智能手机的触感-《MEMS-Sensor》-《芯苑》

智能手机出来之前,我们的手机都叫做“手机”,可以手上拿着打电话的机器而已。然后智能手机出来之后,我们以前的手机就有了新的名词叫做“功能手机(Feature Phone)”,为了区分新出来的“智能手机(Smart Phone)”。

现在几乎每个人手上都有智能手机吧?(好像只有我没有~)。然而当你的手机听到“Ok, google”的时候会突然被唤醒,你是否会好奇为何他能如此通“人性”?不得不说的是,之所以手机有这些“感觉”都应该归功于里面装的丰富的传感器,如同人体的神经末梢来感应外界环境的变化。其实广义上讲,这也是一种更智能的“人机交互”,传统的“人机交互”都是被动的Reactive-Mode,你给个输入刺激它一下才能有输出,而现在的智能互动,它可以触你所感,它更是一种主动式的“Proactive-Mode”。

传感器(Transducer/Sensor)它是一种检测装置,能够感应被量测的信息,并且转换成可探测的电信号输出“0”和“1”来控制执行用户想要执行的动作。严格意义上讲,说它是感应器(Sensor)是片面的,说Transducer比较精准,因为它要把感应的信号转换成另外一个动作去控制手机,所以我觉得叫“换能器”比较合理。

智能手机在智能的道路上越走越远,我们平日里用手机解决大部分的问题,上网、游戏、导航、支付等等,从中受益颇多。在手机中有很多传感器默默地在后台工作以支持我们前台操作更方便,你可能只是在看手机参数时看到一堆传感器介绍,但是你知道这些传感器都肩负着什么职责吗?今天我们就来探讨一下,手机中各个传感器都是怎么工作的?

智能手机的触感-《MEMS-Sensor》-《芯苑》

1、重力感应器(加速度传感器):这个应该是最有趣味的传感器了,比如微信摇一摇,翻转横竖屏幕切换,甩一甩切换歌曲等等,当然男同志喜欢的极品飞车也是通过转动手机来控制车子的方向,这些都要用到重力感应器。

其中苹果的重力传感器是来自博世(BOSCH)的三轴BMA280,其中还有一个六轴的来自Invensense的MPU-6700 (和Gyro合在一起的)。

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有人管他叫"G-sensor",也有人管他叫"Accelerometer",Anyway,一种是侧重商品应用后者是侧重设计或制造技术吧(具体的差异讨论: 《G-sensor vs. Accelerometer Difference》),技术上讲,重力感应器是内置的重力遥感芯片,利用压电效应来测量内部一个重物在重力正交的两个方向上的分力大小,来判定水平方向,从而通过对重力敏感的传感器,来感受手机姿势或重心的变化,从而使得光标位置发生变化来或实现功能等。

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有关重力传感器的知识,大家可以参阅前篇文章《MEMS Accelerometer》,但是不得不说的是美国一家大学报道,这么个不起眼的重力加速度计竟然是黑客的一个工具,可以远程控制你的手机的加速度计记录你电脑键盘的震动,然后记录翻译成句子,准确率超过80%,不过灵敏度肯定赶不上麦克风,只是麦克风的安全级别比较高,都是需要有访问权限的。

2、陀螺仪(GyroScopes): 陀螺仪又是一个非常有趣味而且特别有体验感觉的传感器,他是手机里面的一个非常重要的传感器,主要是根据重力感应产生的加速度来推算出手机或物体相对于水平面的倾斜度(角度),他是根据角动量守恒原理来判别在空间的相对位置、方向、角度和水平的变化。它最早应用于直升飞机中保持飞机的姿势,类似我们人体感应前倾力大会自动调整后仰力来保持平衡一样。

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陀螺仪和加速度传感器最大的差别在于加速度计用于探测物体的移动,而陀螺仪用于探测物体的转动角度,类似一个公转一个自转的概念吧(不知道是否恰当)。参阅《(Accelerometer vs. Gyroscopes Difference)》。它主要是应用科里奥利效应(Coriolis Effect),其实也就是惯性离心力的结果。对于我们半导体人比较感兴趣的是他是如何做出来的?其实比较简单,它结构上主要有两边对称的质量块(Proof Mass)类似加速度计,或者是一个圈装可转动的通过弹簧(Springs)连接到转轴上(Anchor),圆圈四周布满电极用来驱动和感应。在制程上这些圆圈和弹簧都是用Poly做成的,主要的难点在于需要很厚的Oxide film,然后蚀刻挖深槽(DRIE),再填充Poly后再把旁边的Oxide整个吃掉就露出了这个转盘了,所以技术难点在于挖深槽的profile和Poly填充不能有空洞。而另外一个难点在于中间的转轴,如果轴的profile有undercut则会导致转动松脱,如果有footing则会转动补偿,所以这才是gyro制程的难点和重点。

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另外再介绍一个陀螺仪和我们生活密切相关的案例,就是爱车一族的ESP系统(Electric Stability Program),它主要是防止车子紧急情况急打方向的,当你急打方向会产生很大的转动角,你的车子ESP系统会产生很大阻力组织你,防止侧翻。

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3、电子罗盘(方位传感器:e-compass):以前我听到手机上有罗盘,我以为是看风水用的或者当指南针,太搞笑了。其实他就是电子指南针,它可以感应地磁磁场判断南北极,从而判定方向。判断你的手机有没有电子罗盘的方法就是看你的导航地图有没有一个箭头指北,如果没有的话则定位后是一个圆圈表示你现在的位置而已。

E-compass主要利用赫尔效应(Hall-Effect)来测量地球磁场,他的原理是如果沿矩形金属薄片的长方向通电流I,由于载流子受洛仑兹力作用,在垂直于薄片平面的方向施加强磁场B,则在其横向会产生电压差U,其大小与电流I、磁场B和材料的霍尔系数R成正比,与金属薄片的厚度d反比(如下图2-2)。100多年前发现的霍尔效应,由于一般材料的霍尔系数都很小而难以应用,直到半导体问世后才真正用于磁场测量,这是因为半导体中的载流子数量少,如果给它通的电流与金属材料相同,那么半导体中载流子的速度就更快,所受到的洛仑兹力就更大,因而霍尔效应的系数也就更大。

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Hall-Sensor也是MEMS电子罗盘最普遍采用的方法之一,因为他可以兼容FAB的平面CMOS技术。而根据上面的原理介绍,这样的器件电流主要敏感于垂直Si-表面方向的磁场强度。它主要是有个一聚磁板(Magnetic Concentrator)用于探测芯片表面平行的磁场线圈(field lines)。主要的结构参阅《MOTION SENSING IN THE IPHONE 4: ELECTRONIC COMPASS》。

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而使用Hall-effect的E-compass sensor公司主要是日本的AKM和BOSCH,而像Freescale用的是GMR/TMR(Giant Magneto resisitive)技术,MEMSIC用的就是Discrete AMR/GMI(Anisotropic Magneto Resistive)技术,这些技术都是MEMS ECOMPASS,而苹果主要采用AKM的Hall sensor。

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理论上讲,我们有了加速度传感器、陀螺仪、以及电子罗盘,我们就可以在一开始与GPS对一下位置即可,后面就可以很精准的实现惯性导航了,而不需要一直与GPS通讯了。

 

5、距离传感器:这个目前还是光学感应(Proximity Sensor),未来其实有机会变成听筒和麦克风感应,那就更高级了。

6、环境光传感器:Ambient Light Sensor,这个比较简单,就是平常打电话的时候屏幕会自己熄灭,因为它有一个二极管的PN结感应到环境可见光,产生PN结漏电流大小来感应的。(技术细节可以找我讨论~)

7、霍尔传感器:这个就是我们平常磁性手机或者平板套,盒盖即可进入待机模式,就是靠吸铁石感应的。

8、指纹识别传感器:阅读《指纹识别IC技术》~

9、触控传感器:阅读《触控IC的神奇

10、MEMS麦克风:改天我和环境光sensor一起专题来讲吧,这玩意很复杂~

摘文:

1、《微机电系统的发展与应用》,台湾科学月刊

2、Motion Sensor in iPhone4, <MEMS Journal>

3、AKM tops magnetic sensor rankings;--<Solid State Technology>