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ST在微機電系統(MEMS)產品上的應用

 2011-01-26
相信每個人或多或少都聽過報章雜誌提到微機電

系統

(以下簡稱MEMS: Micro Electronic Mechanical

System

),而意法半導體(STMicroelectronic)在MEMS產品線上,相當的齊全。從最具代表性的加速規(G-sensor),陀螺儀(Gyroscope), 到電子羅盤(E-Compass),應有盡有。其中G-sensor的LIS331DLH和陀螺儀的L3G4200D皆已位列iPad和iPhones4的供應鍊中。
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Accelerometro(加速規, G-sensor)

我們首先介面G-sensor在筆電上的應用,其中最具代表性的料號為LIS33DE和LIS331DLH:

電腦

在儲存方面,相當倚靠硬碟(Hard Drive)。硬碟是標準的機械產品,採用高容量的碟盤和極高的

轉速

運作,時下基本的

轉速

都是7500rpm(每分鐘7500轉)。尤其是現在的

電腦

作業

系統

皆為多工,運作過程中,

作業

系統

隨時隨地會對硬碟做讀寫的動作。如果是桌上型還好,不會經常性的移動。但是筆記本

電腦

,體積小,便於攜帶。相信很多人一定看過,在筆電未闔蓋(或是關機)的情況下,就帶著到處開會。同時很多人也不知道,硬碟並不適合在移動的情況下,做讀寫動作。所以筆電製造商,就是考慮到這一點。假如筆電在感測到移動時,就將硬碟的讀寫頭(Pickup Head)迅速拉離正處於高

轉速

中的碟盤,以避免產生撞擊。筆電如何偵測移動,就是靠G-sensor。G-sensor的G值變化,就可表示目前筆電刻正處於受力的情況。
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前述是G-sensor在筆電運用中較典型的一種。當然,G-sensor不只可以做硬碟保護

功能

。目前時下最流行的平版

電腦

(Tablet PC)亦用來做畫面翻轉(Dispaly Rotation)的依據,賽車遊戲的方向盤旋轉,傾斜偵測...等。

再下來提到Apple已採用的L3G4200D Digital Gyroscope,這是一顆同時有三種量度且可動態

選擇

的數位陀螺儀。量度種類為角

速度

(Angualr Rate)。最重要的

功能

即用來量測旋轉運動。有很多人問是否可以用陀螺儀來取代加速規? 我想利用這個機會澄清一件事,加速規能感測的運動模型是直線運動,而陀螺儀能感測的運動模型是旋轉運動。所以,沒有互相取代的問題,甚至有互補的

功能

。L3G4200D和其他的消費性陀螺儀相較起來,大同小異。最大的賣點就是有兩項: 1. Sleep to Wakeup。2. 可動態

選擇

量度。Sleep to Wakeup最主要的精神在於如果

設計

在消費型電子產品同時又是攜帶型(Handheld

Device

)產品,勢必在功耗上相當的要求。如果產品的角

速度

長時間無任何的變化,幾乎可以確定使用者已將此產品擱置,這時產品就可被設定進入睡眠模式(Sleeping Mode)。在睡眠模式中,當產品偵測出突發性的高

轉速

,這時就可知道使用者已開始使用該產品,陀螺儀就會Wakeup進入一般模式(Active Mode),且透過

中斷

將MCU喚醒,MCU將會陸續將所有周邊元件都喚醒。此法可有效降低非運作模式(Inactive Mode)中的功耗。目前時下最流行的體感遊戲(PS3, Wii等),就是利用陀螺儀的特性,偵測人類的運動模式,同時反映至

電視

螢幕上。
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L3G4200D(陀螺儀)

最後我要介紹的是電子羅盤(E-Compass)。E-Compass實際上是一個磁力感測計。和加速規,陀螺儀一樣有三軸。最主要是量測周遭

環境

磁場

值。輸出單位為高斯(Gauss)。講到這裡,我們從國小的自然課本,就知道地球就是一個大

磁場

,而磁力感測器就是用來偵測

磁場

強度

。目前的地磁是磁力線最多的

磁場

,大約有0.4~0.8高斯。傳統上,磁力感測計須伴隨一G-sensor以用來計算方位角(Azinuth)。LSM303DLH就是根據此須求,同時將磁力感測計+G-sensor作成同一顆。讓開發者不用再去思考磁力感測計和G-sensor如何搭配。免除了硬體上

設計

的困擾。而內含的G-sensor即為前述所提的LIS331DLH。使用上,皆可取得正確的磁北。LSM303DLH同樣適合用手持式

裝置

,Sleeping to Wakeup的

功能

,在此的運用,可說是相得益彰。
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LSM303DLH(E-Compass, 電子羅盤)

綜觀前述,相信未來消費性電子產品加入MEMS的機會,會持續增加,而且MEMS在去年的成長有150%以上,同時價格持續壓低,這代表著市場的高度發展,同時也伴隨軟體開發重要性大增。