły akcelerometr bezwładnościowy. Zapewnia gęstość szumów na nieprzekraczalnym poziomie 100 ng√Hz oraz ma 130-decybelowy zakres dynamiczny, co pozwala znacznie poprawić jakość danych, dzięki wykorzystaniu dużej masy pomiarowej. Główną aplikacją dla sensora jest monitorowanie stanu nawierzchni dróg, dlatego produkt ten nie jest oferowany komercyjne.

Żyroskopy również zyskują

Głównymi producentami żyroskopów MEMS na rynek elektroniki użytkowej są InvenSense, STMicroelectronics oraz VTI Technologies. Do czołowych producentów zalicza się również Honeywell, jednak większość jego układów jest wykorzystywana w aplikacjach przemysłowych, wojskowych oraz lotniczych i kosmicznych. InvenSense, będący według iSuppli jednym z czołowych dostawców żyroskopów MEMS do przetwarzania ruchu w urządzeniach elektroniki konsumenckiej, wprowadził na rynek nową rodzinę 3-osiowych żyroskopów MPU-3000. Zawierają one sprzętowy akcelerator w postaci wbudowanego cyfrowego procesora ruchu oraz pozwalają na całościowe przetwarzanie ruchu od 250°/s do ponad 2000°/s.

Do ich cech można zaliczyć wbudowane 16-bitowe przetworniki A/C, programowalne filtry cyfrowe, fabrycznie kalibrowaną czułość na poziomie 1%, możliwość uzyskania 6-osiowego wyjścia po połączeniu z akcelerometrem oraz pobór mocy na poziomie 13mW. MPU-3000 dostępne są w obudowach 4×4×0,9mm oraz zawierają interfejsy SPI oraz I²C. VTI Technologies rozpoczął produkcję przeznaczonego do aplikacji przemysłowych hybrydowego układu MEMS składającego się z żyroskopu i akcelerometru. SCC1300-D02 zawiera 1-osiowy żyroskop o zakresie ±100°/s oraz 3-osiowy akcelerometr o zakresie ±2g. Wersja D04 składa się z żyroskopu o zakresie ±300°/s oraz 3-osiowego akcelerometru o zakresie ±6g, które znajdują się w obudowie 18,6×8,5×4,53mm.

Część żyroskopowa jest kompensowana temperaturowo w całym zakresie temperatur od -40°C do 125°C. Stabilność urządzenia to 1°/h, a dokładność w całym zakresie temperatur operacyjnych wynosi ±0,6°/s. Pod koniec 2009 roku STMicroelectronics dokonał integracji 3-osiowego cyfrowego akcelerometru z 2-osiowym analogowym żyroskopem. Układ LSM320HAY30 składa się z akcelerometru z wybieranym przez użytkownika zakresem mierzonych przyspieszeń (±2g, ±4g i ±8g) oraz żyroskopu, który mierzy prędkość kątową w zakresie od 30°/s do 600°/s w osi Y i Z (pochylenie i odchylenie).

Urządzenie ma dwa wyjścia dla każdej osi: niewzmocnione dla wolnego ruchu oraz wzmocnione 4-krotnie dla bardzo szybkich ruchów. Moduł pracuje w napięciach od 2,7V do 3,6V oraz zawiera opcję autotestowania. Innym ciekawym produktem firmy jest tani 3-osiowy żyroskop MEMS - LYPR540AH, dla elektroniki użytkowej. Układ w pełnym 360-stopniowym zakresie mierzy prędkości kątowe wzdłuż trzech prostopadłych osi i jest przeznaczony do rozpoznawania gestów i ruchu. Żyroskop ma dwa wyjścia pracujące w tym samym czasie dla każdej z trzech osi: o zakresie 400°/s dla dokładnego pomiaru wolnego ruchu oraz o zakresie 1600°/s do wykrywania bardzo szybkich gestów i ruchów i jest dostępny w obudowie o wymiarach 4,4×7,5×1,1mm.

Kolejny żyroskop STM L3G200D zwiększa realizm wykrywania ruchu w telefonach komórkowych i konsolach do gier. Zawiera pojedynczą strukturę sensoryczną do pomiaru ruchu wzdłuż trzech prostopadłych osi, co - według firmy - zwiększa dokładność i niezawodność w stosunku do żyroskopów zawierających dwu- i trzyosiowe struktury. Dostępny jest w obudowie o wymiarach 4×4×1mm i zapewnia programowalny zakres pomiarowy od ±250°/s do ±2000°/s oraz ma 16-bitowe wyjście danych.

Prace badawcze i modułowe MEMS-y

STMicroelectronics jest jednym z sześciu podmiotów uczestniczących w finansowanym przez Unię Europejską projekcie budowy mikroskopijnego żyroskopu David, który skupia się na bezwładnościowych systemach sensorycznych. Celem projektu jest uzyskanie bardzo wysokich gęstości upakowania elementów przy hybrydowej integracji MEMS-a z ASIC-iem. Komisja Europejska w ramach 6. Programu Ramowego wsparła projekt kwotą 2,8 mln euro, a udział w nim biorą również niemiecki Fraunhofer Institute of Technology, austriacki Datacon Technology, holenderski Fico, włoski Saes Getters oraz Politechnika Wrocławska.

STMicroelectronics wyprzedza także konkurentów w kwestii rozwoju relatywnie tanich inercyjnych układów pomiarowych (IMU) o budowie modułowej do elektroniki konsumenckiej oraz przenośnych urządzeń medycznych. Jego układ iNemo v2 integruje pięć czujników STMicro oraz 32-bitowy mikrokontroler. Czujniki znajdujące się w układzie to: dwuosiowy żyroskop mierzący pochylenie i przechylenie (X, Y), jednoosiowy żyroskop mierzący odchylenie (Z), 6-osiowy moduł geomagnetyczny, czujnik ciśnienia oraz czujnik temperatury.

Również Analog Devices z sukcesem produkuje modułowe IMU do aplikacji przemysłowych, wojskowych oraz kosmicznych i lotniczych z wykorzystaniem swojej technologii iMEMS. Takie produkty, jak ADS16350/54/55, zapewniają wykrywanie ruchu o sześciu stopniach swobody. Według przedstawicieli firmy, IMU są urządzeniami, których kluczową cechą jest wysoka wydajność wymagana w branży przemysłowej i wojskowej, zatem są z reguły drogie i nie można ich znaleźć w typowych obudowach układów scalonych.

Według analityków z Roger Grace Associates, dostawcy produktów bezwładnościowych, szczególnie akcelerometrów, obecnie bardzo starają się zróżnicować swoje produkty, dodając nowe funkcje w postaci głównie algorytmów programowych. Trend polega na dodawaniu funkcjonalności do oddzielnych układów, szczególnie ASIC, które są z reguły połączone ze strukturą MEMS. Według analityków, podejście systemowe do poprawy funkcjonalności, szczególnie poprzez zaawansowanie montażu, będzie w najbliższym czasie główną techniką służącą zróżnicowaniu produktów.

Grzegorz Michałowski