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数码产品中不断发展的运动传感技术 |
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作者： 来源：电子工程专辑 |
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目前，用于移动和游戏设备的运动传感技术种类繁多，范围从红外传感器和惯性传感器到集成了加速计和陀螺仪的多功能器件。多亏了任天堂的Wii和苹果的iPhone，以及众多设计师的无限创意，MEMS传感技术才能使大量创新应用成为可能。
Bourne Research公司总裁兼首席分析师Marlene Bourne表，虽然现在最为广泛使用的传感器是简单的红外线传感器(并非基于MEMS)，但由于在Wii和苹果iPhone中的应用，MEMS加速计已经引起了人们的广泛关注。
不过，在今天的主流应用中，MEMS传感器仍缺乏足够的推动力。
Bourne认为，对于MEMS传感器的推广来说，仅注重技术创新还不够，而且小尺寸和低价格也不是当前的重点。她指出，MEMS供应商已经在上述三个方面取得进展，但是最为重要的问题仍然悬则未决：MEMS传感器的附加值体现在哪里？“早期的使用者将MEMS传感器集成进其产品中，但是这些产品并不属于大众市场，而只有进入主流市场才能最终促进MEMS传感器的发展。不过，我认为短期内这不太可能发生。”Bournce表示。
要想充分发挥该技术的功能，当前仍有大量工作要做。
举例来说，索尼的Sixaxis控制器所使用的惯性测量单元(IMU)就集成了一个加速计和一个陀螺仪，可以实现六自由度的移动。但Bournce认为，索尼的控制器仍然基于玩家的双手操作，它还不能像Wii那样充分发挥MEMS传感功能优势。
另外还有来自现低端手机的竞争，这些手机使用了GestureTek等公司的软件，复制了MEMS加速计的交互式体验。对此，Bourne表示：“将MEMS集成进蜂窝电话比集成进传感器更简单、更迅速，而且成本也更低。因此，不要仅仅因为蜂窝电话有屏幕定向或交互游戏，就认为其较MEMS传感器先进。”
另外，设计师正在将更多的MEMS传感器集成进他们的移动设备设计中，并且在不计成本地开发新的具有创意的用法。
“加速计将实现更多的用户接口功能，而这也将成为未来的标准。通过某种运动，你可以在数秒内实现多种检测类型，无论是向某个方向或其相反方向摇动设备还是敲击设备。”飞思卡尔半导体公司惯性传感器营销经理Michelle Kelsey表示。
便携式设备设计师总是想在不增加尺寸的条件下增加更多的性能，因此说到传感器，设计师希望能在一个微型封装内集成多种性能，包括快速响应、低电流损耗和低电压操作等。
另外，设计师正在寻求具有更高灵敏度(面向运动型应用)、更好温度补偿机制和更高智能性的传感器，比如门限检测和点击或脉冲检测，Kelsey指出。
有了门限检测功能后，用户可以对门限信号电平进行编程来检测敲击或震动；有了点击或脉冲检测功能后，用户可以通过对信号门限和信号时序编程，来检测单次或双次敲击，或者是在使用者步行时，将其用于计步器应用中，Kelsey说。
设计师还希望有更低的电流损耗或快速的上电响应时间，以便给设备循环供电实现目标电流损耗；或者有睡眠模式功能，当需要运动检测时关闭加速计，Kelsey表示。
睡眠模式的例子之一是当手机闲置时关闭其背光，当检测到运动时再重新打开。
图1：Hillcrest Labs推出环状参考设备——具有两个按键和一个滚轮的指针式电视遥控器，利用其Freespace空中惯性传感器技术实现三维指示
小型化很重要
一些用于消费电子产品的最新三轴加速计特别小，非常适用于游戏、硬盘驱动保护和安全等应用。一些加速计具有快速启动、零加速度检测特性，可实现自由落体保护和自检功能。
意法半导体(ST)去年晚期推出了新一代的"纳米级"三轴线性加速计。产品型号为LIS331的低功率MEMS传感器系列可以为消费和工业应用中小型化运动检测解决方案提供嵌入式智能特性，包括移动和游戏设备中的运动用户接口、硬盘数据保护中 的自由落体检测，甚至白家电中的振动检测和补偿。
ST的三轴运动传感器代表这类产品向微型化方向迈出了一大步。采用3x3x0.9mm塑料封装的LIS331加速计还具备极高的抗震能力，其最大可抵御10,000 g冲击。“纳米”运动传感器非常适合于各种低加速度应用。
飞思卡尔半导体公司也在去年进一步扩充了其MEMS传感器产品线，其中一款三轴数字输出加速计的外形尺寸比前代产品小77%，并且无需A/D转换器和外部存储器即可工作。该公司表示，MMA7450L是目前采用0.8mm超薄塑料LGA封装的最薄器件。
MMA7450L可以实现基于运动的功能，如倾斜滚动、游戏控制、按键静音和手持终端的自由落体硬盘驱动保护等，这些功能可以用来实现基于手部动作的用户接口以及要求移动、加速或倾斜感应的设备。
飞思卡尔公司近期推出了增强型产品，包含最新MMA73x1L系列中的MMA7361L，该器件具有用于运动识别的1.5和6g检测选项。
该公司还发布了MMA7455L，它是7450L器件的扩展，具有更高的封装高度，但价格却更低。MMA7455L将提供I2C和SPI接口、门限检测和点击检测功能，因此非常适用于蜂窝电话或个人设备中的运动应用，包括图像稳定、文本滚动和移动拨号。
ADI则计划发布Wii摇控器中使用的ADXL330三轴加速计的后继产品。ADI承诺其下一个加速计将提供更好的性能，包括低功率和更低的成本。
图2：飞思卡尔公司的MMA7455L低加速度三轴数字加速计可以提供I2C和SPI接口、温度补偿、自检、脉冲检测和可编程门限等性能
双轴器件
InvenSense公司则提供采用4x5x1.2mm封装的双轴陀螺仪IDG-1100。该器件集成了MEMS谐振结构和硅晶圆级的CMOS电子器件。IDG-1100陀螺仪的外形尺寸要比其他同类产品小25%，InvenSense公司表示。
IDG-1100主要用于对成本敏感和受尺寸约束的便携式消费类应用(如数码相机和摄像机)实现图像和视频的稳定；用于便携式导航设备实现GPS信号丢失或弱化时的航位推测；用于三维运动检测设备(如空中鼠标和A/V遥控器)操作电视和多媒体中心及游戏控制器。
另外一种用于空中鼠标的技术是空中惯性传感器技术，它利用MEMS传感器、DSP和逻辑实现三维指示。Hillcrest Labs的Freespace技术虽然瞄准电视遥控器和游戏控制器市场，但也被罗技公司用于其PC用MX Air可充电无线空中鼠标中。
该技术与设备的位置无关，并且无方向约束。“即使你将设备翻转，面向下拿在手中，只要你往左移，光标仍会往左动。” Hillcrest Labs首席技术官Chuck Gritton表示。
一旦你进入GPS领域，可能复杂性和成本都会提高。GPS受益于目前为止最复杂的MEMS检测群设备之一：磁性罗盘。“这些群设备不仅整合了IMU(加速计和陀螺仪)，还有MEMS磁性传感器，甚至最近还增加了MEMS压力传感器。”Bourne介绍，“目前只有那些非常高端的型号才会采用这样的配置，虽然制造商喜欢航位推测/方向功能，但他们认为检测模块太贵，短期内无法大范围推广。”
一些导航系统使用陀螺仪实现高速测量和方向改变，它们还利用磁性传感器实现陀螺仪的低速漂移补偿，ADI公司应用工程师Harvey Weinberg指出。从这里开始系统就变得复杂起来，因为用作长期参考的磁性传感器需要加速计补偿，而用作短期方向参考的陀螺仪则由磁性传感器进行长期漂移补偿，他指出。
Bourne相信，在手持设备中集成GPS将进一步推动蜂窝电话中MEMS传感器的发展，但可以预见，在未来成本将限制这些MEMS传感器只能用于某些高端型号。(end)
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(6/2/2008) |
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