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用智慧改变生活

赵阳和他的加速度传感器的故事

记者 胥京宇


头一次见赵阳博士,我被他那至少在一米九以上的瘦高个儿给震住了。这可跟我印象中半导体行业精英的形象有些不同。不过,更让我迫切地想和他对话的还是他那革命性的加速度传感器技术和他创办的美新(MEMSIC)公司。作为一个中国人,在高手林立的美国硅谷,能够凭借自己的智慧与努力研发出完全创新性的加速度传感器技术,并且与已经在这个市场成熟多年的美国公司抗衡,甚至威胁到他们的市场份额。就凭这一点就不能不让我产生一种自豪感和钦佩之情。

但实际上我们的对话更像是聊天。赵阳博士很健谈。这位就在中关村长大的地道北京人,有着北京人典型的特点:热情、幽默、自信和一点点傲气。


从智慧灵光闪现到革命性产品的诞生

赵阳在读本科时的专业是量子光电器件,在美国普林斯顿大学他相继获得了物理学和电子工程学两个硕士学位以及电子工程学博士学位,读博士时师从于获得1998年诺贝尔物理学奖的Daniel Tsui教授。正所谓名师出高徒,若不具备充分的天资和勤奋的努力,怎么会获得名师的指导。这都为赵阳以后的技术创新埋下坚实的伏笔。

博士毕业后,赵阳加入美国模拟器件(ADI)公司,成为ADI MEMS产品部门主要研发人员之一。当时ADI的MEMS加速度传感器研发方向分为两个小组,一组的研发方向仍然是基于传统的加速度传感器架构,就是内部为机械结构的架构。传统的机械结构存在很多缺点,比如抗震性能差,容易损坏,结构复杂,成本高。另一组由赵阳负责,当时他一直在苦苦思索,能不能避开机械结构这个瓶颈,寻找到一条捷径呢?在不断的思索与实践中,时间过去了7年。7年后,两个小组都宣布研发成功。而赵阳终于找到了一条他所期待的捷径,他将热气团取代传统加速度传感器中的机械结构,这是一个革命性的创新,它完全颠覆了传统的架构,在性能和稳定性上实现了很好的效果,而且成本又很低。赵阳说“它就好像德州仪器公司(TI)的DLP技术,是一种完全不同于传统架构的技术。”是的,TI的DLP技术被业界视为TI一个标志性的独创技术,它的研发历经十余载,直到前几年随着数字电视产业的兴起才真正找到了用武之地,而赵阳的加速度传感器技术从灵感的闪现到成功的产品,也历经了7年的艰苦历程。这不仅仅需要超人的智慧,更需要超人的毅力和执著的热情。

技术成熟的加速度传感器分为三种:压电式、容感式、热感式。压电式加速度传感器运用的是压电效应,在其内部有一个刚体支撑的质量块,有运动的情况下质量块会产生压力,刚体产生应变,把加速度转变成电信号输出。容感式加速度传感器内部也存在一个质量块,从单个单元来看,它是标准的平板电容器,加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积,通过测量电容变化量来计算加速度。而热感式加速度传感器内部没有任何质量块,它的中央有一个加热体,周边是温度传感器,里面是密闭的气腔,工作时在加热体的作用下,气体在内部形成一个热气团,热气团的比重和周围的冷气是有差异的,通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。由于压电式加速度传感器内部有刚体支撑的存在,通常情况下,压电式加速度传感器只能感应到“动”加速度,而不能感应到“静态”加速度,也就是我们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动”加速度,又能感应“静态”加速度。

由于没有任何移动部件,而且采用了微机械加工技术,热感式加速度传感器的研发过程中解决了很多加工上的难题。目前已经实现生产成本低,抗冲击能力强,而且可靠性好,失效率低于10ppm。
1999年,经过ADI的技术授权,赵阳成立了美新公司,开始专心做自己的事业,把自己的技术推向市场。


在消费类领域自由驰骋

在见到赵阳博士以前,我对加速度传感器的关注度远没有DSP、FPGA那么高。这小小的传感器似乎处在半导体主流技术之外。但传感器技术的创新和新应用的产生融合在一起,创造出来的奇迹简直令人惊叹。
加速度传感器在很多跟“运动”、“倾角”有关的应用里都有出色表现。比如投影机,它需要平稳地投射影像,一旦有所倾斜,内部的加速度传感器会迅速感知倾角的变化并迅速调整投影机的投射角度以保持投射影像的平正。

已经成为驱动整个半导体行业主要动力的便携式消费类电子产品也是加速度传感器施展才华的舞台。美新的加速度传感器在很多方面都具有便携式产品需要的性能。体积小,现在美新批量生产的产品高度仅0.9mm,今后还会更小;抗冲击能力强,达到 50,000g;低功耗,工作电流在2mA以下;和主芯片接口具备标准的数字接口模式;性价比高,美新新一代的芯片经过进一步精简结构和软硬件集成,并加入DSP功能,价格将突破目前的价格瓶颈,而智能化大大提升。

此外,美新还是第一个把MEMS加速度传感器和混合信号处理电路集成在一个标准CMOS工艺集成电路上的公司,这为造就低价格,高性能和多功能的产品奠定了坚实的基础。此外,这种技术可以很容易地组合和扩展新的功能、创造新的传感器,甚至把使用的标准COMOS集成电路工艺扩展到加速度传感器之外的其它MEMS应用中。
许多令人惊叹的功能由于先进的加速度传感器技术而得以在便携式产品上实现。比如手机和MP4里图像的移动浏览和菜单的选择。随着手机中数字相机像素的增加,手机里图像的分辨率越来越大,而屏幕却是有限的。采用加速度传感器,通过上下左右移动手机,可以让图像随着动作移动,清楚、轻松地看到图像的每一部分细节。

又比如便携设备的GPS 系统在进入地下隧道时,信号会丢失,利用加速度传感器通过对加速度进行粗略地计算,信号恢复时及时修正GPS上的数据,从而提高GPS的精度。

加速度传感器还可以在使用数码相机拍照时防手抖,通过加速度传感器检测手抖动的频率和幅度,如果幅度过大可以锁定快门,阻止拍照。幅度较小或稳定时,自动启动快门,以保证拍出清晰的照片。

现在便携式产品里许多产品使用微硬盘作数据存储,在数据读写的时候,硬盘抗冲击能力很弱,而硬盘在磁头复位的情况下抗冲击能力比读写的时候要高100倍以上。系统里加上加速度传感器,当传感器检测到外部有大的冲击或是失重时,让磁头复位。

更有趣的是空中写字识别功能。用带有加速度传感器的手机在空中比划可以直接输入文字。在播放音乐的时候我们自己打节拍的动作可以通过传感器的感应来改变音乐的节奏,让音乐随着我们的节拍而播放。
还有许多非常有趣的应用不胜枚举。我觉得小小的加速度传感器简直是在改变我们的生活方式!


创新:永不停歇的脚步

在加速度传感器这一领域,除了美新公司,市场上主要的厂商有ADI、ST和Freescale等。这几家厂商所采用的架构都是基于传统的机械架构。而基于独有的热感式加速度传感器的美新公司,因其具有的独特优势,在市场的推广速度相当快。在2003年时,美新在日本的投影机市场已经取得了主导的地位。现在,美新把市场重点放在亚洲和中国的消费类产品。赵阳认为,2006至2007年,消费类电子市场将有很大增长,全球加速度传感器出货量将有几千万片。

作为一个成长中的公司,美新除了拥有独创的核心技术,还拥有业内具有十几年经验的出色研发人才。赵阳对于美新公司和业界那些老字号厂商的竞争非常有信心。但他也表示,创新的脚步是不能停滞不前的,他们现在已经开始了下一轮创新产品的研发计划,而这个新产品是与目前的热感式加速度传感器完全不同的另一类传感器产品。我期待着赵阳和他创新的加速度传感器技术给我们带来的下一轮更精彩的生活体验。

《世界电子元器件》2006.2
         
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