CC BY
422Ключевые сегменты рынка МЭМС-компонентов.
Акселерометры
В статье приводится обзор новых компонентов, применений, технологий MEMS. Среди МЭМС-компонентов сегодня доминируют датчики инерции, комбинированное использование в которых многих достижений технологий дает возможность производителям компонентов и оборудования предлагать разработчикам не только более гибкую архитектуру устройств (в сравнении с традиционной ASIC-моделью), но и улучшать их свойства. Компании демонстрируют свои новые MEMS-продукты, характеризующиеся постоянно повышающимися рабочими характеристиками, что и объясняет их массовую экспансию на различные low-end и high-end сегменты рынка.
Светлана СЫСОЕВА
S. Sysoeva@mail.ru
Введение. МЭМС-компоненты и их применение
Технологии производства МЭМС, или устройств размерами порядка микрон, системно комбинирующих функции прямого и обратного электромеханического преобразования со встроенной интеллектуальностью, в настоящее время поднялись до такого уровня, который допускает не только производство недорогих компонентов в массовых объемах, но и массированное расширение круга их применений [1-2].
Различные рыночные анализы показывают, что рынок MEMS приближается к $10 млрд и достигнет данной отметки, возможно, уже в 2010 году. При этом стоимость одного МЭМС-компонента составляет менее $10, а в некоторых случаях — даже менее $1. Этим и объясняется массовое распространение датчиков движения, или датчиков инерции, — акселерометров, гироскопов — в потребительской электронике, а именно в сотовых телефонах, ноутбуках и т. д. Начавшееся несколько лет назад распространение датчиков инерции на массовых рынках в настоящее время поддерживается тем, что их ключевые характеристики (функциональность, размер, цена, энергопотребление и т. д.) непрерывно улучшаются [3-4].
Согласно исследованиям французской консалтинговой организации Yole Dévelopment, и в прошлом 2009 году, и сейчас наиболее заметный по объему — рынок МЭМС акселерометров и гироскопов, что во многом
объясняется их широким использованием именно в потребительской электронике.
Автомобильные применения (подушки безопасности, ESC, TPMS и др.) составляют значительную долю рынка датчиков движения, но их рост до 2013 года, по прогнозам Yole Dévelopment, ограничен 3,6% в год, тогда как в потребительских применениях для них ожидается ежегодный рост на 21,1%.
В целом, Yole Développement ожидает увеличение рынка акселерометров с $893 млн в 2008 году до $1747 млн в 2012-м, со средним CAGR 19%, гироскопов — с $833 млн в 2008 году до $1474 млн в 2012-м, со средним CAGR 16%.
Важнейшим применением датчиков движения, усиливающим их спрос, являются блоки инерциальных измерений (IMU), комбинирующие акселерометры и гироскопы. Цена этих, когда-то дорогостоящих устройств, применявшихся исключительно для навигации в аэрокосмических и военных применениях, благодаря развитию MEMS-технологий снизилась до уровня менее чем $10, что и привело к миграции данного типа измерительных приборов на массовые (автомобильный, потребительский) рынки, а также в промышленные и медицинские применения. Но развитие МЭМС-технологий позволило достичь не только снижения цены, энергопотребления, размеров корпуса и расширения ASIC-функциональности. Ввиду того, что сегодня наблюдается прорыв в достижении высоких рабочих характеристик, в частности, в от-
ношении высокой стабильности смещения и шумовых характеристик гироскопов, IMU вновь сегодня возвращаются на high-end рынки, но уже в МЭМС-исполнении.
Помимо IMU, развиваются и другие муль-тисенсорные применения датчиков инерции, примерами которых могут послужить AHRS или новые цифровые компасные модули и беспроводная сенсорная платформа MotionBee ST Microelectronics.
Инерциальные измерения, таким образом, сегодня являются ключевыми применениями МЭМС по отношению как к массовым рынкам, которые поддержали столь значительные функциональные и технологические достижения, так и к high-end рынкам, которые стремятся охватить МЭМС.
Но даже если продолжить разговор о применениях МЭМС-технологий в потребительской электронике, уже нельзя ограничиться рассмотрением применений только датчиков инерции. Применений МЭМС, достигших и достигающих сегодня состояния коммерциализации, гораздо больше. Согласно данным iSuppli, рост рынка MEMS-устройств в потребительских и беспроводных применениях в 2009 году составил 6,4%, и каждый третий из проданных в 2010 году новых сотовых телефонов будет содержать, по крайней мере, одно MEMS-устройство (применение технологий Freescale представлено на рис. 1).
Предполагается, что новый сотовый телефон включает как минимум одно МЭМС-устройство из следующего списка:
• акселерометры;
• гироскопы;
• кремниевые микрофоны;
• микродисплеи;
• микрозеркала;
• RF (ВЧ) ключи и варикапы;
• микротопливные ячейки (micro fuel cells);
* В объемном акустическом волновом фильтре (Bulk Acoustic Wave, BAW) акустические волны распространяются перпендикулярно поверхностям слоев фильтра, в отличие от акустического фильтра на поверхностных волнах (Surface Acoustic Wave, SAW), в котором волны распространяются параллельно поверхностям слоев фильтра. Необходимость в миниатюрных фильтрах с высоким уровнем рабочих характеристик в устройствах беспроводной коммуникации привела к широкому распространению использования SAW, или ПАВ-фильтров, для которых BAW стали своего рода дополнением, отличавшимся, к тому же, стоимостной эффективностью. Монолитные фильтры, которые включают, по крайней мере, одно резонаторное BAW-устройство, изготовленные по тонкопленочной технологии, известны как Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators (FBAR). BAW-резонаторы часто включают два электрода и пьезоэлектрический слой между ними; между пьезоэлектрическим слоем и подложкой могут быть слои, выполняющие функции акустической изоляции.
• RF MEMS, BAW/FBAR* фильтры;
• осцилляторы;
• микрозуммеры;
• микроавтофокусирующие устройства;
• датчики давления.
Как видно, данный список включает даже датчики давления, применение которых ассоциируется с автомобильной промышленностью.
Самым ранним, исторически первым применением МЭМС можно считать его использование именно в датчиках давления, когда в 1954 году в германии и кремнии был открыт пьезорезистивный эффект, на основе которого разрабатывались первые датчики давления и ускорения. Массовое производство первого датчика давления, выполненного по МЭМС-технологии, было освоено компанией National Semiconductor в 1974 году, а массовая коммерциализация акселерометров и датчиков давления для систем автоэлектроники стартовала в начале 1990-х годов.
Применение MEMS-компонентов обширно. МЭМС-бизнес, объем которого когда-то был всего в 10 000 единиц в год, сейчас достиг уровня продаж в несколько сотен миллионов единиц ежегодно.
Объемные группы MEMS-компонентов составляют не только датчики инерции — акселерометры, гироскопы, датчики давления; к ним сегодня добавляются оптические (MOEMS), радиочастотные (RF MEMS) и прочие MEMS-датчики и актюаторы. Один из исторически старейших, а на данный момент один из самых объемных сегментов сбыта MEMS-актюаторов — чернильная печатающая головка струйного принтера.
Всего известно уже не менее 150 применений, перечислить их все невозможно. Тем не менее явно выделяются ключевые сегменты, то есть те, которые сегодня оказывают наиболее заметное влияние на увеличение объемов рынков в различных сферах, включая потребительскую электронику, мобильные устройства, автомобильные системы,
медицинскую, промышленную, аэрокосмическую и военную электронику.
Исследования Yole Développement показывают, что увеличение объемов рынка является, в частности, наиболее заметным для акселерометров, гироскопов, микрофлюидов для диагностики, а также для RF MEMS.
Об этих и других применениях в контексте функциональных и технологических усовершенствований, обеспечивающих и поддерживающих их рост, и будет рассказано далее в статье.
Акселерометры
Как известно, значительный толчок в развитии технологий МЭМС-акселерометры получили благодаря спросу на них в системах автомобильной безопасности [2, 5-10]. Датчики ускорения в автомобилях обеспечивают обнаружение аварий и своевременное развертывание передних и боковых подушек безопасности, детектируют обнаружение крена и т. д. На данный момент в фокусе внимания многих поставщиков находятся системы динамической стабилизации ESC, в которых требуется измерение бокового ускорения автомобиля для поддержания его управляемости в нестабильных условиях вождения. Кроме того, датчики ускорения являются частью систем TPMS, где они детектируют начало движения, скорость и направление вращения колеса, а также помогают экономить энергию батареи.
Для данного рынка характерно доминирование ряда производителей, а именно Bosch, ST Microelectronics, Kionix (недавно объединенной с Rohm), Analog Devices, Freescale и VTI Technologies, а также высокие объемы продаж акселерометров, но сравнительно малый, особенно в сравнении с потребительским сегментом, ежегодный рост CAGR. Отчасти это обусловлено влиянием экономического кризиса, в большей степени затронувшего автомобильную про-
мышленность, чем потребительский сегмент. Изначально автомобилестроение отличалось тем, что массовая коммерциализация автомобильных МЭМС-акселерометров обеспечила снижение цены, согласующееся с общим снижением цен на потребительскую электронику, спрос на которую стал значительным. Число автомобильных применений МЭМС расширяется, производители обновляют линейки своих продуктов. Но к автомобильным МЭМС не предъявляются столь же высокие требования в отношении энергопотребления, функциональности и миниатюризации, хотя и они требуют все большего снижения энергопотребления и цены компонентов — ввиду проникновения батарейных технологий в автомобильный сегмент и конкуренции между производителями. Все же именно потребительский сегмент для МЭМС-акселерометров в настоящее время является ведущим. В ноутбуках акселерометры широко применяются для защиты жесткого диска при падениях, в сотовых телефонах — для прокрутки экрана и многих других функций. Они также комбинируются с гироскопами и другими типами датчиков в разнообразных многофункциональных устройствах и мультисенсорных модулях.
Общая тенденция в потребительском сегменте МЭМС датчиков движения — это дальнейшее усовершенствование их ключевых преимуществ: расширение функциональности, снижение энергопотребления, размера и цены, что достигается и на уровне схемотехнических алгоритмов в ASIC, и на уровне технологий производства и корпусирования. Рынок потребительской электроники требует недорогих, маломощных устройств малых размеров, где расширенная функциональность направлена на максимальную адаптацию датчика к клиентской системе.
Базовая функциональность акселерометров основана на их способности детектирования 5 параметров: ускорения/движения, положения, наклона, вибрации или удара. Отдельно стоит подчеркнуть, что акселерометры — это частный случай датчиков инерции, объединяющих акселерометры и гироскопы, которые детектируют также пять, но несколько отличных параметров/физических явлений: это линейное ускорение/движение, положение/вращение, наклон, вибрация или удар, причем в последнее время IMU некоторые производители не выделяют в отдельное применение, а добавляют к этому списку. Датчик формирует на выходе сигнал, пропорциональный измеряемому параметру (ускорению, синусу угла наклона) в направлении оси воздействия. Современные датчики инерции по большей части являются трехосевыми, что позволяет одно любое такое устройство использовать для обнаружения падения, детектирования наклона, ориентации, жестов, инерциаль-ной навигации (навигационного счисления пути — dead reckoning).
Рис. 2. Трехосевой МЭМС-акселерометр KXTF9 Kionix
с функциональностью Directional Tap/Double-Tap
Алгоритмы, задействованные для измерения ускорения, наклона или счисления пути, хорошо известны, а обнаружение жестов — эта возможность сравнительно недавно появилась при совершенствовании человекомашинного интерфейса (HMI). Введение в интерфейс стуков и встряхиваний или качаний позволяет пользователям активировать различные элементы или регулировать режимы работы. Обнаружение жестов повышает применимость устройств в ситуациях, в которых физические кнопки и переключатели осложняют и задерживают манипулирование, кроме того, кнопочный дизайн повышает себестоимость устройства. Напротив, дизайн без кнопок расширяет сферы применения и повышает надежность устройства, например в дождливых или
подводных условиях. Современные потребительские применения требуют недорогих многофункциональных устройств с малым форм-фактором, что усиливает конкуренцию между производителями акселерометров, поэтому многие из них в борьбе за потребительский рынок представили свои акселерометры с tap-интерфейсом.
Компания Kionix в 2009 году на мероприятии Sensors Expo в категории Sensors была удостоена бронзовой награды за трехосевой МЭМС-акселерометр KXTF9 (рис. 2), позволяющий осуществлять простой, интуитивный пользовательский интерфейс, основанный на имитации кликов компьютерной мыши. Данный интерфейс реализован как способность датчика воспринимать одиночные и двойные постукивания (Directional Tap/Double-Tap). МЭМС-акселерометр включает ASIC со встроенным алгоритмом, которая допускает возможность датчика воспринимать постукивания по 6 его поверхностям, в направлениях действия ускорения с 6 степенями свободы. Характеризующееся I2C интерфейсом в диапазонах 2g, 4g и 8g и избирательным 8- или 12-битным разрешением, устройство можно использовать для улучшения пользовательского интерфейса портативных электронных продуктов, повышения возможностей его конфигурирования в соответствии с предпочтениями пользователя. Алгоритм «активный/неактивный» сообщает об изменениях в движении устройства, допуская либо движение и активный режим, либо отсутствие движения и неактивный режим. Признак обнаружения ориентации помогает определить изменения в портретноальбомной ориентации и повороты лицевой поверхностью вверх и вниз.
Напряжение питания KXTF9 — 1,8-3,6 В DC, типично 1,8 В. Потребление тока в режиме standby достигает всего 0,1 мкА, а в активном
режиме — до 300 мкА. Корпус устройства LGA отличается малыми размерами: 3х3х0,9 мм.
Компания Freescale в своем портфолио акселерометров имеет MMA7660FC (рис. 3) — трехосевой low-g (±1,5g) акселерометр, который способен детектировать движение по всем трем осям. Один и тот же датчик можно использовать для детектирования ориентации, стуков и качаний, например, качание вперед-назад или вверх-вниз дает возможность активировать две различные команды.
Акселерометр MMA7660FC можно применять для детектирования следующих пользовательских функций:
• ориентации за пределами регулирования книжной и альбомной ориентации;
• детектирования одиночного клика, который конфигурируется на пользовательских порогах, и длительности времени по X, Y и Z-осям;
• качаний (Shake), имитирующих команды/последовательности команд;
• обнаружения жестов и игровых функций, таких как 3D-наклон, вращение и кручение. Обнаружение ориентации подразумевает
типичную функцию portrait/landscape в современных сотовых телефонах, но, в зависимости от процесса движения, функциональность может быть расширена. Датчик может определять любой из 6 переходов из одного начального положения (вперед, назад, вверх, вниз, влево, вправо), и любому из этих переходов может соответствовать программируемое действие. К примеру, если телефон повернуть вниз, можно допустить автоматическую активацию режима малого энергопотребления. Или если звонит телефон, но его владелец не может разговаривать, этот переход допускает переадресацию звонка на голосовую почту, а поворот лицевой поверхностью вверх, напротив, активирует громкую связь.
AVDD | DVDD I
VSS [KbzL
Рис. 3. MMA7660FC Freescale — трехосевой МЭМС-акселерометр для детектирования ориентации, стуков и качаний
Колебательное движение может детектироваться в любой ориентации и может использоваться также для выполнения многих различных команд. К примеру, если абонент набирает номер и совершает при этом ошибку, вместо активации кнопки стирания можно качнуть устройство. Эта функция актуальна в игровых применениях, а также для прокрутки Web-страниц или изображений.
Такие признаки MMA7660FC позволяют производителю рекомендовать данный датчик производителям сотовых телефонов для их дифференциации среди конкурирующих предложений. Датчик соответствует и другим ключевым требованиям: обеспечивает цифровой выход I2C, имеет низкое энергопотребление, встроенную интеллектуальность, малый безвыводный корпус размерами 3х3х0,9 мм (DFN). Акселерометр MMA7660FC характеризуется очень низким потреблением тока, в режиме off — 0,4 мкА, standby — 2 мкА, в активном режиме — до 47 мкА (1 сэмпл/с).
Кроме того, акселерометр MMA7660FC допускает пользовательскую конфигурацию опций соотношения характеристик и потребления мощности посредством избирательных скоростей сэмплов.
Режимы малого энергопотребления (low-power) для MMA7660FC объединяют функции автоматического «пробуждения» и «засыпания» (auto-wake и auto-sleep).
В портфолио компании ST Micro представлен так называемый функциональный MEMS-датчик FC30, или смарт-датчик 3D-ориентации и детектированиякликов, который выпускается в SMD герметичном пластиковом корпусе LGA-14 (3х5х0,9 мм).
В устойчивом положении датчик способен детектировать 6 различных ориентаций относительно гравитационного поля. Одиночный или двойной механический стук допускает функцию mouse button-like.
Режим power-down дает низкое потребление тока в 1 мкА.
ADXL345 Analog Devices, помимо своей базовой функциональности акселерометра или инклинометра, также характеризуется tap/double tap free fall и FIFO (first in, first out) функциональностью, мониторингом актив-ности/неактивности, потреблением тока до 40 мкА в активном режиме, и 0,1 мкА — в неактивном.
Таким образом, различные производители акселерометров расширяют свои портфолио датчиков за счет предложений различных опциональных функций в дополнение к стандартным, или базовым функциям, равно как и различных видов корпусирования, и все это объясняется существующим спросом на потребительскую портативную электронику.
Достигнутое за счет массовых объемов снижение цены на МЭМС-акселерометры превосходит в этом плане другие датчики. Так, МЭМС-акселерометры стоят порядка $1-3, цена датчика MMA7660 составляет, например, $0,78; многие датчики ST Microelectronics
в массовых объемах стоят менее $1. При этом в портфолио данной компании и других имеются устройства и с расширенным набором функций, и с минимальным размером корпусов, и с малым энергопотреблением. Все это позволяет производителям далее снижать цену для автомобильного рынка, благодаря снижению энергопотребления и миниатюризации расширяется круг потенциальных имплантируемых медицинских применений этих устройств, а достигнутое за счет эволюции технологий повышение рабочих характеристик допускает новую волну вхождения МЭМС с улучшенными качественными и ценовыми характеристиками на high-end рынки. Все это сейчас наиболее ярко проявляется именно для датчиков инерции, объединяющих и акселерометры, и гироскопы, и муль-тисенсорные модули на их основе.
Но обо всем по порядку. Вначале поговорим об эволюции технологий производства и корпусирования. Весьма интересными в этом плане являются исследования, выполненные ChipWorks [11].
Двухосевой акселерометр STMicroelectro-nics LIS2L02AS в корпусе SO-24, анализ которого был произведен ChipWorks в 2002 году, имел довольно значительные размеры: 15,5х7,5х2,5 мм. MEMS- и ASIC-кристаллы были соединены вместе проводами и закреплены в корпусе горизонтальным методом «сторона к стороне» (side-by-side). Трехосевой LIS3L02AE в корпусе LGA-8, который компания выпускала в 2004-2006 годах (согласно коду маски МЭМС и коду корпуса), характеризовался размерами уже 5х5х1,5 мм. Уменьшение размеров было достигнуто за счет стекирования МЭМС- и ASIC-кристаллов, где ASIC размещалась сверху, а размеры самих кристаллов были сравнимы с теми, что были у LIS2L02AS. Размер кристалла МЭМС LIS3L02AE даже несколько больше, а именно 3,53х3,52 мм, но площадь корпуса была уменьшена. Эффективность корпусирования LIS3L02AE, то есть отношение площади корпуса к площади кристалла МЭМС, составляла 0,7, в сравнении с 0,1 для LIS2L02AS. Но для оценки технологических достижений той или иной компании данный критерий не может быть единственным, поскольку ясно, что для всех однокристальных акселерометров Analog Devices эффективность корпусиро-вания не может быть такой же высокой, как при вертикальном стекировании. Для однокристального ADXL330 2005 года ChipWorks приводит показатель 0,23. Возможно, частично это также помогло бы понять изменение стратегии ADI в корпусировании трехосевого датчика ADXL345, который был представлен на потребительский рынок в 2009 году в двухкристальном исполнении. Но эффективность корпусирования этого датчика была повышена только до 0,32.
Для акселерометра LIS331 DL (2005 и 2008 годы согласно кодам выпуска) размеры 3х3х1 мм были достигнуты за счет умень-
шения площади стекированных кристаллов. Площадь МЭМС-кристалла составляла уже 1,83x2,13 мм.
Трехосевой акселерометр Bosch SMB380, анонсированный в январе 2007 года, в корпусе QFN размерами 3x3x0,9 мм (он же BMA150 в корпусе LGA), некоторое время считался самым тонким датчиком. При этом ASIC- и MEMS-кристаллы размещались горизонтально, side-by-side, достигалось 50%-ное снижение площади двух кристаллов, в сравнении с ранним датчиком Bosch SMB363. Эффективность корпусирования этих двух устройств является сходной — 55% и 47% для SMB363 и SMB380 соответственно. Размеры корпуса SMB380 были меньше за счет снижения размера кристаллов.
Затем компании Freescale, Kionix, STMicro-electronics выпустили 3-осевые акселерометры в корпусах 3x3 мм.
Компания Freescale производит PMMA7660, используя поверхностный микромехани-ческий процесс, согласно которому MEMS-и ASIC-кристаллы закреплены side-by-side. Kionix KXSD9 был произведен на основе однокристального объемного микромеханиче-ского процесса, а MEMS- и ASIC-кристаллы размещены методом side-by-side. Толщина этих двух корпусов составила 0,9 мм, эффективность корпусирования — 0,49 и 0,56 соответственно. ST Micro LIS331DL отличается вертикальным стекированием, эффективность его корпусирования равна 0,75, но толщина корпуса — 1 мм. Впрочем, вертикальное стекирование помогает разработчикам не экономить на площади кристалла в стремлении к меньшей площади корпуса.
Сходные размеры кристалла МЭМС ADXL345 Analog Devices с геометрией соединения кристаллов, которая выполнена методом side-by-side, дают размеры корпуса 3x5x0,95 мм. Размеры МЭМС-кристалла, произведенного на основе собственного процесса iMEMS, составляют 1,48x1,24 мм, площадь ASIC-кристалла, произведенного TSMC, — 2,17x1,37 мм. ADI была известна прежде как компания, которая долгое время специализировалась на производстве именно однокристальных интегральных акселерометров на основе процесса iMEMS, но в 2009 году и она модифицировала свою МЭМС-стратегию, также в связи со специфическими требованиями потребительской электроники. Трехосевой акселерометр ADXL345 включает раздельные МЭМС- и ASIC-кристаллы, о чем уже говорилось выше, поскольку цена однокристального исполнения трехосевого датчика и сложной схемы обработки сигнала в контексте применения потребовала ее снижения.
Какое-то время в течение 2009 года самым малым трехосевым акселерометром являлся датчик VTI CMA3000 (рис. 4) с размерами 2x2x0,94 мм, но он был представлен без привычного внешнего корпуса, аналогичного корпусам ИС. Впрочем, данную особенность следует отнести не к недостаткам,
а к достоинствам устройства. Датчик VTI CMA3000 на выставке Sensors Expo 2009 года был удостоен бронзовой медали в категории Sensors. CMA3000 производится на основе технологии VTI 3D MEMS.
VTI 3D MEMS устройства герметично уплотняются посредством колпачка, что снижает требования к корпусированию. Этот МЭМС-акселерометр представляет собой стеки, где ASIC флип-чип присоединен к донной стороне. Отсутствие пластикового корпуса открывает новые возможности для корпусирования устройства. Стекированный корпус дает соотношение площади устройства к площади MEMS- и ASIC-кристаллов 143%. Таким образом, впервые эффективность корпуса превышает 100%, что явно доказывает преимущество стекированных кристаллов при увеличении интеграции в пределах данного фут-принта устройства.
В то же время стекированная геометрия требует специального утонения кристаллов, и, если желателен корпус толщиной менее 1 мм, производство МЭМС-акселерометров осложняется.
Для сравнения геометрия side-by-side позволяет достигать эффективности только порядка 50%, а однокристальная, по факту, — еще меньше. Но однокристальная геометрия в свое время стала тем неофициальным стандартом, на который ориентировались разработчики, создавая новые устройства, ведь многие технологические процессы при производстве МЭМС и ИС сходны, и их объединение давало высокую технологичность и снижение цены; кроме того, монолитные устройства являются чувствительными и электромагнитно совместимыми.
Многие специалисты считают, что полностью интегрированный метод для применения в акселерометрах, который использует Analog Devices, не имеет перспектив, и датчики движения, в первую очередь МЭМС-акселерометры, будут первой областью принятия так называемого полного корпусирования на уровне пластин (full WLP), согласно которому весь корпус создается на уровне подложки (wafer-level). Электрический путь может проходить через МЭМС-устройство (TSV), через колпачок (в этом случае он становится дном корпу-
са), вокруг краев кристалла или колпачка. На этой ступени доминирование какой-либо стратегии неочевидно. WLP может производиться посредством соединения колпачка и МЭМС-подложки, но имеется и альтернатива: интегральные колпачки, в которых 3D-колпачок создается непосредственно на МЭМС-подложке без соединения пластин.
Метод, который начала осуществлять компания VTI, допускает большое снижение размеров акселерометров. Добавление соединений through silicon vias (TSVs) через кристалл-колпачок MEMS позволяет разместить ASIC поверх колпачка. Стали достижимы размеры устройства даже 2х2 мм.
Реализованная для CMA3000 новая концепция корпуса получила название Chip-on-MEMS (CoM). МЭМС- и ASIC-кристаллы производятся на отдельных пластинах, а затем ASIC-чипы (флип-чипы) размещаются поверх MEMS-подложки. Прежде чем будет добавлена ASIC, к MEMS-подложке прикрепляются слои для перераспределения и изоляции, а также внешнего соединения посредством шариковых выводов из припоя и последующей изоляции чипов ASIC от МЭМС пассивирующим слоем.
CoM-технология обеспечивает следующие признаки: сниженную индуктивность выводов, малый размер чипов и корпуса, толщину профиля менее 1 мм, малый вес, технологичность при автоматической пайке как устройства поверхностного монтажа.
CoM — это не первая демонстрация WLP-корпусирования МЭМС и микросхемы. Но с CoM достигнуты многие преимущества одновременно: MEMS и ASIC полностью изолированы, стопроцентно протестированы до их объединения, нет потерь площади вследствие несогласования размеров и в связи с уплотнением и герметизацией.
В числе преимуществ CMA3000 для потребительской электроники важно отметить, что дополнительное корпусирование не требуется. Применение пластикового корпуса, известное как CSP (Chip Scale Packaging), имеет ограничения по размерам, особенно по толщине.
Важно, что хотя 3D MEMS технология обеспечивает малый корпус, стоимостная эффективность достигается только при сходных размерах кристаллов устройства.
Первое осуществление CoM-технологии в CMA3000 требует, чтобы MEMS-кристалл был несколько больше микросхем, количество вводов и выводов также ограничивается. Вслед за флип-чип осуществлением технологии VTI планирует другое примение CoM, согласно которому очень тонкие кристаллы встраиваются в полимерные слои на МЭМС-пластине, а межсоединения между слоями осуществляются посредством депонированных металлических пленок.
Компоненты CMA3000 могут быть помещены на плату (технология Chip-on-Board, CoB) или другие пользовательские подложки (например, керамику) согласно их геометрии и запаяны. Вывод 1 маркируется обычным образом. В данном случае рекомендуется автоматическое позиционирование компонентов. При этом потребление тока датчиком малое — до 10 мкА на частоте выборки 40 Гц, при напряжении питания 1,7-3,6 В.
Избирательные диапазоны ускорений — 2g и 8g, датчик отличают ударопрочность, RoHS-совместимость, возможность выбора из цифровых интерфейсов SPI и I2C (CMA3000-D01) или трех независимых аналоговых сигналов для систем с АЦП (CMA3000-A01).
Все это обеспечило коммерческий успех VTI CMA3000 в потребительской электронике, где этот малый и легко монтируемый датчик стал следующим неформальным стандартом для производителей акселерометров.
Но в 2010 году Bosch Sensortec вводит свое следующее, весьма конкурентоспособное предложение, а именно малый цифровой g-датчик BMA220 (рис. 5), но в корпусе LGA размерами 2х2х0,98 мм.
На данный момент это самый малый датчик в мире в LGA-корпусе. В 2007 году Bosch Sensortec была первой компанией, которая успешно упаковала датчики в корпус размерами только в три миллиметра, а до этого момента неофициальным стандартом считались 4 мм. Но тенденция миниатюризации датчиков для мобильных применений привела к тому, что компания выпустила новое поколение 2х2 LGA корпусов с площадью поверхности, занимающей на 79% меньше места на плате, чем требуется для датчика размерами 6х6 мм.
Меньшие размеры не означают потерю функциональности и снижение качества.
BMA220 — это трехосевой g-датчик с цифровым выходом данных на четыре программируемых измерительных диапазона от ±2g до ±16g, включающий интегрированную оценочную электронику для обнаружения специфичных паттернов движения и не требующий внешнего микроконтроллера для обработки сигналов. Для использования BMA220 в педометрах (счетчиках шагов) специалисты Bosch Sensortec написали оценочные алгоритмы, которые существенно сокращают время разработки конечного устройства. Другие применения включают пространственную 3D-ориентацию в мобильных телефонах, PDA и игровых контроллерах, целевые реакции (последовательности команд) на движения, например двойное постукивание.
ASIC датчика сохраняет батарейную мощность устройства, так как оценочная электроника, интегрированная в датчике, предназначена устранить необходимость в интенсивной оценке сигнала посредством хост-микроконтроллера, что значительно сокращает использование энергии в мобильном устройстве. Датчик способен автономно и автоматически различать случайное движение и изменение в его пространственном положении, одиночный стук, двойные стуки, медленные и быстрые изменения в движении. Пользователь может программировать параметры обнаружения движения. Датчик сигнализирует доступность новых данных на выходе прерывания, и, в то же самое время, датчик выводит их в обработанной форме на цифровой интерфейс. Все это означает, что разработчики конечного продукта больше могут не иметь дела со сложными трехосевыми датчиками ускорения.
Таким образом, компания Bosch Sensortec показала, как несколько новейших направлений в эволюции технологий представлены вместе в одном устройстве.
Стали известны детали планов STMicro-electronics в отношении нового семейства трехосевых цифровых акселерометров, ко-
торые также комбинируют признаки малого фут-принта со значительно сниженным потреблением тока и повышенной функциональностью.
Фут-принт датчиков ST будет снижен до 2x2 мм, а потребление тока — от менее чем 10 мкА на скорости выборки (сэмплов) в 100 Гц до нескольких мкА при низких скоростях выборки. Специалисты STMicro заинтересованы в коммерческом успехе своих датчиков, массовые объемы выпуска которых поддерживаются производственными мощностями компании. Поэтому малые площади и низкое энергопотребление датчиков будут достигнуты при сохранении их характеристик и функциональности. Новые датчики будут продаваться по очень низкой цене, характерной для ST, — менее $1 при массовых партиях, выпуск которых начнется в III квартале 2010 года.
Новые акселерометры ST объединяют много функций, включая обнаружение одиночных и двойных кликов, пробуждение при обнаружении движения, обнаружение 4D/6D-ориентации.
Акселерометр включает в себя датчик температуры, три программируемых АЦП каналов, что поддерживает его легкую интеграцию с гироскопами, поддерживает программируемый признак FIFO (first-in, first-out) и два программируемых сигнала прерывания при обнаружении названных событий.
Новое семейство повыводно (pin-to-pin) и программно совместимо с акселерометрами ST размерами 3x3 мм, которые сейчас находятся в производстве.
STMicroelectronics — лидер в потребительском сегменте, эта компания представляет своим клиентам еще несколько технологических достижений, о которых обязательно нужно упомянуть.
В 2009 году STMicroelectronics ввела 0,75-мм трехосевой MEMS-акселерометр LIS302DLH (рис. 6). Это тончайший из датчиков данного типа. Его размеры — 3x5 мм.
Помимо того, 16-битное устройство отличается высокими рабочими характеристиками и высокой стабильностью.
Датчики ST LIS302DLH определяют движение, ориентацию, свободное падение, вибрацию — главным образом там, где применение чувствительно к габаритам устройства и, в соответствии с общими тенденциями в данном сегменте, рекомендуется для батарейной работы. ST LIS302DLH поддерживает режим shutdown вместе с автопробуждением при детектировании движения. Интегрированная цифровая схема выводит измеренное ускорение в диапазоне до ±8g согласно промышленному последовательному формату I2C/SPI. Датчик LIS302DLH также по-выводно совместим с другими трехосевыми устройствами в семействе ST Piccolo, включая LIS302DL и LIS35DE. Его цена в массовых объемах — $1,35 в количестве свыше 10 000 штук.
STMicroelectronics в конце 2009 года пополнила свое портфолио и цифровым трехосевым датчиком, который детектирует средние ускорения до 24g. Вместе с малым размером, высоким разрешением, малым энергопотреблением и встроенной смарт-функциональностью данная комбинация признаков является уникальной на рынке потребительских устройств. Диапазоны ускорений, определяемые датчиком, являются избирательными (±6/±12/±24g), датчик позволяет детектировать высокие уровни вибраций и ударов, повышая возможности пользовательского интерфейса, в частности, в игровых применениях. Метод обнаружения событий — тот же, посредством инициирования прерываний.
В режиме sleep-to-wake-up акселерометр сохраняет активность чтения, потребляя только 10 мкА тока. Повышена стабильность смещения и чувствительности в полном температурном диапазоне, ударопрочность — свыше 10 000g. Датчик разрабатывался с расчетом на охват промышленных применений. Размеры корпуса составляют 3х3х1 мм, цена в массовых объемах — $1,25.
Помимо того, БТМкгоеІеЛгоп^ представляет на рынок потребительских устройств с высокими рабочими характеристиками и свои новые трехосевые аналоговые гироскопы 8Т LYPR540AH — по цене $3,6, а также цифровые компасные модули LSM303DLH с ориентировочной ценой $2,5 при количестве свыше 50 000 штук.
Упоминание цен датчиков инерции STMicro далеко не случайно. Мы хотим показать, как маркетинговая ситуация, сложившаяся благодаря развитию потребительского сегмента рынка, может повлиять на цены на других рынках. Логично, что поставщики автомобильных систем, также чувствительные к цене датчиков, особенно на фоне кризиса, и будучи осведомлены о технологических возможностях продавца, формулируют новые требования к цене предлагаемых ими устройств, вследствие чего между поставщиками компонентов не ослабевает конкуренция.
МЭМС-акселерометры выходят и на рынки сбыта, где требуются высокие рабочие характеристики, как автономные компоненты или в составе 1Ми и мультисенсорных модулей. Но об этом — уже в следующей статье.
Заключение
В рамках одной статьи, как обычно, невозможно рассказать даже обо всех новых предложениях датчиков инерции, объединяющих гироскопы, 1Ми, а также об обновлениях линеек ведущих производителей датчиков движения и тенденциях развития этого наи-
более значительного и объемного рыночного сегмента МЭМС. Вряд ли вообще какое-либо печатное издание сможет вместить единовременно подробный рассказ о положении дел в других ключевых инновационных рыночных сегментах.
Конечно, автор прикладывает значительные усилия по систематизации данного материала, и вся эта информация через какое-то время обязательно будет изложена в сжатом виде в последующих публикациях для широкого круга читателей.
Также в настоящее время автор создает своего рода закрытый информационный ресурс по МЭМС, или эксклюзивный русско-английский электронный бюллетень, — с той целью, чтобы развернутая и полезная информация раньше других стала доступна именно тем, кому она действительно интересна. По вопросам условий электронной подписки на данный информационный бюллетень просьба обращаться к автору. ■
Продолжение следует
Литература
1. МЭМСтехнологии — простое и доступное решение сложных системных задач. http://www.sovtest.ru/publication.php? id=47
2. Сысоева С. Три уровня автомобильных сенсорных инноваций: макро, микро и нано // Компоненты и технологии. 2010. № 1.
3. Сысоева С. Магнитоуправляемые, МЕМБ и муль-тисенсорные датчики движения 2009 года —
функциональнее, точнее, миниатюрнее предшественников // Компоненты и технологии. 2009. № 8.
4. Сысоева С. Датчики инерции за пределами автомобильных применений // Компоненты и технологии. 2007. № 7.
5. Сысоева С. Автомобильные акселерометры. Часть 6. Некоторые уникальные технологии. Итоговый сравнительный анализ и оценка перспектив // Компоненты и технологии. 2006. № 5.
6. Сысоева С. Автомобильные акселерометры. Часть 5. Перспективная элементная база поверхностных кремниевых емкостных акселерометров // Компоненты и технологии. 2006. № 4.
7. Сысоева С. Автомобильные акселерометры. Часть 4. Развитие технологий и элементной базы емкостных акселерометров // Компоненты и технологии. 2006. № 3.
8. Сысоева С. Автомобильные акселерометры. Часть 3. Классификация и анализ базовых рабочих принципов // Компоненты и технологии. 2006. № 2.
9. Сысоева С. Автомобильные акселерометры. Часть 2. Автомобильные акселерометры — ключевые фигуры систем безопасности и комфорта // Компоненты и технологии. 2005. № 9.
10. Сысоева С. Автомобильные акселерометры. Часть 1. Автомобильные акселерометры — важнейший сегмент в конъюнктуре современного рынка автомобильных датчиков // Компоненты и технологии. 2005. № 8.
11. http://www.i-micronews.com/news/Evolution-Three-Axis-MEMS-Inertial-SensorPackaging— Sizej3515.html
