如何利用MEMS慣性感測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用變革

如何利用MEMS慣性感測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用變革

　　雖然MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)被用于安全氣囊和汽車壓力傳感器領(lǐng)域已有二十年左右，但卻是任天堂Wii和蘋果iPhone的熱銷使人們更廣泛地了解慣性傳感器的用途，這些產(chǎn)品使用了基于運(yùn)動(dòng)感測(cè)技術(shù)的用戶界面。

　　盡管如此，在一定程度上業(yè)界的觀念仍停留在慣性傳感器主要是用于終端產(chǎn)品檢測(cè)加速度和減速度的應(yīng)用。從純粹的科學(xué)角度來(lái)看，這種說(shuō)法完全正確，但這樣的觀點(diǎn)卻忽略了許多MEMS加速計(jì)和陀螺儀的擴(kuò)展應(yīng)用，包括在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車電子等領(lǐng)域。

　　五種運(yùn)動(dòng)感測(cè)模式中，每一種模式都將極大地超越當(dāng)前大批量MEMS的應(yīng)用。這五種模式分別是：加速(包括平移運(yùn)動(dòng)，如位置和方向的改變)，震動(dòng)，沖擊，傾斜，旋轉(zhuǎn)。

　　例如，一個(gè)帶運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的加速計(jì)在設(shè)備沒(méi)有受到外界移動(dòng)或震動(dòng)時(shí)將其界定為非激活狀態(tài)，并指示設(shè)備進(jìn)入最低功耗模式，從而實(shí)現(xiàn)功率管理。復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)和物理按鈕被手勢(shì)識(shí)別接口替代，而它是通過(guò)手指點(diǎn)擊來(lái)控制。在其它使用案例中，終端產(chǎn)品的操作變得更精確，例如，對(duì)用戶手中的指南針進(jìn)行傾斜角度補(bǔ)償。

　　本文介紹了一些應(yīng)用案例，分享先進(jìn)的商業(yè)化MEMS加速計(jì)和陀螺儀通過(guò)5種類型的運(yùn)動(dòng)感測(cè)來(lái)改變眾多不同范圍的終端產(chǎn)品的方法。

　　運(yùn)動(dòng)感測(cè)和MEMS介紹

　　加速、震動(dòng)、沖擊、傾斜和旋轉(zhuǎn)——除了旋轉(zhuǎn)外，其它四種運(yùn)動(dòng)實(shí)事上都是加速度在不同時(shí)間段的表現(xiàn)。然而，我們?nèi)祟愂菬o(wú)法靠直覺(jué)來(lái)做出運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷，例如震動(dòng)是加速還是減速。分別地考慮每一種模式可以幫助我們想出更多可能的應(yīng)用。

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　　加速度(包括平移運(yùn)動(dòng))是測(cè)量在單位時(shí)間內(nèi)的速度變化。速度以米/秒(m/s)來(lái)表示，并且同時(shí)包括位移速率和運(yùn)動(dòng)方向。因此，加速度就以米/秒2(m/s2)來(lái)表示。加速度有時(shí)候會(huì)是負(fù)值——如司機(jī)踩剎車時(shí)車速變慢，這時(shí)也被稱作減速度。

　　現(xiàn)在來(lái)考慮加速度在不同時(shí)間段的表現(xiàn)。震動(dòng)可被認(rèn)為是迅速且周期性發(fā)生的加速和減速運(yùn)動(dòng)。類似的，沖擊則是瞬間發(fā)生的加速，但是不同于震動(dòng)，沖擊是一種非周期性運(yùn)動(dòng)，一般只發(fā)生一次。

　　我們把時(shí)間再延長(zhǎng)一些。當(dāng)對(duì)象被移動(dòng)而改變傾斜度或偏角時(shí)，與重力相關(guān)的一些位置變化被牽扯進(jìn)來(lái)。與震動(dòng)和沖擊相比，傾斜運(yùn)動(dòng)的發(fā)生往往相當(dāng)緩慢。

　　由于前四種模式的運(yùn)動(dòng)感測(cè)各自都與加速度有某種關(guān)系，它們可通過(guò)“g力”(地球引力)來(lái)測(cè)量，g是萬(wàn)有引力對(duì)地球上物體產(chǎn)生的單位力(1g等于9.8m/s2。)。MEMS加速計(jì)通過(guò)測(cè)量重力對(duì)加速計(jì)軸的作用力來(lái)檢測(cè)傾斜度。以3軸加速計(jì)為例，三個(gè)不同的輸出分別測(cè)量運(yùn)動(dòng)的X、Y和Z軸加速度。

　　時(shí)下占市場(chǎng)最大份額的加速計(jì)使用差分電容測(cè)量g力，接著g力被轉(zhuǎn)換成電壓或數(shù)據(jù)位(數(shù)字輸出加速計(jì)應(yīng)用)，最后被傳遞到微處理器上以便執(zhí)行某種行為。近來(lái)在技術(shù)上取得的進(jìn)步，使業(yè)界能制造出低g和高g感測(cè)范圍的微型MEMS加速計(jì)，且比以往產(chǎn)品的帶寬更高，從而大大增加了潛在應(yīng)用領(lǐng)域。低g感測(cè)范圍是指低于20g，這可以涉及到人類能產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。高g則用于感測(cè)與機(jī)器或交通工具有關(guān)的運(yùn)動(dòng)—也就是人類沒(méi)法產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。

　　以上我們討論的僅是線性速率運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)類型包括加速、震動(dòng)、沖擊和傾斜。旋轉(zhuǎn)則是一種角速率運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，它不同于其它運(yùn)動(dòng)模式，這是因?yàn)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可能不伴有加速度的變化。為了理解旋轉(zhuǎn)的工作原理，我們想像一個(gè)3軸慣性傳感器：假定傳感器的X和Y軸與地球表面是平行的，Z軸指向地心。在這個(gè)位置，Z軸測(cè)得的作用力為1g，而X和Y軸則為0g?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器使其運(yùn)動(dòng)僅與Z軸相關(guān)。X和Y平面在轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)測(cè)得0g，同時(shí)Z軸仍然為1g。

　　MEMS陀螺儀被用于感測(cè)這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于某些終端產(chǎn)品除了測(cè)量其它類型的運(yùn)動(dòng)外還必須測(cè)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，陀螺儀可被集成在一個(gè)內(nèi)嵌多軸陀螺儀和多軸加速計(jì)的IMU(慣性測(cè)量單元)中。

　　加速感測(cè)用于功率管理

　　在早期，加速度感測(cè)技術(shù)被用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)和位置變化。利用MEMS加速計(jì)可以感測(cè)到設(shè)備被拿起或放下，當(dāng)檢測(cè)到這兩種動(dòng)作時(shí)就可以發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)來(lái)自動(dòng)控制電源的開(kāi)和關(guān)功能。不同的功能組合可被保持在激活狀態(tài)，或者被置于低功耗狀態(tài)。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，這種由運(yùn)動(dòng)檢測(cè)控制的開(kāi)/關(guān)功能是受歡迎的，因?yàn)樗苊饬擞脩舻闹貜?fù)動(dòng)作。另外，它們實(shí)現(xiàn)了功率管理，能使設(shè)備在下次充電或更換電池之前有更長(zhǎng)的使用時(shí)間。帶背光LCD的智能遙控器是眾多可能的應(yīng)用之一。

　　另一種使用加速計(jì)來(lái)感測(cè)運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)生中斷信號(hào)的應(yīng)用，則是用于軍事或公共安全人員的無(wú)線通信設(shè)備。為保證通信的安全，當(dāng)該設(shè)備被使用者卸下或放起來(lái)后，下次使用前必須再次進(jìn)行身份認(rèn)證。對(duì)便攜或小外形的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，上面這些應(yīng)用需要采用只需要很小電流的加速度計(jì)，最多幾個(gè)微安(μA)就夠了。

　　運(yùn)動(dòng)感測(cè)的另一種應(yīng)用是在醫(yī)療設(shè)備中，例如自動(dòng)外部除顫器(AED)。典型地AED被設(shè)計(jì)用來(lái)產(chǎn)生一次震動(dòng)以使病人的心臟重新跳動(dòng)。當(dāng)失敗時(shí)，必須進(jìn)行徒手心肺復(fù)蘇(CPR)。一位經(jīng)驗(yàn)不足的救助者也許沒(méi)有用到足夠大的力壓病人胸口以獲得有效CPR。在AED接觸胸部的墊子內(nèi)嵌入加速計(jì)，就可通過(guò)測(cè)量墊子移動(dòng)的距離來(lái)告訴救助者適當(dāng)壓力的大小。

　　震動(dòng)感測(cè)用于監(jiān)控和節(jié)能

　　震動(dòng)的輕微變化可以用于了解軸承磨損、機(jī)械部件未對(duì)準(zhǔn)以及包括工業(yè)設(shè)備在內(nèi)的其它機(jī)械問(wèn)題。具有很高帶寬的小型MEMS加速計(jì)是監(jiān)控馬達(dá)、風(fēng)扇和壓縮機(jī)內(nèi)震動(dòng)的理想產(chǎn)品。如果能夠進(jìn)行預(yù)測(cè)性的維護(hù)，可以使制造廠商避免損壞昂貴的設(shè)備，以及避免那些可能導(dǎo)致降低生產(chǎn)效率的代價(jià)高昂的故障。

　　測(cè)量設(shè)備的震動(dòng)變化也可用于檢測(cè)機(jī)械是否被設(shè)置在高能效的工作方式。如果不加以校正，低能效的運(yùn)轉(zhuǎn)可能會(huì)損害公司的綠色制造計(jì)劃，使得電費(fèi)飆升，甚至最終還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。

　　沖擊感測(cè)用于手勢(shì)識(shí)別及更多其它應(yīng)用

　　在許多筆記本電腦中都能看到的磁盤驅(qū)動(dòng)器保護(hù)裝置是目前眾多沖擊感測(cè)應(yīng)用中使用最廣泛的一種。加速計(jì)檢測(cè)微小的g力，從而判別出筆記本是放下還是跌落，g力的變化是沖擊事件的發(fā)生前兆，其后果可能就是筆記本撞向地板。在檢測(cè)到跌落狀態(tài)后的數(shù)毫秒之內(nèi)，系統(tǒng)指示硬盤讀寫頭歸位。在撞擊期間，讀寫頭的歸位能中止與磁盤的接觸，從而預(yù)防硬盤損壞和避免數(shù)據(jù)損失。

　　手勢(shì)識(shí)別接口是這種類型慣性感測(cè)的一種有大好前景的新應(yīng)用。采用預(yù)先定義的手勢(shì)(例如點(diǎn)擊/雙擊或晃動(dòng))，用戶可以激活不同功能或調(diào)整工作模式。手勢(shì)識(shí)別使那些物理按鈕和開(kāi)關(guān)難以操作的設(shè)備更便于使用。無(wú)按鈕設(shè)計(jì)能減少總的系統(tǒng)成本，還能提高終端產(chǎn)品的耐用性，如水下照相機(jī)，如果采用物理按鈕會(huì)導(dǎo)致水從按鈕周圍縫隙滲入照相機(jī)機(jī)身。

　　小外形消費(fèi)電子產(chǎn)品只是基于加速計(jì)的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)能大顯身手的一種應(yīng)用領(lǐng)域。由于MEMS加速計(jì)極小的尺寸和低功率，利用MEMS加速計(jì)的點(diǎn)擊接口能夠成為穿戴式和可植入醫(yī)療設(shè)備(如藥物傳輸泵和助聽(tīng)器)的絕佳選擇。

　　傾斜感測(cè)用于高精度應(yīng)用

　　傾斜感測(cè)在手勢(shì)識(shí)別接口應(yīng)用領(lǐng)域也有巨大潛力。例如，在建筑或工業(yè)檢查設(shè)備等應(yīng)用中，也許人們更傾向于單手操作。另一只沒(méi)有操作設(shè)備的手可以騰出來(lái)控制桶或操作員站立的平臺(tái)，或者出于安全考慮抓住繩索。操作員可以簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)探針或設(shè)備來(lái)調(diào)整它的設(shè)置。

　　在這種情況下，3軸加速計(jì)可以像感測(cè)傾斜度那樣感測(cè)出“旋轉(zhuǎn)度”：在存在重力的狀態(tài)下測(cè)量?jī)A斜的低速變化、檢測(cè)重力矢量的變化，以及確定方向是順時(shí)針還是逆時(shí)針。傾斜檢測(cè)也可以與點(diǎn)擊(沖擊)識(shí)別結(jié)合使用，以便操作員能以單手控制設(shè)備的更多功能。

　　設(shè)備的位置補(bǔ)償是傾斜測(cè)量的另一重大應(yīng)用領(lǐng)域。以GPS(全球定位系統(tǒng))或移動(dòng)電話中的電子指南針為例，有一個(gè)眾所周知的難題就是當(dāng)指南針的放置沒(méi)有與地球表面平行時(shí)，會(huì)得到錯(cuò)誤指向。

　　工業(yè)稱是另一個(gè)例子。在這種應(yīng)用中，必須計(jì)算一個(gè)裝有東西的桶相對(duì)地球的傾斜度以便精確得出重量。壓力(例如用于汽車和工業(yè)機(jī)械中)同樣受重力作用的影響，這些傳感器包含偏移變化取決于傳感器安裝位置的膜片。在所有這些情況下，MEMS加速計(jì)執(zhí)行必要的傾斜度感測(cè)，以便進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

　　旋轉(zhuǎn)感測(cè)用于陀螺儀和IMU

　　我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，當(dāng)旋轉(zhuǎn)和其它慣性感測(cè)形式結(jié)合使用時(shí)，MEMS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用有更多優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，這要求使用加速計(jì)和陀螺儀。

　　慣性測(cè)量單元包括多軸加速計(jì)和多軸陀螺儀，為了進(jìn)一步增加方向精度還包括多軸磁力計(jì)。IMU還可以額外提供完整的6自由度(6DoF)。這給應(yīng)用帶來(lái)極其精密的分辨率，例如醫(yī)療成像設(shè)備、外科儀器、先進(jìn)的彌補(bǔ)術(shù)和工業(yè)車輛的自動(dòng)引導(dǎo)。除高度精確的操作之外，選擇IMU的另一好處是它的多項(xiàng)功能可由傳感器制造商預(yù)測(cè)試和預(yù)校準(zhǔn)。

　　IMU在那些對(duì)精度要求也許不是那么明顯的應(yīng)用中也有用武之地。其中一個(gè)例子是智能高爾夫球桿，能通過(guò)跟蹤和記錄每次揮桿運(yùn)動(dòng)以便幫助提升該球桿使用者的技術(shù)。在揮桿過(guò)程中，球桿內(nèi)的加速計(jì)測(cè)量加速度和揮桿平面，同時(shí)陀螺儀測(cè)量回旋(或打高爾夫球的人的手的旋轉(zhuǎn)度)。高爾夫球桿記錄每次比賽或練習(xí)中收集到的數(shù)據(jù)，用于稍后在PC上進(jìn)行分析。

　　信號(hào)處理的新浪潮

　　無(wú)論是用戶友好型特性需求、功耗最小化需求，還是為消除物理按鈕和控件、補(bǔ)償重力和位置的需求，或者為實(shí)現(xiàn)更智能的操作，利用5種運(yùn)動(dòng)感測(cè)方法的MEMS慣性感測(cè)技術(shù)總是能提供大量的各種選擇。

　　ADI作為創(chuàng)新技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，利用其iMEMS Motion Signal Processing?系列技術(shù)為下一波的信號(hào)處理應(yīng)用提供了先進(jìn)的加速計(jì)和陀螺儀產(chǎn)品。運(yùn)動(dòng)感測(cè)應(yīng)用的擴(kuò)展將得益于這些IC解決方案所提供的小尺寸、高分辨率、低功耗、高可靠性等性能，以及其上的信號(hào)調(diào)理電路和集成功能等特性。