ROHM的智能手机、可穿戴式设备用
气压传感器/地磁传感器/MEMS技术

2015年10月21日

背景

近年来,随着智能手机和可穿戴式设备的普及,在室内也可像GPS一样在移动过程中实时进行位置检测,并可准确指向包括立体信息在内的目的地的3D室内导航应用解决方案已经越来越多。例如,可提供识别在几楼的哪个位置等建筑物内的导航功能。为实现这种3D室内导航,就需要比以往精度更高的传感器,ROHM新开发的通过用MEMS(微机电系统:Micro Electro Mechanical Systems)气压传感器检测高度,用地磁传感器(MI)检测方位的方式,可实现更高精度的导航。

压阻式气压传感器

气压传感器分不同的检测种类,ROHM的气压传感器则是利用了压阻效应。压阻式气压传感器利用了将形成的真空腔和硅基板通过蚀刻等在薄膜片(受压部)上扩散和离子注入而形成的Gauge电阻(压阻)的压阻效应。(图1)

图1:气压传感器截面图
图1:气压传感器截面图

压阻效应与因应力产生的极化现象--压电效应不同,是因施加于电阻的应力使电导率即电阻率变化的现象。这种现象是晶格因所施加的应力产生畸变,使半导体中的载流子数量和迁移率发生变化而引起的。膜片受到压力而弯曲时,各Gauge电阻产生与膜片的弯曲量相应的应力。Gauge电阻(压阻)的电阻率与该应力成正比变化,将由此产生的电阻变化作为电压变化来检测出气压。但是,由于该电阻的变化极其微小,因此,利用4个电阻的惠斯通电桥电路实现高灵敏度。
此次,ROHM面向市场日益扩大的智能手机、可穿戴式设备和活动追踪器等领域,开发出可检测气压信息、用于高度和高低差检测的气压传感器"BM1383GLV",并已于2015年4月开始投入量产。该产品融入了ROHM多年积累的传感器开发技术诀窍,并搭载高精度的检测用MEMS和低功耗高精度的A/D转换器,实现了业界最高级别的相对高度精度±20cm(相对气压精度±0.024hPa)。(图2)另外,传统气压传感器存在着低温时的检测精度很难提高的课题,而ROHM利用独创的校正算法,在IC内部进行温度校正,实现了低温下的高精度气压检测。(图3)同时,无需再给外部的微控制器搭载温度校正功能,这非常有助于减轻设计负担,成功实现了传感模块和运算模块的小型化。从而作为内置温度校正功能的气压传感器实现了业界最小级别(2.5mm×2.5mm×0.95mm)的封装尺寸。

图2:气压检测结果例 图2:气压检测结果例

图3:温度依存气压检测结果例 图3:温度依存气压检测结果例

随着气压传感器的用途越来越广泛,对更高精度的气压检测和高度检测功能的需求越来越大;同时,随着智能手机和可穿戴式设备的小型化、高性能化发展,对传感器的小型化要求也越来越强烈。为满足这些需求,ROHM预计于2016年4月份开始量产"BM1385GLV"。该产品继承了已经开始量产的BM1383GLV的特点,并通过优化气压检测用MEMS和控制电路,使面积比ROHM以往产品再缩减36%,是世界最小封装(2.0mm×2.0mm×1.0mm)的气压传感器。(图4)(截至2015年7月14日ROHM调查数据)

図4:图4:PKG尺寸示意图
图4:PKG尺寸示意图

采用MI元件的地磁传感器

以往,检测方位的地磁传感器多采用霍尔元件,但这种地磁传感器存在精度低的课题,一直阻碍着室内导航的普及。另外,也有采用具有精度优势的MR(Magneto-Resistive)元件的,但存在移动设备的耗电问题。针对这些课题,ROHM于2013年开始与爱知制钢株式会社开展业务合作,联合开发出在精度、耗电等方面领先现有技术的采用MI元件的地磁传感器。MI元件是指给特殊的非晶丝施加脉冲电流,通过非晶丝周边形成的拾波线圈(Pickup Coil)检测此时的Magneto-Impedance变化的元件。ROHM的BM14××系列(chip size 2.0×2.0×1.0mm)是将这种MI元件通过X轴、Y轴、Z轴三轴和控制用ASIC一体化封装的IC芯片。
这种地磁传感器(MI传感器)具有以下两个特点。第一个特点是检测精度误差在世界任何地方均可达±0.3度以下。(图5)

与搭载了高灵敏度MI元件和超强抗噪的高精度A/D转换器的模拟前端电路相结合,成功将σ噪音的影响降低到0.06μT,仅为普通产品的1/7。由此,实现了业界最高的方位检测精度误差±0.3度以下,有助于推动IoT和传感器网络的创新速度,实现以室内导航为首的崭新的传感器应用。第二个特点是非常适合移动设备的超低功耗。(图6)

图5:方位误差实测比较 图5:方位误差实测比较

图6:功耗比较 图6:功耗比较

普通的地磁传感器为提高精度,需要增加感测(运算)次数,求出平均值,但高灵敏度的MI传感器即使减少感测次数也可实现高精度,因此,可大幅降低运算处理所需的电量。本产品实现了业界最小的耗电量0.15mA(100Hz时),仅为普通产品的1/20,非常有助于智能手机和可穿戴式设备的长时间使用。作为拥有这些优势的MI传感器的未来应用,就包括增强现实(Augmented reality)服务。这是将眼前的现实显示在智能手机或平板电脑上,从其画面中锁定并识别物体的位置信息、方位信息,将该物体的信息从网上检索到并在画面上叠加显示的服务。另外,如果与地图服务并用,还可实现识别眼前的建筑物并自动访问该建筑物的网页等服务。这些只有方位检测精度非常高的MI传感器才可能实现。

今后,ROHM将继续推进传感器网络不可或缺的小型高精度传感器产品的开发,通过不断满足市场需求为世界贡献力量。

 

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