Введение
Последнее творение Apple — iPhone 4 — оснащен гироскопом MEMS в красивом корпусе. Но как работает этот маленький чип и что он делает?
Мы сотрудничаем с компанией Chipworks, чтобы предоставить вам подробный обзор науки, лежащей в основе этих микромасштабных гироскопов.
Мы также подготовили руководство по ремонту iPhone 4 с пошаговыми инструкциями по ремонту, чтобы вы могли самостоятельно починить свой iPhone. В настоящее время мы уже предлагаем множество запчастей для iPhone 4.
Шаг 1 Разборка гироскопа iPhone 4
Прежде чем перейти к сути дела, давайте разберемся, что на самом деле делает гироскоп.
Согласно определению Википедии, «гироскоп — это устройство для измерения или поддержания ориентации, основанное на принципах сохранения углового момента». Ключевая фраза — измерение или поддержание ориентации, именно поэтому в iPhone 4 есть один из этих гироскопов.
Механический гироскоп — такой, как показан на рисунке слева, — использует вращающийся ротор в центре для обнаружения изменений ориентации.
В iPhone 4 используется микроскопическая электронная версия вибрационного гироскопа, называемая гироскопом MEMS.
Шаг 2
Микроэлектромеханическая система (MEMS) — это встраиваемая система, объединяющая электронные и механические компоненты очень малого масштаба.
Базовое MEMS-устройство состоит из ASIC и кремниевого датчика, изготовленного методом микрообработки.
Чип AGD1 2022 FP6AQ, установленный в iPhone 4, представляет собой гироскоп MEMS, который, по слухам, был разработан компанией STMicroelectronics.
Шаг 3
Компания Chipworks подтвердила, что гироскоп MEMS, установленный в iPhone 4, практически идентичен готовому гироскопу STMicroelectronics L3G4200D.
Изображение матрицы, которое вы видите слева, — это матрица GK10A MEMS, которая находится в L3G4200D.
GK10A состоит из пластины, называемой «пробной массой», которая вибрирует (колеблется) при подаче управляющего сигнала на набор пластин приводного конденсатора.
Когда пользователь поворачивает телефон, пробная масса смещается в направлениях X, Y и Z под действием сил Кориолиса. Процессор ASIC воспринимает смещение пробной массы через конденсаторные пластины, расположенные под пробной массой, а также пальчиковые конденсаторы по краям корпуса.
Шаг 4
Плата V654A ASIC (см. слева) преобразует крошечные емкостные сигналы от матрицы GK10A MEMS в цифровой сигнал, который поступает в iPhone 4.
Эти данные используются, например, для поворота руля автомобиля или для наведения оружия в одной из многочисленных видеоигр для iPhone 4.
Для инженеров-механиков: чувствительность гироскопов MEMS обычно выражается в мВ/дпс (или градусах в секунду), поэтому выход осциллятора (в мВ), деленный на чувствительность (мВ/дпс), дает угловую скорость, приложенную к пакету, в градусах в секунду.
Шаг 5
Микросхемы, показанные ниже, не являются частью iPhone 4, но приведены для иллюстрации невероятных структур гироскопов MEMS.
На этих фотографиях изображен трехосевой МЭМС-гироскоп ST LYPR540AH, снятый с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM).
Устройства МЭМС требуют чрезвычайно сложных и чувствительных производственных процедур для получения точности, необходимой для надежных датчиков.
Большинство МЭМС-устройств требуют сочетания осаждения слоя пленки, нанесения рисунка для маскирования участков осажденной пленки, которые должны остаться после травления, и травления для удаления излишков пленки, чтобы получить конечный продукт.
Шаг 6
МЭМС-гироскопы могут иметь потрясающие конструкции осцилляторов, как, например, этот гироскоп Kionix. Такая красота невидима невооруженным глазом, она скрыта глубоко под черной крышкой.
Микронные полосы на изображениях дают представление об их миниатюрном масштабе. Толщина осциллятора, показанного на втором рисунке, составляет примерно четверть диаметра среднего человеческого волоса, или около трех эритроцитов, расположенных рядом друг с другом.
Шаг 7
Здесь показана фотография корпуса SiTime SI8002AC со снятым внешним защитным кожухом.
ASIC, преобразующий исходные сигналы осциллятора, расположен поверх самого осциллятора, а для передачи сигнала они соединены между собой проводами. Весь этот блок полностью запечатан внутри пластиковой внешней упаковки.
На втором рисунке — рентгеновский снимок уложенной в стопку матрицы Bosch BMA 220. Проволочные соединения соединяют матрицы между собой и с массивом шариковых решеток.
Штабелирование матриц позволяет производителям микросхем разместить больше функциональных возможностей на той же площади. Это особенно важно для мобильных устройств, таких как iPhone 4, где площадь платы минимальна.
Шаг 8
Эти два снимка представляют собой СЭМ-сканы осциллятора внутри SiTime SI8002AC.
Проектирование, производство и внедрение МЭМС-устройств требует огромного количества инженерных решений. Устройства MEMS действительно преодолевают разрыв между электротехникой и машиностроением, и в их разработке участвуют инженеры по промышленности, материалам, механике, электрике, химии, компьютерам и программному обеспечению.
Большое спасибо компании Chipworks за предоставленные потрясающие изображения, использованные в этом разборе!
