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ST在微机电系统(MEMS)产品上的应用

 2011-01-26
相信每个人或多或少都听过报章杂志提到微机电

系统

(以下简称MEMS: Micro Electronic Mechanical

System

),而意法半导体(STMicroelectronic)在MEMS产品线上,相当的齐全。从最具代表性的加速规(G-sensor),陀螺仪(Gyroscope), 到电子罗盘(E-Compass),应有尽有。其中G-sensor的LIS331DLH和陀螺仪的L3G4200D皆已位列iPad和iPhones4的供应炼中。
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Accelerometro(加速規, G-sensor)

我们首先接口G-sensor在笔电上的应用,其中最具代表性的料号为LIS33DE和LIS331DLH: 电脑在储存方面,相当倚靠硬盘(Hard Drive)。硬盘是

标准

的机械产品,采用高容量的碟盘和极高的

转速

运作,时下基本的

转速

都是7500rpm(每分钟7500转)。尤其是现在的电脑

作业

系统

皆为多工,运作过程中,

作业

系统

随时随地会对硬盘做读写的动作。如果是桌上型还好,不会经常性的移动。但是

笔记本电脑

,体积小,便于携带。相信很多人一定看过,在笔电未阖盖(或是关机)的情况下,就带着到处开会。同时很多人也不知道,硬盘并不适合在移动的情况下,做读写动作。所以笔电制造商,就是考虑到这一点。假如笔电在传感到移动时,就将硬盘的读写头(Pickup Head)迅速拉离正处于高

转速

中的碟盘,以避免产生撞击。笔电如何侦测移动,就是靠G-sensor。G-sensor的G值变化,就可表示目前笔电刻正处于受力的情况。
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前述是G-sensor在笔电运用中较典型的一种。当然,G-sensor不只可以做硬盘保护

功能

。目前时下最流行的平版电脑(Tablet PC)亦用来做画面翻转(Dispaly Rotation)的依据,赛车游戏的方向盘旋转,倾斜侦测...等。

再下来提到Apple已采用的L3G4200D Digital Gyroscope,这是一颗同时有三种量度且可动态

选择

的数位陀螺仪。量度种类为角

速度

(Angualr Rate)。最重要的

功能

即用来量测旋转运动。有很多人问是否可以用陀螺仪来取代加速规? 我想利用这个机会澄清一件事,加速规能传感的运动模型是直线运动,而陀螺仪能传感的运动模型是旋转运动。所以,没有互相取代的问题,甚至有互补的

功能

。L3G4200D和其他的消费性陀螺仪相较起来,大同小异。最大的卖点就是有两项: 1. Sleep to Wakeup。2. 可动态

选择

量度。Sleep to Wakeup最主要的精神在于如果设计在消费型电子产品同时又是便携式(Handheld

Device

)产品,势必在功耗上相当的要求。如果产品的角

速度

长时间无任何的变化,几乎可以确定使用者已将此产品搁置,这时产品就可被设定进入睡眠模式(Sleeping Mode)。在睡眠模式中,当产品侦测出突发性的高

转速

,这时就可知道使用者已开始使用该产品,陀螺仪就会Wakeup进入一般模式(Active Mode),且透过

中断

将MCU唤醒,MCU将会陆续将所有周边元件都唤醒。此法可有效降低非运作模式(Inactive Mode)中的功耗。目前时下最流行的体感游戏(PS3, Wii等),就是利用陀螺仪的特性,侦测人类的运动模式,同时反映至电视萤幕上。
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L3G4200D(陀螺儀)

最后我要介绍的是电子罗盘(E-Compass)。E-Compass实际上是一个磁力传感计。和加速规,陀螺仪一样有三轴。最主要是量测周遭

环境

磁场

值。输出单位为高斯(Gauss)。讲到这里,我们从国小的自然课本,就知道地球就是一个大

磁场

,而磁

力传感器

就是用来侦测

磁场

强度

。目前的地磁是磁力线最多的

磁场

,大约有0.4~0.8高斯。传统上,磁力传感计须伴随一G-sensor以用来计算方位角(Azinuth)。LSM303DLH就是根据此须求,同时将磁力传感计+G-sensor作成同一颗。让开发者不用再去思考磁力传感计和G-sensor如何搭配。免除了

硬件

上设计的困扰。而内含的G-sensor即为前述所提的LIS331DLH。使用上,皆可取得正确的磁北。LSM303DLH同样适合用手持式

装置

,Sleeping to Wakeup的

功能

,在此的运用,可说是相得益彰。
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LSM303DLH(E-Compass, 電子羅盤)

综观前述,相信未来消费性电子产品加入MEMS的机会,会持续增加,而且MEMS在去年的成长有150%以上,同时价格持续压低,这代表着市场的高度发展,同时也伴随

软件

开发重要性大增。