智能手機的觸感-《MEMS-Sensor》

BGND 2016-09-08

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智能手機出來之前，我們的手機都叫做“手機”，可以手上拿著打電話的機器而已。然后智能手機出來之后，我們以前的手機就有了新的名詞叫做“功能手機(Feature Phone)”，為了區(qū)分新出來的“智能手機(Smart Phone)”。

現(xiàn)在幾乎每個人手上都有智能手機吧？(好像只有我沒有~)。然而當你的手機聽到“Ok, google”的時候會突然被喚醒，你是否會好奇為何他能如此通“人性”？不得不說的是，之所以手機有這些“感覺”都應該歸功于里面裝的豐富的傳感器，如同人體的神經(jīng)末梢來感應外界環(huán)境的變化。其實廣義上講，這也是一種更智能的“人機交互”，傳統(tǒng)的“人機交互”都是被動的Reactive-Mode，你給個輸入刺激它一下才能有輸出，而現(xiàn)在的智能互動，它可以觸你所感，它更是一種主動式的“Proactive-Mode”。

傳感器(Transducer/Sensor)它是一種檢測裝置，能夠感應被量測的信息，并且轉(zhuǎn)換成可探測的電信號輸出“0”和“1”來控制執(zhí)行用戶想要執(zhí)行的動作。嚴格意義上講，說它是感應器(Sensor)是片面的，說Transducer比較精準，因為它要把感應的信號轉(zhuǎn)換成另外一個動作去控制手機，所以我覺得叫“換能器”比較合理。

智能手機在智能的道路上越走越遠，我們平日里用手機解決大部分的問題，上網(wǎng)、游戲、導航、支付等等，從中受益頗多。在手機中有很多傳感器默默地在后臺工作以支持我們前臺操作更方便，你可能只是在看手機參數(shù)時看到一堆傳感器介紹，但是你知道這些傳感器都肩負著什么職責嗎？今天我們就來探討一下，手機中各個傳感器都是怎么工作的？

1、重力感應器(加速度傳感器)：這個應該是最有趣味的傳感器了，比如微信搖一搖，翻轉(zhuǎn)橫豎屏幕切換，甩一甩切換歌曲等等，當然男同志喜歡的極品飛車也是通過轉(zhuǎn)動手機來控制車子的方向，這些都要用到重力感應器。

其中蘋果的重力傳感器是來自博世(BOSCH)的三軸BMA280，其中還有一個六軸的來自Invensense的MPU-6700 (和Gyro合在一起的)。

有人管他叫'G-sensor'，也有人管他叫'Accelerometer'，Anyway，一種是側(cè)重商品應用后者是側(cè)重設(shè)計或制造技術(shù)吧(具體的差異討論: 《G-sensor vs. Accelerometer Difference》)，技術(shù)上講，重力感應器是內(nèi)置的重力遙感芯片，利用壓電效應來測量內(nèi)部一個重物在重力正交的兩個方向上的分力大小，來判定水平方向，從而通過對重力敏感的傳感器，來感受手機姿勢或重心的變化，從而使得光標位置發(fā)生變化來或?qū)崿F(xiàn)功能等。

有關(guān)重力傳感器的知識，大家可以參閱前篇文章《MEMS Accelerometer》，但是不得不說的是美國一家大學報道，這么個不起眼的重力加速度計竟然是黑客的一個工具，可以遠程控制你的手機的加速度計記錄你電腦鍵盤的震動，然后記錄翻譯成句子，準確率超過80%，不過靈敏度肯定趕不上麥克風，只是麥克風的安全級別比較高，都是需要有訪問權(quán)限的。

2、陀螺儀(GyroScopes): 陀螺儀又是一個非常有趣味而且特別有體驗感覺的傳感器，他是手機里面的一個非常重要的傳感器，主要是根據(jù)重力感應產(chǎn)生的加速度來推算出手機或物體相對于水平面的傾斜度(角度)，他是根據(jù)角動量守恒原理來判別在空間的相對位置、方向、角度和水平的變化。它最早應用于直升飛機中保持飛機的姿勢，類似我們?nèi)梭w感應前傾力大會自動調(diào)整后仰力來保持平衡一樣。

陀螺儀和加速度傳感器最大的差別在于加速度計用于探測物體的移動，而陀螺儀用于探測物體的轉(zhuǎn)動角度，類似一個公轉(zhuǎn)一個自轉(zhuǎn)的概念吧(不知道是否恰當)。參閱《(Accelerometer vs. Gyroscopes Difference)》。它主要是應用科里奧利效應(Coriolis Effect)，其實也就是慣性離心力的結(jié)果。對于我們半導體人比較感興趣的是他是如何做出來的？其實比較簡單，它結(jié)構(gòu)上主要有兩邊對稱的質(zhì)量塊(Proof Mass)類似加速度計，或者是一個圈裝可轉(zhuǎn)動的通過彈簧(Springs)連接到轉(zhuǎn)軸上(Anchor)，圓圈四周布滿電極用來驅(qū)動和感應。在制程上這些圓圈和彈簧都是用Poly做成的，主要的難點在于需要很厚的Oxide film，然后蝕刻挖深槽(DRIE)，再填充Poly后再把旁邊的Oxide整個吃掉就露出了這個轉(zhuǎn)盤了，所以技術(shù)難點在于挖深槽的profile和Poly填充不能有空洞。而另外一個難點在于中間的轉(zhuǎn)軸，如果軸的profile有undercut則會導致轉(zhuǎn)動松脫，如果有footing則會轉(zhuǎn)動補償，所以這才是gyro制程的難點和重點。

另外再介紹一個陀螺儀和我們生活密切相關(guān)的案例，就是愛車一族的ESP系統(tǒng)(Electric Stability Program)，它主要是防止車子緊急情況急打方向的，當你急打方向會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)動角，你的車子ESP系統(tǒng)會產(chǎn)生很大阻力組織你，防止側(cè)翻。

3、電子羅盤(方位傳感器：e-compass)：以前我聽到手機上有羅盤，我以為是看風水用的或者當指南針，太搞笑了。其實他就是電子指南針，它可以感應地磁磁場判斷南北極，從而判定方向。判斷你的手機有沒有電子羅盤的方法就是看你的導航地圖有沒有一個箭頭指北，如果沒有的話則定位后是一個圓圈表示你現(xiàn)在的位置而已。

E-compass主要利用赫爾效應(Hall-Effect)來測量地球磁場，他的原理是如果沿矩形金屬薄片的長方向通電流I，由于載流子受洛侖茲力作用，在垂直于薄片平面的方向施加強磁場B，則在其橫向會產(chǎn)生電壓差U，其大小與電流I、磁場B和材料的霍爾系數(shù)R成正比，與金屬薄片的厚度d反比(如下圖2-2)。100多年前發(fā)現(xiàn)的霍爾效應，由于一般材料的霍爾系數(shù)都很小而難以應用，直到半導體問世后才真正用于磁場測量，這是因為半導體中的載流子數(shù)量少，如果給它通的電流與金屬材料相同，那么半導體中載流子的速度就更快，所受到的洛侖茲力就更大，因而霍爾效應的系數(shù)也就更大。

Hall-Sensor也是MEMS電子羅盤最普遍采用的方法之一，因為他可以兼容FAB的平面CMOS技術(shù)。而根據(jù)上面的原理介紹，這樣的器件電流主要敏感于垂直Si-表面方向的磁場強度。它主要是有個一聚磁板(Magnetic Concentrator)用于探測芯片表面平行的磁場線圈(field lines)。主要的結(jié)構(gòu)參閱《MOTION SENSING IN THE IPHONE 4: ELECTRONIC COMPASS》。

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)技術(shù)，MEMSIC用的就是Discrete AMR/GMI(Anisotropic Magneto Resistive)技術(shù)，這些技術(shù)都是MEMS ECOMPASS，而蘋果主要采用AKM的Hall sensor。