eng
МЭМС быстро изменили рынок потребительской электроники. Смогут ли МЭМС добиться успеха и в будущем? Сегодня все готово для их применения в высококлассных системах, от которых пользователи вряд откажутся. Так как 12 наиболее значимых МЭМС, появившихся в 2013 году, смогут изменить мир электроники в будущем.
Теги: mems for consumer electronics mems for healthcare мэмс в здравоохранении мэмс для бытовой электроники
Без МЭМС современные "разумные телефоны" (смартфоны) не были бы "разумными". Будь то датчики движения на основе акселерометров и гироскопов, средства шумоподавления микрофонов, многодиапа-
зонные радиоприемники с настраиваемыми РЧ-конденсаторами, – ключевой элемент, позволяющий реализовывать новые или усовершенствованные функциональные возможности потребительской электроники, и не только мобильных телефонов, – это МЭМС. Различные компании, анализирующие рынок МЭМС, считают, что по темпам роста он превзойдет рынок полупроводниковых приборов [1, 2]. И на первой состоявшейся в октябре конференции "Формируя будущее МЭМС и сенсоров" (Shaping the Future of MEMS and Sensors) вице-президент подразделения МЭМС и датчиков компании Fairchild Semiconductor Януш Брыжек утверждал, что к 2023 году объем отгрузок МЭМС-датчиков составит 1 трлн. единиц, что потребует 130 млн. 200-мм пластин для изготовления специализированных микросхем и 260 млн. 200-мм пластин для МЭМС при общей площади пластин 3·108 м2. Такого объема удастся достичь благодаря новым областям применения МЭМС. А чего ждать уже в 2014 году?
Адаптивная настройка
Сегодня МЭМС-компоненты для мобильных телефонов, число пользователей которых достигает 6 млрд., формируют самый крупный сектор рынка сбыта МЭМС. И если до недавнего времени в бытовой технике в основном применялись инерциальные датчики – акселерометры, гироскопы и магнитометры, – то сегодня МЭМС уже появились и в радиочастотных блоках.
Качество приема мобильных устройств постоянно ухудшается из-за помех, вносимых сенсорными экранами и руками пользователей. Это мешает более широкому применению мобильных LTE-устройств, предъявляющих высокие требования к блокам приема широкополосных сигналов беспроводных систем связи. Поэтому для будущих поколений смартфонов необходимо обеспечить адаптивную настройку частоты и согласование полного сопротивления антенн и блоков мобильного телефона [3]. Первые РЧ МЭМС перестройки частоты антенны мобильного телефона в 2012 году выпустила компания WiSpry совместно с IBM Microelectronics, предоставившей ей услуги контрактного производителя [4]. В 2013 году на рынке появился конкурент WiSpry – компания Cavendish Kinetics, представившая МЭМС-схему, которая способна адаптивно настраивать частоту LTE-антенны мобильного телефона, предотвращая обрыв вызова.
Матрица МЭМС-перестраиваемых конденсаторов компании Cavendish Kinetics позволит в итоге создать полностью перестраиваемый РЧ-модуль. С его помощью пользователь смог настраивать частоту антенны и согласовывать полное сопротивление широкополосной антенны и блоков мобильного телефона уже с 2013 года, в 2014 сможет осуществить регулировку усилителя мощности и в 2015–2016 году – настройку фильтра и дуплексной антенны (рис.1).
Матрица МЭМС-переключаемых конденсаторов изготавливалась с помощью стандартного КМОП-процесса. Но при этом разработчики использовали запатентованную технологию, позволяющую размещать МЭМС-элементы в микроуглублениях для изоляции подвижных деталей от воздействия посторонних частиц. В первом модуле в корпусе, сопоставимом по размерам с кристаллом, преду-
смотрена возможность получения 32 значений емкости переключаемых конденсаторов, хотя модуль содержит несколько сотен конденсаторов [5].
Высококачественные МЭМС-микрофоны. Прорывная инновация
Сейчас iPhone 5 – один из немногих смартфонов, имеющих широкополосный микрофон. Но в конце 2014 года почти каждый мобильный оператор в мире будет стремиться обеспечить кристально-чистое звучание высококачественных аудиоустройств, представляемых пользователям мобильных телефонов. По данным компании IHS iSuppli, среднегодовой совокупный рост доходов от продаж МЭМС-микрофонов для потребительской электроники с 2010 по 2014 год составит 23%. К 2015 году будут отгружены 2,9 млрд. МЭМС-микрофонов (в четыре раза больше, чем в 2010). Рост популярности этих приборов обусловлен надежной монолитной структурой, высокой стойкостью к механическим колебаниям, малой занимаемой площадью и толщиной, а также возможностью получения цифрового выходного сигнала. К тому же при использовании МЭМС-микрофонов существенно улучшается качество звучания различных приложений. И еще, в смартфонах все чаше вместо одного используются два микрофона, а в некоторых и три, и, по-видимому, их число будет возрастать. Матрицы согласованных по чувствительности и частотным характеристикам микрофонов обеспечивают активное шумоподавление и эхокомпенсацию, не говоря о формировании направленности луча. Эти свойства бесценны для сотовых телефонов и других приборов, используемых в шумной внешней среде с неконтролируемыми условиями.
Чтобы удовлетворить растущую потребность в высококачественных широкополосных мобильных телефонах, компания Akustica (филиал концерна Bosch) в конце 2012 года выпустила семейство МЭМС-микрофонов, поддерживающих высококачественный звук в любых смартфонах, планшетных компьютерах и других мобильных устройствах. В семейство входят четыре МЭМС-микрофона – два аналоговых (AKU142/342) и два цифровых (AKU240/440) – в новом конструктивном исполнении с верхними и нижними портами крепления (рис.2). Для получения адекватного звучания через микрофоны как с верхними, так и с нижними портами крепления разработчики поместили микрофон с верхним креплением ближе к входу акустического сигнала. Такое, казалось бы, незначительное изменение монтажа привело к получению качества, сопоставимого с качеством звука через микрофон с нижним креплением. Отношение сигнал–шум МЭМС-микрофона с верхним креплением составило 63 дБ в диапазоне 20 Гц – 20 кГц (типичное значение для таких микрофонов – 59 дБ). Равномерность частотной характеристики ±5 дБ в диапазоне
50 Гц – 14 кГц соответствует требованиям, предъявляемым к сверхширокополосным системам.
По размерам аналоговые и цифровые микрофоны почти не отличаются от представленных на рынке традиционных микрофонов – 2,95×3,76×1,1 и 3,0×4,0×1,0 мм соответственно. Это значит, что новые микрофоны смогут заменить большинство используемых сегодня микрофонов и тем самым позволят производителям легко реализовать устройства со сверхширополосным аудиодиапазоном. При этом новые МЭМС-приборы компании Akustica расширяют возможности разработчиков видеокамер, в которых обычно используются микрофоны с верхним креплением [6].
Радиочастотные МЭМС-резонаторы для мобильных устройств
SiTime известна как первая компания, выпустившая на рынок МЭМС-блок синхронизации для мобильных телефонов. Но, по-видимому, первым радиочастотным МЭМС-тактовым устройством, который "взломает" рынок компонентов для мобильных телефонов, станет пьезоэлекрический МЭМС-резонатор, разработанный отпочковавшейся в 2007 году от Университета Бостона компанией Sand 9. Предсказываемый резонатору успех разработчики объясняют сильной электромеханической связью пьезоэлектрика (нитрида алюминия), нанесенного поверх резонатора, с РЧ-микросхемой. Благодаря этому оказалось возможным создать малогабаритный резонатор с низким энергопотреблением и высокой стабильностью на более высоких частотах, чем у существующих МЭМС-устройств.
Встречно-гребенчатая конструкция пьезо-элек-
трического резонатора (рис.3) позволяет форми-
ровать стоячую волну на требуемой частоте. Резонатор имеет многослойную структуру: слой кремния заключен между пленками оксида кремния с нанесенным поверх слоем нитрида алюминия. Поскольку высокая температура оказывает противоложное воздействие на кремний и оксид кремния, частотная стабильность прибора достигает 200 ppm без внешней температурной компенсации. Sand 9 планирует выпустить МЭМС-резонатор TM061 на частоту 48 МГц и термостабильный МЭМС-резонатор TM361 на частоту 76,8 МГц. TM061 поставляется с кремниевым защитным покрытием без специализированной ASIC-микросхемы, благодаря чему стоимость его низкая. Предназначена микросхема для смарт-приложений стандарта Bluetooth. TM361 также поставляется с "пустой" крышкой, но его многослойная структура содержит термистор и нагреватель. Интегрированный термистор обеспечивает на порядок лучшее тепловое взаимодействие с управляемой схемой, чем кварцевый генератор, который должен использовать внешний термистор. Нагреватель облегчает калибровку резонатора изготовителям комплексного оборудования. Оба резонатора монтируются в корпус размером 0,76×0,84×0,5 мм, который, по утверждению разработчиков, в два раза меньше современных самых малогабаритных кварцевых резонаторов и при этом на порядок более ударостойкий.
Схемы компании будут изготавливаться двумя контрактными производителями – GlobalFoundries (МЭМС-элементы) и IBM (специализированная ASIC-схема). При объединении микросхем ASIC-схема располагается под крышкой корпуса МЭМС-резонатора, габариты которого соответствуют размерам ее подложки. Контакты резонатора и ASIC формируются с помощью сквозных отверстий через кремний.
В планах компании – выпустить прибор с интегрированным блоком ФАПЧ, необходимым пьезо-
электрическому генератору, и в дальнейшем создать термочувствительный МЭМС-генератор со схемой резонатора, включенной в его кремниевое покрытие. Sand 9 рассчитывает, что МЭМС-резонаторы семейства с низким энергопотреблением заменят кварцевые резонаторы с температурной стабилизацией в приемопередатчиках беспроводных систем мобильных телефонов, интегральных схемах управления питанием, GPS-, WiFi-, FM-, Bluetooth-системах. Пьезоэлектрические МЭМС-резонатры компании смогут использоваться и для точной синхронизации Интернета вещей. Но это не все достоинства новых пьезоэлектрических резонаторов и генераторов компании Sand 9 [7].
Скрытые МЭМС-резонаторы
Наиболее интересная особенность новых пьезоэлектрических МЭМС-резонаторов и генераторов компании Sand 9 – их, казалось бы, "отсутствие" при демонтаже мобильного устройства. Поскольку компания поставляет на рынок только приборы в корпусах, сопоставимых по размерам с кристаллом, резонаторы могут быть смонтированы в одном корпусе с микросхемой, для которой и генерируются тактовые сигналы (рис.4), освобождая площадь печатной платы, отводимую под громоздкие кварцевые генераторы.
КМОП + МЭМС (КМЭМС)
Компания Silicon Labs пошла еще дальше и объединила прецизионный МЭМС-генератор со стандартной КМОП-микросхемой, создав так называемую КМЭМС-схему (CMOS + MEMS, CMEMS). Компания воспользовалась технологией, позволяющей интегрировать МЭМС-тактовый элемент и микросхему заказчика, которая была разработана приобретенной в 2010 году компанией Silicon Clocks. В результате совершенствования КМЭМС-технологии, Silicon Labs, специализирующаяся на создании микросхем обработки смешанного сигнала (цифрового и аналогового), смогла первой выпустить однокристальную полупроводниковую альтернативу кварцевым генераторам – семейство КМЭМС-генераторов Si50x. Новое МЭМС-семейство содержит МЭМС-резонатор с блоком управления частотой, нанесенным с помощью запатентованной технологии поверх специализированной КМОП ASIC-миросхемы (рис.5). КМЭМС-технология впервые позволила путем постобработки наносить слои с высококачественными МЭМС-устройствами поверх специализированных микросхем обработки смешанного сигнала (с топологическими нормами не более 0,18 мкм).
К достоинствам МЭМС-генераторов, выполненных на основе КМЭМС-технологии, относятся:
гарантируемый десятилетний срок службы. Выполненные полностью на кремнии КМЭМС-генераторы характеризуются высокой устойчивостью к воздействию ударов, колебаний, ускорения и к старению;
лучшая частотная стабильность для данного класса приборов в промышленном температурном диапазоне. Благодаря сильной связи МЭМС-резонатора с датчиком температуры и блоком компенсации стабильность частоты генератора составляет ±20 ppm в диапазоне температур –4…85˚С. Кроме того, пленка диоксида кремния, нанесенная поверх основного материала структуры (SiGe), обеспечивает пассивную компенсацию температурного коэффициента материала. В результате уход частоты резонатора под влиянием температуры снижен с –30 ppm/°C до значений менее ±1 ppm/°C;
программируемая архитектура, позволяющая конфигурировать приборы онлайн и поставлять запрограммированные производителем образцы в течение двух недель после оформления заказа;
возможность производства и тестирования крупными контрактными производителями микросхем, поскольку КМЭМС-схема выполнена по стандартной полупроводниковой технологии. Современные кварцевые и МЭМС-генераторы, выполненные на основе двух физически различных компонентов, формируемых разными методами, зачастую изготавлтваются и разными компаниями. В результате для их создания требуется применение шлифующих материалов, высокотемпературных процессов и дорогостоящих многокристальных модулей или керамических корпусов.
Сейчас КМЭМС-генераторы выпускает китайский контрактный производитель Semiconductor Manufacturing International Corp. (SMIC), изготавливающий изделия компаний Broadcom, Qualcomm и Texas Instruments [8]. Микросхемы КМЭМС-семейства Si50x рассчитаны на частотный диапазон 32 кГц – 100 МГц. Возможна поставка более дешевых генераторов с меньшей частотной стабильностью и меньшим диапазоном рабочих температур. Заказчики могут оформлять изделия в соответствии со своими требованиями с помощью онлайн-заказа. Помимо корпусов, совместимых по разъемам и форм-фактору с существующими кварцевыми или МЭМС-генераторами, микросхемы КМЭМС-семейства поставляются в корпусах размером 2×2,5 мм. Выпускаются модели с выходными сигналами одной, двух или четырех частот, а также полностью программируемые модели, обеспечивающие точную настройку.
Генераторы КМЭМС-семейства смогут найти применение в цифровых фотоаппаратах, схемах памяти, торговых автоматах, кассовых аппаратах, многофункциональных принтерах [9].
Стабилизация частоты без температурной компенсации
Сейчас МЭМС-генераторы для стабилизации выходной частоты используют блоки температурной компенсации, содержащие датчик температуры, преобразователь температуры в цифровые данные и блок ФАПЧ с дробным коэффициентом деления. Новые кремниевые МЭМС-генераторы компании SiTime, получившие название TempFlat-генераторов, обходятся без блока температурной компенсации и обеспечивают в 30 раз более высокую стабильность частоты в сравнении с существующими МЭМС-генераторами – до 20 ppm практически во всем промышленном диапазоне температур (рис.6). Это позволило существенно улучшить рабочие характеристики генератора, уменьшить его размеры и энергопотребление и, конечно, снизить стоимость. В 2011 году компания демонстрировала МЭМС-генератор с эффективным блоком температурной компенсации, частотная стабильность которого составляла 100 ppb (100 миллиардных долей). Частотная стабильность 32-кГц генераторов семейства SiT15xx с МЭМС-резонаторами TempFlat равна 20–100 ppm. Компания рассчитывает, что стабильность TempFlat-резонаторов с новой аналоговой схемой может составить 5 ppb. Такие резонаторы найдут применение в средствах синхронизации систем базовых станций мобильной связи, оптических связных сетях.
Таким образом, сочетание МЭМС-резонаторов без температурной компенсации, изготовленных по технологии TempFlat, и полупроводниковой инфраструктуры сможет изменить рынок устройств синхронизации и способствовать распространению РЧ МЭМС-приборов [10].
Сверхпрецизионные пьезоэлектрические МЭМС (пМЭМС)
Сверхпрецизионные пьезоэлектрические МЭМС-генераторы компании Integrated Device Technologies (IDT), помимо мобильных систем, смогут использоваться и в следующем поколении роутеров и сетевых коммутаторов сети 10Gbit Ethernet. Как утверждают разработчики, рабочая частота новых дифференциальных пМЭМС-генераторов серии 4H может составлять сотни мегагерц или даже несколько гигагерц. Испытания показали, что стабильность частоты при старении генераторов сопоставима со стабильностью кварцевых генераторов при комнатной температуре и существенно лучше при температуре 125˚С. Кроме того, по надежности они в 40 раз превосходят кварцевые генераторы. пМЭМС-генераторы более устойчивы к электромагнитным помехам, воздействию колебаний и ударов. Но основное достоинство новых генераторов компании – чрезвычайно низкий фазовый джиттер (100 фс), что позволяет существенно сократить частоту ошибок по битам прибора, который на 25% дешевле конкурентных решений на основе кварцевых генераторов. Поставляются пМЭМС-генераторы серии 4H в корпусах размером 3,2×2,5 мм, а также в стандартных корпусах, совместимых по разъемам с корпусами кварцевых генераторов (рис.7) [11].
Расширения географически привязанных услуг
Географически привязанные услуги – функция смартфонов, которые следят за перемещениями владельца и дают ему точные направления движения и координаты интересующих его объектов (например, местоназождение ближайшего кофе-бара). Для предоставления этих услуг смартфоны используют информацию системы GPS. Но когда сигналы GPS недоступны, все чаще применяются МЭМС-устройства. По мере уменьшения габаритов мобильных систем необходимо уменьшать и размеры используемых в них МЭМС-микросхем. Это заставило компанию STMicroelectronics выпустить, по ее утверждению, самый маленький в мире электронный компас (е-компас) (рис.8). Шестнадцатиразрядный е-компас LSM303C выполнен на основе трехосевых магнитометра и акселерометра. Он может измерять напряженность магнитного поля до ±16 Гс. Программируемый акселерометр позволяет задавать уровень измеряемой напряженности ±(2, 4 или 8) Гс. Микросхема содержит блоки регулировки питания, температурной компенсации и программируемых прерываний.
Размер е-компаса (2×2 мм) на 20% меньше размера предыдущей модели шестиосевого прибора. Его применение позволяет сэкономить около 1 мм2 площади печатной платы. Не такая уж большая экономия, но весьма желательная для смартчасов или контролирующих состояние владельца браслетов. Благодаря упрощению топологии печатной платы удалось уменьшить чувствительность нового е-компаса к электромагнитным помехам и тем самым улучшить навигацию в помещении и другие географически привязанные услуги [12].
Контекстно-зависимые датчики
Компания Invensense прекратила разработку средств регистрации движения и обратилась к созданию так называемых контекстно-зависимых (context aware) МЭМС-устройств, т.е. приборов, реагирующих на нужды пользователя в соответствии с ситуацией, например, отключающих звонок телефона, когда пользователь в театре. Электронный прибор на основе таких МЭМС сможет реагировать на действия пользователя в зависимости от условий, в которых он находится, – дома, на работе, в автомобиле. На Выставке бытовой электроники 2013 года (СES 2013) компания демонстрировала контекстно-зависимую систему (Contextual Awareness System Development Kit, CA-SDK) в виде наручных смартчасов (рис.9).
Комплект CA-SDK содержит печатную плату размером 4,3×3,8 мм с девятиосевым инерциальным измерительным блоком (Inertial Measurement Unit, IMU) MPU-9250 (блок содержит трехосевые акселерометр, гироскоп и магнитометр [13]), а также программные средства слежения за движением (MotionApps), содержащие алгоритмы оценки ситуации (контекста) – ориентации, местоположения, перемещения смартфона, а также ситуации, в которой он используется. Это позволяет формировать виртуальные датчики, способные настраивать смартфон в зависимости от условий его работы.
Слияние сенсорных данных
По мнению специалистов компании Movea (поставщика средств совместной обработки данных и процессоров движения), сегодня следует выйти за пределы "интеграции (слияния) датчиков" и перейти к "интеграции (слиянию) данных". Поскольку современные смартфоны могут пользоваться различными типами данных, они смогут выполять функцию упреждения желания пользователя. Компании STMicroelectronics и Movea заключили соглашение об интеграции аппаратно-программного обеспечения Movea в высокопроизводительный микроконтроллер с малым энергопотреблением STM32F401 и создании интегрированного инструмента слияния данных нескольких датчиков – мэшапа. Устройство можно будет использовать для предоставления привлекательных контекстно-зависимых функций и услуг (например, навигации пешеходов или контроля деятельности пользователя).
Устройства, оснащенные мэшапом, смогут учитывать требования пользователя и предоставлять дополнительные услуги с учетом его действий, местонахождения и окружающей обстановки. Технология слияния различных датчиков (sensor hub) компании Movea основана на комплексе программ, аппаратно-программных средствах и инструментах. Комплекс обеспечивает слияние данных акселерометра, гироскопа, магнитометра и датчика давления и поддерживает функции сенсорной платформы на основе STM32F401, а именно автокалибровку, трехмерную ориентацию, функции трехмерного компаса, реагирование на жесты, контроль деятельности пользователя и навигацию пешехода. Movea будет поставлять все программы обработки данных датчиков движения и вспомогательные программы для Android- и Windows-приложений [14].
Однако девятиосевой IMU со встроенным 32-разрядным микроконтроллером, позволяющим интегрировать данные трех трехосевых датчиков (16-бит акселерометра, 16-бит гироскопа с диапазоном ±2000˚/с и малошумящего широкполосного геомагнитного датчика) для получения надежного абсолютного датчика ориентации, был представлен еще в 2012 году компанией Bosch [4]. Датчик BMX055 на основе этих МЭМС обеспечивает точные данные об ускорении, угловой скорости, а также данные геомагнитных измерений.
BMX055 поддерживает программные средства для сенсорного слияния Bosch Sensortec FusionLib, использующие ноу-хау компании в сфере MEMS-сенсорных технологий (рис.10). Программа FusionLib формирует виртуальные датчики (в центре на рис.10) для специальных приложений (указаны на рисунке справа) путем слияния потоков данных (слева на рисунке) десяти датчиков, в том числе и датчика атмосферного давления для определения абсолютной высоты.
Высокопрецизионные инерциальные измерительные блоки для потребительской электроники
IMU компании Bosch – первый представитель семейства компонентов, формирующих узлы специализированных сенсорных сетей (Application Specific Sensor Node – ASSN), каждый из которых представляет собой микросхему, обеспечивающую слияние данных. Инерциальный блок предоставит потребительским приборам (смартфонам, планшетным компьютерам, игровым консолям и цифровым фотокамерам) возможности стабилизации изображения, отслеживания движения пешехода и распознавания жестов для реализации дополненной реальности, игр с полным эффектом присутствия и навигации в помещении. Перспективны IMU и для промышленных систем.
Традиционно разработчики использовали старшие модели IMU компании Analog Devices, много лет поставлявшей их со сверхпрецизионными МЭМС-элементами. Однако поставщики МЭМС начали вторгаться в этот сектор рынка. Так, компания Invensense в 2012 году объявила о выпуске первого в мире высокопрецизионного девятиосевого инерциального блока измерения движения (MotionTracking-модуль) MPU-9150, содержащего микросхему шестиосевого комбинированного датчика (трехосевые акселерометр/гироскоп) с запатентованным процессором обработки сигналов, вызванных движением (Digital Motion Processor, DMP), и схему трехосевого цифрового компаса [4].
О разработке высокопрецизионного комбинированного блока с шестью степенями свободы, содержащего трехосевые акселерометр/гироскоп со стабильностью смещения 7˚/ч, в 2013 году объявила и компания Epson Electronics America. Блок IMU V340 размером 12×10×4 мм (на 90% меньше, чем у предшественника) и массой 1 г выполнен по технологии Q-MEMS, позволяющей объединить кварцевые элементы с МЭМС (рис.11) Потребляемый ток комбинированного датчика составляет 18 мА. Как и другие Q-MEMS компании, он отличается хорошей вибро- и ударостойкостью и может работать при неблагоприятных условиях окружающей среды... Новый IMU должен найти применение в системах навигации, автоматизированных системах, медицинском оборудовании и аэрокосмической аппаратуре.
На Конференции международной ассоциации производителей необслуживаемых систем 2013 года (Association of Unmanned Systems International, AUVSI 2013) компания Epson демонстрировала инерциальный измерительный датчик G362 со стабильностью смещения 3˚/ч, способный конкурировать по рабочим характеристикам с дорогими волоконно-оптическими или кольцевыми лазерными гироскопами старших моделей, но превосходящий их по габаритам и стоимости. Предназначен G362 для приложений, требующих высокой точности на протяжении длительного периода, например, для стабильных фотокамер и антенн на карданном подвесе [15].
Будущее здравоохранения
Новые возможности для МЭМС-схем открывают средства предоставления медицинских услуг и поддержания здорового образа жизни. Пример – анонсированный в октябре 2013 года компанией Nike, одним из крупнейших в мире производителей спортивных товаров, браслет Nike+ Fuelband SE. Благодаря наличию МЭМС-инерциальных датчиков браслет может не только отслеживать физическую активность лиц, занимающихся различными видами спорта, но и мотивировать их на более активные занятия спортом и фитнесом. Вслед за этими устройствами поддержания здоровья
появятся средства предоставления медицинских услуг, которые позволят лечиться дома или отправлять пациента домой "с больницей". Управление по контролю за продуктами и медикаментами США уже разрешило использовать около десятка таких контролирующих здоровье приборов на основе МЭМС. К ним относится система дистанционного контроля состояния пациента BodyGuardian компании Preventice. Она содержит блок управления и беспроводной МЭМС-датчик, который крепится на теле пациента с помощью липкой ленты и круглосуточно передает медицинскому персоналу его частоту пульса, дыхания и уровень активности. Используя носимые устройства и сопутствующие средства диагностики, лечения и контроля, врачи могут улучшить контакт с пациентом, снизить затраты на его лечение и обеспечить лучший уход за ним.
Средства оказания медицинских услуг на основе совершенно новых типов МЭМС представляют собой пригодные для имплантации устройства, автоматически дозирующие лекарственные средства. К ним относятся микрофлюидные приборы ввода инсулина, созданные компанией Debiotech (Швейцария) при поддержке STMicroelectronics, а также имплантируемые тонометры компании CardioMEMS и одно из наиболее амбициозных на сегодняшний день МЭМС-устройств – микрофлюидная "пипетка" компании Replenish. Ее можно имплантировать в глаз и вводить по мере надобности точную дозу лекарства нанолитрового объема в течение девяти месяцев с последующей заправкой, выполняемой без операционного вмешательства (рис.12) [16].
Литература
Гольцова М. Перспективы развития МЭМС. Интенсивный рост, новая движущая сила. – Электроника: НТБ, 2013, №6, с.113.
Майская В. Амбициозные планы промышленности МЭМС. От миллионного долларового рынка к триллионному? – Электроника: НТБ, 2012, №8, с.100.
Майская В. МЭМС-технология завоевывает новые рубежи. – Электроника: НТБ, 2013, №1, 183.
Майская В. МЭМС Рынок. Стойкий продолжительный рост. – Электроника: НТБ, 2012, №5, с.42–55.
Johnson R.C. LTE reception boosted by MEMS device. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1280758.
www.micromanufacturing.com/content/mems-mics-go-super-wideband.
Johnson R.C. Sand 9 MEMS cracks cellphone market. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319381.
CMEMS Technology – Better by design. –www.silabs.com/products/clocksoscillators/mems/Pages/cmems-technology.aspx#programmability).
Johnson R.C. Silicon Labs integrates oscillator on standard CMOS chip. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1263340.
Johnson R.C. MEMS nixes temperature compensation. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1318870.
Johnson R.C. MEMS oscillators boost 10Gbit Ethernet. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1263128.
Johnson R.C. ST hawks smallest MEMS compass. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319133.
Johnson R.C. MEMS tackles contextual awarenes. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1262956.
Clarke P. ST, Movea forge mobile sensor hub. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319577.
Johnson R.C. Q-MEMS Downsizes Inertial measurement units. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319250.
Johnson R.C. Shaping the future of MEMS. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319490&page_number=2.
зонные радиоприемники с настраиваемыми РЧ-конденсаторами, – ключевой элемент, позволяющий реализовывать новые или усовершенствованные функциональные возможности потребительской электроники, и не только мобильных телефонов, – это МЭМС. Различные компании, анализирующие рынок МЭМС, считают, что по темпам роста он превзойдет рынок полупроводниковых приборов [1, 2]. И на первой состоявшейся в октябре конференции "Формируя будущее МЭМС и сенсоров" (Shaping the Future of MEMS and Sensors) вице-президент подразделения МЭМС и датчиков компании Fairchild Semiconductor Януш Брыжек утверждал, что к 2023 году объем отгрузок МЭМС-датчиков составит 1 трлн. единиц, что потребует 130 млн. 200-мм пластин для изготовления специализированных микросхем и 260 млн. 200-мм пластин для МЭМС при общей площади пластин 3·108 м2. Такого объема удастся достичь благодаря новым областям применения МЭМС. А чего ждать уже в 2014 году?
Адаптивная настройка
Сегодня МЭМС-компоненты для мобильных телефонов, число пользователей которых достигает 6 млрд., формируют самый крупный сектор рынка сбыта МЭМС. И если до недавнего времени в бытовой технике в основном применялись инерциальные датчики – акселерометры, гироскопы и магнитометры, – то сегодня МЭМС уже появились и в радиочастотных блоках.
Качество приема мобильных устройств постоянно ухудшается из-за помех, вносимых сенсорными экранами и руками пользователей. Это мешает более широкому применению мобильных LTE-устройств, предъявляющих высокие требования к блокам приема широкополосных сигналов беспроводных систем связи. Поэтому для будущих поколений смартфонов необходимо обеспечить адаптивную настройку частоты и согласование полного сопротивления антенн и блоков мобильного телефона [3]. Первые РЧ МЭМС перестройки частоты антенны мобильного телефона в 2012 году выпустила компания WiSpry совместно с IBM Microelectronics, предоставившей ей услуги контрактного производителя [4]. В 2013 году на рынке появился конкурент WiSpry – компания Cavendish Kinetics, представившая МЭМС-схему, которая способна адаптивно настраивать частоту LTE-антенны мобильного телефона, предотвращая обрыв вызова.
Матрица МЭМС-перестраиваемых конденсаторов компании Cavendish Kinetics позволит в итоге создать полностью перестраиваемый РЧ-модуль. С его помощью пользователь смог настраивать частоту антенны и согласовывать полное сопротивление широкополосной антенны и блоков мобильного телефона уже с 2013 года, в 2014 сможет осуществить регулировку усилителя мощности и в 2015–2016 году – настройку фильтра и дуплексной антенны (рис.1).
Матрица МЭМС-переключаемых конденсаторов изготавливалась с помощью стандартного КМОП-процесса. Но при этом разработчики использовали запатентованную технологию, позволяющую размещать МЭМС-элементы в микроуглублениях для изоляции подвижных деталей от воздействия посторонних частиц. В первом модуле в корпусе, сопоставимом по размерам с кристаллом, преду-
смотрена возможность получения 32 значений емкости переключаемых конденсаторов, хотя модуль содержит несколько сотен конденсаторов [5].
Высококачественные МЭМС-микрофоны. Прорывная инновация
Сейчас iPhone 5 – один из немногих смартфонов, имеющих широкополосный микрофон. Но в конце 2014 года почти каждый мобильный оператор в мире будет стремиться обеспечить кристально-чистое звучание высококачественных аудиоустройств, представляемых пользователям мобильных телефонов. По данным компании IHS iSuppli, среднегодовой совокупный рост доходов от продаж МЭМС-микрофонов для потребительской электроники с 2010 по 2014 год составит 23%. К 2015 году будут отгружены 2,9 млрд. МЭМС-микрофонов (в четыре раза больше, чем в 2010). Рост популярности этих приборов обусловлен надежной монолитной структурой, высокой стойкостью к механическим колебаниям, малой занимаемой площадью и толщиной, а также возможностью получения цифрового выходного сигнала. К тому же при использовании МЭМС-микрофонов существенно улучшается качество звучания различных приложений. И еще, в смартфонах все чаше вместо одного используются два микрофона, а в некоторых и три, и, по-видимому, их число будет возрастать. Матрицы согласованных по чувствительности и частотным характеристикам микрофонов обеспечивают активное шумоподавление и эхокомпенсацию, не говоря о формировании направленности луча. Эти свойства бесценны для сотовых телефонов и других приборов, используемых в шумной внешней среде с неконтролируемыми условиями.
Чтобы удовлетворить растущую потребность в высококачественных широкополосных мобильных телефонах, компания Akustica (филиал концерна Bosch) в конце 2012 года выпустила семейство МЭМС-микрофонов, поддерживающих высококачественный звук в любых смартфонах, планшетных компьютерах и других мобильных устройствах. В семейство входят четыре МЭМС-микрофона – два аналоговых (AKU142/342) и два цифровых (AKU240/440) – в новом конструктивном исполнении с верхними и нижними портами крепления (рис.2). Для получения адекватного звучания через микрофоны как с верхними, так и с нижними портами крепления разработчики поместили микрофон с верхним креплением ближе к входу акустического сигнала. Такое, казалось бы, незначительное изменение монтажа привело к получению качества, сопоставимого с качеством звука через микрофон с нижним креплением. Отношение сигнал–шум МЭМС-микрофона с верхним креплением составило 63 дБ в диапазоне 20 Гц – 20 кГц (типичное значение для таких микрофонов – 59 дБ). Равномерность частотной характеристики ±5 дБ в диапазоне
50 Гц – 14 кГц соответствует требованиям, предъявляемым к сверхширокополосным системам.
По размерам аналоговые и цифровые микрофоны почти не отличаются от представленных на рынке традиционных микрофонов – 2,95×3,76×1,1 и 3,0×4,0×1,0 мм соответственно. Это значит, что новые микрофоны смогут заменить большинство используемых сегодня микрофонов и тем самым позволят производителям легко реализовать устройства со сверхширополосным аудиодиапазоном. При этом новые МЭМС-приборы компании Akustica расширяют возможности разработчиков видеокамер, в которых обычно используются микрофоны с верхним креплением [6].
Радиочастотные МЭМС-резонаторы для мобильных устройств
SiTime известна как первая компания, выпустившая на рынок МЭМС-блок синхронизации для мобильных телефонов. Но, по-видимому, первым радиочастотным МЭМС-тактовым устройством, который "взломает" рынок компонентов для мобильных телефонов, станет пьезоэлекрический МЭМС-резонатор, разработанный отпочковавшейся в 2007 году от Университета Бостона компанией Sand 9. Предсказываемый резонатору успех разработчики объясняют сильной электромеханической связью пьезоэлектрика (нитрида алюминия), нанесенного поверх резонатора, с РЧ-микросхемой. Благодаря этому оказалось возможным создать малогабаритный резонатор с низким энергопотреблением и высокой стабильностью на более высоких частотах, чем у существующих МЭМС-устройств.
Встречно-гребенчатая конструкция пьезо-элек-
трического резонатора (рис.3) позволяет форми-
ровать стоячую волну на требуемой частоте. Резонатор имеет многослойную структуру: слой кремния заключен между пленками оксида кремния с нанесенным поверх слоем нитрида алюминия. Поскольку высокая температура оказывает противоложное воздействие на кремний и оксид кремния, частотная стабильность прибора достигает 200 ppm без внешней температурной компенсации. Sand 9 планирует выпустить МЭМС-резонатор TM061 на частоту 48 МГц и термостабильный МЭМС-резонатор TM361 на частоту 76,8 МГц. TM061 поставляется с кремниевым защитным покрытием без специализированной ASIC-микросхемы, благодаря чему стоимость его низкая. Предназначена микросхема для смарт-приложений стандарта Bluetooth. TM361 также поставляется с "пустой" крышкой, но его многослойная структура содержит термистор и нагреватель. Интегрированный термистор обеспечивает на порядок лучшее тепловое взаимодействие с управляемой схемой, чем кварцевый генератор, который должен использовать внешний термистор. Нагреватель облегчает калибровку резонатора изготовителям комплексного оборудования. Оба резонатора монтируются в корпус размером 0,76×0,84×0,5 мм, который, по утверждению разработчиков, в два раза меньше современных самых малогабаритных кварцевых резонаторов и при этом на порядок более ударостойкий.
Схемы компании будут изготавливаться двумя контрактными производителями – GlobalFoundries (МЭМС-элементы) и IBM (специализированная ASIC-схема). При объединении микросхем ASIC-схема располагается под крышкой корпуса МЭМС-резонатора, габариты которого соответствуют размерам ее подложки. Контакты резонатора и ASIC формируются с помощью сквозных отверстий через кремний.
В планах компании – выпустить прибор с интегрированным блоком ФАПЧ, необходимым пьезо-
электрическому генератору, и в дальнейшем создать термочувствительный МЭМС-генератор со схемой резонатора, включенной в его кремниевое покрытие. Sand 9 рассчитывает, что МЭМС-резонаторы семейства с низким энергопотреблением заменят кварцевые резонаторы с температурной стабилизацией в приемопередатчиках беспроводных систем мобильных телефонов, интегральных схемах управления питанием, GPS-, WiFi-, FM-, Bluetooth-системах. Пьезоэлектрические МЭМС-резонатры компании смогут использоваться и для точной синхронизации Интернета вещей. Но это не все достоинства новых пьезоэлектрических резонаторов и генераторов компании Sand 9 [7].
Скрытые МЭМС-резонаторы
Наиболее интересная особенность новых пьезоэлектрических МЭМС-резонаторов и генераторов компании Sand 9 – их, казалось бы, "отсутствие" при демонтаже мобильного устройства. Поскольку компания поставляет на рынок только приборы в корпусах, сопоставимых по размерам с кристаллом, резонаторы могут быть смонтированы в одном корпусе с микросхемой, для которой и генерируются тактовые сигналы (рис.4), освобождая площадь печатной платы, отводимую под громоздкие кварцевые генераторы.
КМОП + МЭМС (КМЭМС)
Компания Silicon Labs пошла еще дальше и объединила прецизионный МЭМС-генератор со стандартной КМОП-микросхемой, создав так называемую КМЭМС-схему (CMOS + MEMS, CMEMS). Компания воспользовалась технологией, позволяющей интегрировать МЭМС-тактовый элемент и микросхему заказчика, которая была разработана приобретенной в 2010 году компанией Silicon Clocks. В результате совершенствования КМЭМС-технологии, Silicon Labs, специализирующаяся на создании микросхем обработки смешанного сигнала (цифрового и аналогового), смогла первой выпустить однокристальную полупроводниковую альтернативу кварцевым генераторам – семейство КМЭМС-генераторов Si50x. Новое МЭМС-семейство содержит МЭМС-резонатор с блоком управления частотой, нанесенным с помощью запатентованной технологии поверх специализированной КМОП ASIC-миросхемы (рис.5). КМЭМС-технология впервые позволила путем постобработки наносить слои с высококачественными МЭМС-устройствами поверх специализированных микросхем обработки смешанного сигнала (с топологическими нормами не более 0,18 мкм).
К достоинствам МЭМС-генераторов, выполненных на основе КМЭМС-технологии, относятся:
гарантируемый десятилетний срок службы. Выполненные полностью на кремнии КМЭМС-генераторы характеризуются высокой устойчивостью к воздействию ударов, колебаний, ускорения и к старению;
лучшая частотная стабильность для данного класса приборов в промышленном температурном диапазоне. Благодаря сильной связи МЭМС-резонатора с датчиком температуры и блоком компенсации стабильность частоты генератора составляет ±20 ppm в диапазоне температур –4…85˚С. Кроме того, пленка диоксида кремния, нанесенная поверх основного материала структуры (SiGe), обеспечивает пассивную компенсацию температурного коэффициента материала. В результате уход частоты резонатора под влиянием температуры снижен с –30 ppm/°C до значений менее ±1 ppm/°C;
программируемая архитектура, позволяющая конфигурировать приборы онлайн и поставлять запрограммированные производителем образцы в течение двух недель после оформления заказа;
возможность производства и тестирования крупными контрактными производителями микросхем, поскольку КМЭМС-схема выполнена по стандартной полупроводниковой технологии. Современные кварцевые и МЭМС-генераторы, выполненные на основе двух физически различных компонентов, формируемых разными методами, зачастую изготавлтваются и разными компаниями. В результате для их создания требуется применение шлифующих материалов, высокотемпературных процессов и дорогостоящих многокристальных модулей или керамических корпусов.
Сейчас КМЭМС-генераторы выпускает китайский контрактный производитель Semiconductor Manufacturing International Corp. (SMIC), изготавливающий изделия компаний Broadcom, Qualcomm и Texas Instruments [8]. Микросхемы КМЭМС-семейства Si50x рассчитаны на частотный диапазон 32 кГц – 100 МГц. Возможна поставка более дешевых генераторов с меньшей частотной стабильностью и меньшим диапазоном рабочих температур. Заказчики могут оформлять изделия в соответствии со своими требованиями с помощью онлайн-заказа. Помимо корпусов, совместимых по разъемам и форм-фактору с существующими кварцевыми или МЭМС-генераторами, микросхемы КМЭМС-семейства поставляются в корпусах размером 2×2,5 мм. Выпускаются модели с выходными сигналами одной, двух или четырех частот, а также полностью программируемые модели, обеспечивающие точную настройку.
Генераторы КМЭМС-семейства смогут найти применение в цифровых фотоаппаратах, схемах памяти, торговых автоматах, кассовых аппаратах, многофункциональных принтерах [9].
Стабилизация частоты без температурной компенсации
Сейчас МЭМС-генераторы для стабилизации выходной частоты используют блоки температурной компенсации, содержащие датчик температуры, преобразователь температуры в цифровые данные и блок ФАПЧ с дробным коэффициентом деления. Новые кремниевые МЭМС-генераторы компании SiTime, получившие название TempFlat-генераторов, обходятся без блока температурной компенсации и обеспечивают в 30 раз более высокую стабильность частоты в сравнении с существующими МЭМС-генераторами – до 20 ppm практически во всем промышленном диапазоне температур (рис.6). Это позволило существенно улучшить рабочие характеристики генератора, уменьшить его размеры и энергопотребление и, конечно, снизить стоимость. В 2011 году компания демонстрировала МЭМС-генератор с эффективным блоком температурной компенсации, частотная стабильность которого составляла 100 ppb (100 миллиардных долей). Частотная стабильность 32-кГц генераторов семейства SiT15xx с МЭМС-резонаторами TempFlat равна 20–100 ppm. Компания рассчитывает, что стабильность TempFlat-резонаторов с новой аналоговой схемой может составить 5 ppb. Такие резонаторы найдут применение в средствах синхронизации систем базовых станций мобильной связи, оптических связных сетях.
Таким образом, сочетание МЭМС-резонаторов без температурной компенсации, изготовленных по технологии TempFlat, и полупроводниковой инфраструктуры сможет изменить рынок устройств синхронизации и способствовать распространению РЧ МЭМС-приборов [10].
Сверхпрецизионные пьезоэлектрические МЭМС (пМЭМС)
Сверхпрецизионные пьезоэлектрические МЭМС-генераторы компании Integrated Device Technologies (IDT), помимо мобильных систем, смогут использоваться и в следующем поколении роутеров и сетевых коммутаторов сети 10Gbit Ethernet. Как утверждают разработчики, рабочая частота новых дифференциальных пМЭМС-генераторов серии 4H может составлять сотни мегагерц или даже несколько гигагерц. Испытания показали, что стабильность частоты при старении генераторов сопоставима со стабильностью кварцевых генераторов при комнатной температуре и существенно лучше при температуре 125˚С. Кроме того, по надежности они в 40 раз превосходят кварцевые генераторы. пМЭМС-генераторы более устойчивы к электромагнитным помехам, воздействию колебаний и ударов. Но основное достоинство новых генераторов компании – чрезвычайно низкий фазовый джиттер (100 фс), что позволяет существенно сократить частоту ошибок по битам прибора, который на 25% дешевле конкурентных решений на основе кварцевых генераторов. Поставляются пМЭМС-генераторы серии 4H в корпусах размером 3,2×2,5 мм, а также в стандартных корпусах, совместимых по разъемам с корпусами кварцевых генераторов (рис.7) [11].
Расширения географически привязанных услуг
Географически привязанные услуги – функция смартфонов, которые следят за перемещениями владельца и дают ему точные направления движения и координаты интересующих его объектов (например, местоназождение ближайшего кофе-бара). Для предоставления этих услуг смартфоны используют информацию системы GPS. Но когда сигналы GPS недоступны, все чаще применяются МЭМС-устройства. По мере уменьшения габаритов мобильных систем необходимо уменьшать и размеры используемых в них МЭМС-микросхем. Это заставило компанию STMicroelectronics выпустить, по ее утверждению, самый маленький в мире электронный компас (е-компас) (рис.8). Шестнадцатиразрядный е-компас LSM303C выполнен на основе трехосевых магнитометра и акселерометра. Он может измерять напряженность магнитного поля до ±16 Гс. Программируемый акселерометр позволяет задавать уровень измеряемой напряженности ±(2, 4 или 8) Гс. Микросхема содержит блоки регулировки питания, температурной компенсации и программируемых прерываний.
Размер е-компаса (2×2 мм) на 20% меньше размера предыдущей модели шестиосевого прибора. Его применение позволяет сэкономить около 1 мм2 площади печатной платы. Не такая уж большая экономия, но весьма желательная для смартчасов или контролирующих состояние владельца браслетов. Благодаря упрощению топологии печатной платы удалось уменьшить чувствительность нового е-компаса к электромагнитным помехам и тем самым улучшить навигацию в помещении и другие географически привязанные услуги [12].
Контекстно-зависимые датчики
Компания Invensense прекратила разработку средств регистрации движения и обратилась к созданию так называемых контекстно-зависимых (context aware) МЭМС-устройств, т.е. приборов, реагирующих на нужды пользователя в соответствии с ситуацией, например, отключающих звонок телефона, когда пользователь в театре. Электронный прибор на основе таких МЭМС сможет реагировать на действия пользователя в зависимости от условий, в которых он находится, – дома, на работе, в автомобиле. На Выставке бытовой электроники 2013 года (СES 2013) компания демонстрировала контекстно-зависимую систему (Contextual Awareness System Development Kit, CA-SDK) в виде наручных смартчасов (рис.9).
Комплект CA-SDK содержит печатную плату размером 4,3×3,8 мм с девятиосевым инерциальным измерительным блоком (Inertial Measurement Unit, IMU) MPU-9250 (блок содержит трехосевые акселерометр, гироскоп и магнитометр [13]), а также программные средства слежения за движением (MotionApps), содержащие алгоритмы оценки ситуации (контекста) – ориентации, местоположения, перемещения смартфона, а также ситуации, в которой он используется. Это позволяет формировать виртуальные датчики, способные настраивать смартфон в зависимости от условий его работы.
Слияние сенсорных данных
По мнению специалистов компании Movea (поставщика средств совместной обработки данных и процессоров движения), сегодня следует выйти за пределы "интеграции (слияния) датчиков" и перейти к "интеграции (слиянию) данных". Поскольку современные смартфоны могут пользоваться различными типами данных, они смогут выполять функцию упреждения желания пользователя. Компании STMicroelectronics и Movea заключили соглашение об интеграции аппаратно-программного обеспечения Movea в высокопроизводительный микроконтроллер с малым энергопотреблением STM32F401 и создании интегрированного инструмента слияния данных нескольких датчиков – мэшапа. Устройство можно будет использовать для предоставления привлекательных контекстно-зависимых функций и услуг (например, навигации пешеходов или контроля деятельности пользователя).
Устройства, оснащенные мэшапом, смогут учитывать требования пользователя и предоставлять дополнительные услуги с учетом его действий, местонахождения и окружающей обстановки. Технология слияния различных датчиков (sensor hub) компании Movea основана на комплексе программ, аппаратно-программных средствах и инструментах. Комплекс обеспечивает слияние данных акселерометра, гироскопа, магнитометра и датчика давления и поддерживает функции сенсорной платформы на основе STM32F401, а именно автокалибровку, трехмерную ориентацию, функции трехмерного компаса, реагирование на жесты, контроль деятельности пользователя и навигацию пешехода. Movea будет поставлять все программы обработки данных датчиков движения и вспомогательные программы для Android- и Windows-приложений [14].
Однако девятиосевой IMU со встроенным 32-разрядным микроконтроллером, позволяющим интегрировать данные трех трехосевых датчиков (16-бит акселерометра, 16-бит гироскопа с диапазоном ±2000˚/с и малошумящего широкполосного геомагнитного датчика) для получения надежного абсолютного датчика ориентации, был представлен еще в 2012 году компанией Bosch [4]. Датчик BMX055 на основе этих МЭМС обеспечивает точные данные об ускорении, угловой скорости, а также данные геомагнитных измерений.
BMX055 поддерживает программные средства для сенсорного слияния Bosch Sensortec FusionLib, использующие ноу-хау компании в сфере MEMS-сенсорных технологий (рис.10). Программа FusionLib формирует виртуальные датчики (в центре на рис.10) для специальных приложений (указаны на рисунке справа) путем слияния потоков данных (слева на рисунке) десяти датчиков, в том числе и датчика атмосферного давления для определения абсолютной высоты.
Высокопрецизионные инерциальные измерительные блоки для потребительской электроники
IMU компании Bosch – первый представитель семейства компонентов, формирующих узлы специализированных сенсорных сетей (Application Specific Sensor Node – ASSN), каждый из которых представляет собой микросхему, обеспечивающую слияние данных. Инерциальный блок предоставит потребительским приборам (смартфонам, планшетным компьютерам, игровым консолям и цифровым фотокамерам) возможности стабилизации изображения, отслеживания движения пешехода и распознавания жестов для реализации дополненной реальности, игр с полным эффектом присутствия и навигации в помещении. Перспективны IMU и для промышленных систем.
Традиционно разработчики использовали старшие модели IMU компании Analog Devices, много лет поставлявшей их со сверхпрецизионными МЭМС-элементами. Однако поставщики МЭМС начали вторгаться в этот сектор рынка. Так, компания Invensense в 2012 году объявила о выпуске первого в мире высокопрецизионного девятиосевого инерциального блока измерения движения (MotionTracking-модуль) MPU-9150, содержащего микросхему шестиосевого комбинированного датчика (трехосевые акселерометр/гироскоп) с запатентованным процессором обработки сигналов, вызванных движением (Digital Motion Processor, DMP), и схему трехосевого цифрового компаса [4].
О разработке высокопрецизионного комбинированного блока с шестью степенями свободы, содержащего трехосевые акселерометр/гироскоп со стабильностью смещения 7˚/ч, в 2013 году объявила и компания Epson Electronics America. Блок IMU V340 размером 12×10×4 мм (на 90% меньше, чем у предшественника) и массой 1 г выполнен по технологии Q-MEMS, позволяющей объединить кварцевые элементы с МЭМС (рис.11) Потребляемый ток комбинированного датчика составляет 18 мА. Как и другие Q-MEMS компании, он отличается хорошей вибро- и ударостойкостью и может работать при неблагоприятных условиях окружающей среды... Новый IMU должен найти применение в системах навигации, автоматизированных системах, медицинском оборудовании и аэрокосмической аппаратуре.
На Конференции международной ассоциации производителей необслуживаемых систем 2013 года (Association of Unmanned Systems International, AUVSI 2013) компания Epson демонстрировала инерциальный измерительный датчик G362 со стабильностью смещения 3˚/ч, способный конкурировать по рабочим характеристикам с дорогими волоконно-оптическими или кольцевыми лазерными гироскопами старших моделей, но превосходящий их по габаритам и стоимости. Предназначен G362 для приложений, требующих высокой точности на протяжении длительного периода, например, для стабильных фотокамер и антенн на карданном подвесе [15].
Будущее здравоохранения
Новые возможности для МЭМС-схем открывают средства предоставления медицинских услуг и поддержания здорового образа жизни. Пример – анонсированный в октябре 2013 года компанией Nike, одним из крупнейших в мире производителей спортивных товаров, браслет Nike+ Fuelband SE. Благодаря наличию МЭМС-инерциальных датчиков браслет может не только отслеживать физическую активность лиц, занимающихся различными видами спорта, но и мотивировать их на более активные занятия спортом и фитнесом. Вслед за этими устройствами поддержания здоровья
появятся средства предоставления медицинских услуг, которые позволят лечиться дома или отправлять пациента домой "с больницей". Управление по контролю за продуктами и медикаментами США уже разрешило использовать около десятка таких контролирующих здоровье приборов на основе МЭМС. К ним относится система дистанционного контроля состояния пациента BodyGuardian компании Preventice. Она содержит блок управления и беспроводной МЭМС-датчик, который крепится на теле пациента с помощью липкой ленты и круглосуточно передает медицинскому персоналу его частоту пульса, дыхания и уровень активности. Используя носимые устройства и сопутствующие средства диагностики, лечения и контроля, врачи могут улучшить контакт с пациентом, снизить затраты на его лечение и обеспечить лучший уход за ним.
Средства оказания медицинских услуг на основе совершенно новых типов МЭМС представляют собой пригодные для имплантации устройства, автоматически дозирующие лекарственные средства. К ним относятся микрофлюидные приборы ввода инсулина, созданные компанией Debiotech (Швейцария) при поддержке STMicroelectronics, а также имплантируемые тонометры компании CardioMEMS и одно из наиболее амбициозных на сегодняшний день МЭМС-устройств – микрофлюидная "пипетка" компании Replenish. Ее можно имплантировать в глаз и вводить по мере надобности точную дозу лекарства нанолитрового объема в течение девяти месяцев с последующей заправкой, выполняемой без операционного вмешательства (рис.12) [16].
Литература
Гольцова М. Перспективы развития МЭМС. Интенсивный рост, новая движущая сила. – Электроника: НТБ, 2013, №6, с.113.
Майская В. Амбициозные планы промышленности МЭМС. От миллионного долларового рынка к триллионному? – Электроника: НТБ, 2012, №8, с.100.
Майская В. МЭМС-технология завоевывает новые рубежи. – Электроника: НТБ, 2013, №1, 183.
Майская В. МЭМС Рынок. Стойкий продолжительный рост. – Электроника: НТБ, 2012, №5, с.42–55.
Johnson R.C. LTE reception boosted by MEMS device. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1280758.
www.micromanufacturing.com/content/mems-mics-go-super-wideband.
Johnson R.C. Sand 9 MEMS cracks cellphone market. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319381.
CMEMS Technology – Better by design. –www.silabs.com/products/clocksoscillators/mems/Pages/cmems-technology.aspx#programmability).
Johnson R.C. Silicon Labs integrates oscillator on standard CMOS chip. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1263340.
Johnson R.C. MEMS nixes temperature compensation. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1318870.
Johnson R.C. MEMS oscillators boost 10Gbit Ethernet. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1263128.
Johnson R.C. ST hawks smallest MEMS compass. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319133.
Johnson R.C. MEMS tackles contextual awarenes. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1262956.
Clarke P. ST, Movea forge mobile sensor hub. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319577.
Johnson R.C. Q-MEMS Downsizes Inertial measurement units. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319250.
Johnson R.C. Shaping the future of MEMS. – www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319490&page_number=2.
Отзывы читателей
