全面扫描MEMS动作感测器0408.docx

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全面扫描MEMS动作感测器0408

全面扫描MEMS动作感测器-20140408

全面掃描MEMS動作感測器

上網時間:

 2014年04月08日  打印版  

關鍵字：

MEMS  陀螺儀  加速度計  磁力計  動作感測器 

作者：

趙娟

微機電系統（MEMS）感測器技術成長性看俏，至今已廣泛地被應用於消費性電子產品，如智慧型手機、平板電腦和遊戲機的室內導航與手勢辨識等功能。

其中，推動這一技術的最大功臣無疑是智慧型手機中的動作感測功能──MEMS動作感測器。

這些動作感測控制器可將非電量（如速度、壓力）的變化轉變為電量變化，而不斷創新的技術進展並促進電子設備的動作感知能力越來越智慧化。

根據IHSiSuppli預測，2013年用於智慧型手機和平板電腦的MEMS動作感測器規模約15億美元，年成長率達13%；預計在未來幾年內，該領域將持續兩位數以上的成長速度，在2015年時達到超過22億美元的市場規模。

智慧型手機與平板電腦的MEMS動作感測器市場規模預期

（來源：

IHSiSuppli，2013）

目前常見的MEMS動作感測器包括陀螺儀、加速度計和磁力計等，在動作追蹤與相對方位上，每一種感測器都有各自固有的強項和弱點，但透過融合的多軸感測器組合、整合壓力感測器/處理器/射頻（RF）單元等方式，測試精確度的發展正日新月異。

實現準確的感測器資料

儘管有些手勢感測控制技術已經成功地應用於一些智慧型行動裝置上，但使用者對於更直覺、更高精確度以及更有效率的人機介面的需求，正驅動著技術不停地往前進。

因此，如何獲取準確的感測器資料以現高效率作業，一直是工程師在系統設計時所面臨的一大挑戰。

針對此挑戰，博世公司（BoschSensortec）指出，實現準確的感測器資料，必須注意不同階段的設備設計：

“階段一是感測器硬體和軟體共同設計階段，在此階段我們定義了最佳化的初始參數，例如雜訊和補償；第二階段是系統軟體層次，提供最佳化的感測器資料融合庫（BSX）；第三階段是支援客戶系統建置，例如針對磁力計整合等，必須能為客戶的PCB提供亥姆霍茲線圈（Helmholtzcoil）測量。

”要實現最佳化的感測器性能，感測器和軟體必須恰當匹配，同時，感測器供應商也必須能夠有效支援OEM端感測器硬體和軟體的建置。

博世公司第3代FusionLib感測器融合軟體（BSX）架構

（來源：

博世公司）

針對工程師提出“感測器資料不準確”的疑惑，Kionix中國區總經理鄧川軍指出，感測器資料不準確這個說法不太正確，因為感測器會如實地匯報原始資料，“但如何準確地使用原始資料去聯繫所需的應用，這就需要採用高效的演算法。

”

為此，Kionix已在矽谷建立一支專門的研發團隊，從事演算法和應用的開發，以便為客戶提供較好的使用者體驗，鄧川軍表示。

例如，Kionix為加速度計提供的嵌入式演算法包括輕擊檢測、螢幕旋轉、手勢辨識以及活動監測等。

”

應美盛公司（InvenSense）也是如此，不僅為旗下所有產品中提供“自我校正輸出”功能，以持續提供高性能檢測，同時也針對具體應用提供一些自動活動辨識（AAR）軟體庫，例如在其產品ICM-20655中的AAR就能為檢測步行、跑步、自行車、靜止和睡眠等不同狀態的腕帶或其他可穿戴式產品提供永不斷訊（Always-On）的檢測功能。

“感測器的資料準確度除了受制於元件本身之外，還涉及焊接和裝配後的校正，以及針對不同應用的合適選型和配套的演算法。

”美商亞德諾公司（ADI）微機械產品線資深應用工程師趙延輝指出，該公司在提高產品本身精確度的同時，也會對客戶提供良好的技術支援，從而協助系統設計者獲得滿意的系統精度。

“我們提供給客戶的MEMS感測器硬體/軟體都是做好的產品，通過嚴格的出廠測試校準。

”意法半導體（ST）MEMS和感測器市場經理許永剛指出，“我們甚至還提供了PCB設計指導。

”

演算法：

多軸感測器融合關鍵

每一種MEMS動作感測器都有自身的優點和缺點，要達到精益求精的感測器資料，除了感測器本身的精確度之外，透過先進的感測器融合軟體將來自各種感測器的輸入結合在一起，產生一個更加精確的運動檢測結果至關重要。

感測器融合軟體將來自多種感測器的資料加以融合，彌補了單一感測器在計算準確位置和方向時的不足，從而實現高精確度的動作檢測，為手機、導航系統、遊戲機等應用創造更多新機會。

此外，整合的趨勢減少了電路板的整體空間和總成本，為實現更多輕巧可攜的電子設備/穿戴式產品帶來無限可能。

感測器類型及其優缺點

“我們的獨特之處在於融合軟體BSX都是自行開發的，這意味著不同方案可透過硬體和軟體的協同設計完美匹配，”博世公司表示。

此外，其軟體是基於混合感測器資料融合方法，這意味著緊密感測器耦合與鬆散感測器耦合能平行使用，這種方法的優點是在感測器資料處理能力（功耗）和整體感知準確性之間的最佳折衷。

飛思卡爾（Freescale）市場經理高小龍表示，情境感知的廣泛需求促使感測器廠商不單只提供硬體晶片，而且能夠針對客戶的應用需求提供更加豐富的軟體方案與演算法。

飛思卡爾能夠免費提供6/9/10軸的感測器資料融合演算法與相關軟體，為系統廠商帶來豐富、準確的軟體介面，協助開發更多的客製化應用。

意法半導體的iNEMO引擎則是基於卡爾曼濾波器（KalmanFilter）理論，採用一套自我調整預測和濾波演算法，能夠辨識由加速度計、陀螺儀、羅盤以及壓力感測器組成的多個感測器輸入資訊，並可自動修正感測器的測量失真、錯誤以及干擾，從而大幅提升用戶體驗以及感測精確度、解析度、穩定性和回應時間。

意法半導體的iNEMO引擎感測器融合套件

（來源：

意法半導體）

如何有效地利用感測器的原始資料去描述運動狀態，這涉及了資料的融合，鄧川軍指出，“例如Kionix的6軸電子羅盤裝置KMX61安裝有自動校準軟體演算法，在兼具加速度計和磁力計性能的前提下，可以擁有軟陀螺儀的功能，大幅地減少了成本和功耗，而功耗僅為550uA。

”行動設備中的許多應用需要得益於陀螺儀功能，但不需要傳統陀螺儀的極致表現，選擇這種方案就非常合適。

這種透過軟體演算法，以6軸產品實現9軸功能的方案，博世公司認為是非常有用的，“博世在OEM端第一次使用這種方案是在2011年，採用的是6軸電子羅盤（3軸加速度計+3軸磁感測器）BMC050。

現在有許多OEM廠商都採用這種方式，“磁力陀螺儀功能是一項標準功能，但博世在2年多前就在感測器資料融合庫BSX提供。

”

這種方案帶給用戶最大的好處就是功耗和成本的降低，但它也有一定的局限性，趙延輝指出，“例如磁感測器非常易於受到干擾。

”高小龍也認為，如果使用電子羅盤+加速計類比陀螺儀，在回應速度和使用者體驗上會有明顯的差距。

為不同應用選擇合適的感測器與恰當的性能很重要，InvenSense行銷及業務開發副總裁AliFoughi持類似觀點，“例如使用羅盤+加速度計作為一個軟陀螺儀就不是一個好主意。

這是因為陀螺儀的優勢是為運動追蹤提供精確度與速度，而軟陀螺儀則被證實速度慢而且容易有誤差。

事實上室內的磁場干擾會使得軟陀螺儀無法使用。

”

專用MCU執行感測器資料融合

我們看到一個明確的趨勢，那就是在智慧型手機中採用感測器中樞（以MCU執行感測器資料融合）。

“背後的原因是，現在的感測器總是開機狀態，應用處理器執行的感測器資料融合演算法需要大量功耗。

”博世公司指出，“目前的解決方案主要是使用獨立微控制器和感測器組合介面。

BSX感測器資料融合軟體可為所有主流MCU廠商提供解決方案。

此外，博世還提供整合的9軸感測器解決方案HubBNO055，整合了基於ARMCortexM0+的微控制器，並預載了BSX。

這是首款單一封裝且真正的隨插即用的9軸感測器資料融合解決方案。

”

除了智慧型手機中採用感測器中樞，趙延輝認為，在其他領域中，如果在MCU中整合MEMS感測器的系統校正和處理演算法，將會為客戶節省建立硬體的許多時間，甚至是軟體開發的時間，如ADI的iSensor系列產品ADIS16209、ADIS16229和ADIS16488A等。

高小龍認為，多軸MEMS與MCU結合很快地將成為市場的主流，大幅應用在智慧型手機的感測器中樞及可穿戴產品。

飛思卡爾最近推出的可穿戴式產品解決方案包括專業計步器MMA9553，以及MMA95000（MCU+加速度）。

主流的MEMS感測器解決方案

業界對於整體感測器方案的簡化需求推動了目前多軸MEMS的發展。

博世公司認為，目前主流的方案是6軸電子羅盤（加速度計+磁強計封裝在一起）和慣性感測器IMU（加速度計+陀螺儀封裝在一起）。

電子羅盤組合主要應用於中/低階智慧型手機以及廣泛的配件中，IMU主要用於高階智慧型手機和人機介面（HMI）設備，而像9軸元件BMX055等則主要用於平板電腦和配件。

此外，9軸設備市場將在未來進一步成長，而其解決方案將小會於3x3mm，從而能夠整合於智慧型手機中。

同樣地，高小龍也認為，陀螺儀與加速計的整合方案將在中國市場迎來爆發式成長，而9軸組合的需求成長可能要到下半年。

他指出，在中高度整合手機上，6+3的方案將更具有優勢。

至於對MEMS感測器與RF的整合需求則主要來自於可穿戴式產品，大規模的成長可能要到明年年初。

同樣地，Foughi也認同可穿戴式市場的快速成長以及其對尺寸空間的限制，將對於9軸感測器帶來巨大的市場需求，“事實上，目前已經有很多客戶對我們的9軸解決方案十分感興趣。

”

Invensense在不久前還推出一款7軸方案ICM-20728，整合一個壓力感測器和加速度計、陀螺儀和數位動作處理器（DMP）。

透過提供絕對和相對高度變化，整合的壓力感測器使3D戶外/室內3D導航實現永不斷訊的定位功能，並能對健康和健身應用提供更準確的能量消耗記錄與追蹤。

面對成本帶來的壓力，各家廠商的因應方式也不一樣。

博世公司認為，想要因應成本挑戰，一般標準的反應就是透過減少元件尺寸以及提高元件整合度，從而降低元件成本。

但事實上，縮小元件尺寸以及提高整合到超過一定程度時將會犧牲整體感測器性能，導致業界尋求其他的新方案。

OEM廠商開始考慮其感測器解決方案的TCO（總持有成本）。

隨著感測器解決方案整合度的增加，TTM和NRE佔去TCO的很大一部分。

博世公司正試圖透過提供隨插即用（plug&play）型的感測器解決方案來克服這項挑戰。

趙延輝表示，“目前MEMS動作感測器在消費類應用中的利潤已經非常低了。

ADI著重於進行產品差異化，以確保一定的利潤，例如更低功耗的MEMS加速度計ADXL362，以及寬廣溫度範圍的MEMS加速度計ADXL206，以及高階工業應用的IMU等。

”

業界主要的動作感測器解決方案