超低功耗MEMS加速度計如何實(shí)現造福人類(lèi)生活的應用

MEMS(微機電)是如今炙手可熱的一種傳感器技術(shù)。在個(gè)人消費電子設備方面，它可幫助延伸人體的感官和體驗，衍生出多種有趣應用;而在工業(yè)、農業(yè)、醫療、航空、軍事等行業(yè)，MEMS也得到越來(lái)越多的使用，可幫助實(shí)現許多造福人類(lèi)生活的應用。

隨著(zhù)ADI公司一款突破性MEMS加速度計的問(wèn)世，更多改變人類(lèi)生活的應用將會(huì )成為現實(shí)。因為它的極低功耗，使得很多需要數月甚至數年電池壽命的應用得以成真，此類(lèi)應用中更換電池可能不切實(shí)際或者對設備或操作人員有危險。

這款產(chǎn)品就是目前市場(chǎng)上功耗最低的3軸數字MEMS加速度計ADXL362，在全速測量模式下，數據速率為100 Hz時(shí)，該器件的功耗為2μA，比相同頻率下工作的競爭MEMS加速度計低80%!

什么應用需要“低功耗”加速度計?

那么超低功耗的ADXL362產(chǎn)品究竟可具體在什么應用中找到用武之地呢?答案有很多，不勝枚舉，這里我們列舉了在工業(yè)、醫療、農業(yè)等領(lǐng)域某些比較典型的應用例子(如圖1所示)。

圖1.哪些應用需要“超低功耗”MEMS加速度計?

1. 家用燃氣表(需要數年的電池壽命或上門(mén)服務(wù)更換成本高昂)。

例如在地震多發(fā)區，假設當實(shí)際的地震等級超過(guò)五級時(shí)切斷燃氣，以防止災害加劇或發(fā)生二次災害。那么，這個(gè)家用燃氣表就需要內置一個(gè)加速度計，用來(lái)檢測實(shí)際發(fā)生地震時(shí)的震動(dòng)波形。但用戶(hù)和燃氣公司都不可能隨意就更換這個(gè)燃氣表或電池，所以無(wú)論從成本還是方便性角度來(lái)考慮，這都是不現實(shí)的。所以具有檢測地震功能的燃氣表，希望其壽命可以達到十年甚至更長(cháng)，這樣可以節省燃氣公司的成本，也能提升用戶(hù)體驗。這是它在工業(yè)類(lèi)的一個(gè)典型應用。

2. 大型畜牧業(yè)農場(chǎng)(需要大量替換)。

在大型農場(chǎng)中，每一頭牛的身上也要戴一個(gè)傳感器。因為在正常狀態(tài)下，牛是有一定的活動(dòng)規律的，比如牛在吃草、走步、歡快跳躍的時(shí)候，都有一定的頻率，而一旦牛生病了，它的運動(dòng)行為就會(huì )發(fā)生變化。這時(shí)就需要檢測牛的運動(dòng)行為，一旦發(fā)現有變化，就要對它進(jìn)行“隔離審查”，看是否真的有問(wèn)題。如果這個(gè)事件發(fā)現得比較晚，那在牛與牛之間可能已經(jīng)傳染了，所以牧場(chǎng)主一定要及時(shí)發(fā)現，否則病情一旦傳播到幾百上千只的話(huà)，經(jīng)濟方面的損失會(huì )非常大。牛配戴的傳感器在有問(wèn)題的時(shí)候會(huì )通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式把數據發(fā)送到處理中心。所以這個(gè)傳感器也是每天要實(shí)時(shí)工作的。如果每個(gè)月都需要給大量的牛更換電池來(lái)進(jìn)行監測的話(huà)，那從成本、人的勞動(dòng)強度、勞動(dòng)時(shí)間上來(lái)說(shuō)，也都是不可行的。對于需要大量替換的場(chǎng)合，也一定是需要低功耗的解決方案。即使這個(gè)低功耗產(chǎn)品只能延長(cháng)一個(gè)月的替換時(shí)間，對于用戶(hù)體驗及成本節省，都是非常有幫助的。

3. DARPA Blast Gauge沖擊檢測系統采用ADI MEMS技術(shù)(密閉環(huán)境)。

ADXL362將集成到DARPA第二代Blast Gauge中，該器件由美國羅切斯特理工大學(xué)開(kāi)發(fā)，并由BlackBox Biometrics公司轉化為商業(yè)產(chǎn)品，用于保護美國軍隊武裝人員。Blast Gauge既可用作醫療人員的篩選工具，執行爆炸事故后的驗傷分類(lèi)，也可為研究機構提供詳細數據，幫助分析顱腦損傷(TBI)的原因。第一代Blast Gauge使用ADI公司的ADXL345傳感器，已在數千名赴阿富汗美軍士兵身上配備了一年。BlackBox Biometrics公司首席技術(shù)官David Borkholder表示：“借助ADI公司的高性能MEMS傳感器，Blast Gauge經(jīng)過(guò)驗證能夠可靠地檢測我軍人員遭受的震蕩沖擊。由于這些密封器件使用非充電電池，ADXL362大幅延長(cháng)了其電池壽命。”

4. 運動(dòng)監測產(chǎn)品(更換電池在財務(wù)方面不現實(shí))。

在某些條件下，產(chǎn)品也可以更換電池，但從成本的角度考慮并不合理。比如老年人、殘疾人使用的運動(dòng)監測產(chǎn)品。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的老人手機，可以檢測老人是否有跌倒的情況，如果跌倒后的一段時(shí)間內，老人沒(méi)有任何活動(dòng)，這就表示摔得比較嚴重，它會(huì )自動(dòng)通過(guò)手機以GPS或GPRS的方式把信息傳到急救中心或老人的兒女。對于這種老年人應用的運動(dòng)監測產(chǎn)品，老人可能并不知道何時(shí)需要更換電池，在不能使用以后，老人需要求助醫務(wù)人員或家人來(lái)解決。對于這類(lèi)醫療應用的產(chǎn)品，總是希望產(chǎn)品的工作時(shí)間越長(cháng)越好。這就需要一顆低功耗的運動(dòng)監測產(chǎn)品來(lái)幫助解決這個(gè)問(wèn)題。

5. 工業(yè)油氣管道(偏遠或危險區域)。

當傳輸管道上有漏油或漏氣發(fā)生時(shí)，就需要準確定位整個(gè)傳輸管道的哪一段有洞，以便及時(shí)安排維修。在如此長(cháng)的管道上，不可能每天安排人去不停地巡查。因此在工業(yè)油氣管道上，就需要鋪設大量的傳感器來(lái)檢測泄漏，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測是否有外力對管道進(jìn)行沖擊、破壞。鋪設完成后，也不可能經(jīng)常去更換大量傳感器的電池，所以傳感器的電池壽命越久越好。

ADXL362如何體現業(yè)界功耗最低?

現在來(lái)看看我們的主角ADXL362究竟在超低功耗方面有何突出亮點(diǎn)。這里有3個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標可以說(shuō)明問(wèn)題，即：

1. 測量電流最低(2 μA)：最大程度降低滿(mǎn)負荷工作時(shí)的電池消耗;

2. 喚醒模式電流最低(300 nA)：優(yōu)化電池壽命;

3. 休眠電流最低(10nA)：優(yōu)化電池壽命。

目前市面上的很多其它的產(chǎn)品也標稱(chēng)是2μA的功耗，甚至是更低。但是這種所謂的低功耗，一般都只是在極低的采樣率比如1Hz(一秒鐘只采一個(gè)點(diǎn))的情況下測量的，此時(shí)，雖然器件也工作了，但是一秒鐘一個(gè)采樣點(diǎn)，對于前文所提到的應用例子，如需要實(shí)時(shí)檢測是否有沖擊，是否有地震發(fā)生、老人是否跌倒等，1Hz的數據采樣率是遠遠不夠的。而ADXL362在100Hz的采樣率下，測量模式典型的電流也只有2μA。所以ADXL362是真正實(shí)現了超低功耗，可以最大程度地降低產(chǎn)品滿(mǎn)負荷工作時(shí)的電池消耗，可以采用紐扣電池供電。

在運動(dòng)檢測喚醒模式下功耗僅為300nA，與最接近的競爭傳感器相比，相同模式下的功耗要低60%。這里所謂的喚醒模式，即假設物體是靜止的，那么整個(gè)系統都可以自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，包括ADXL362器件本身。ADXL362可以自動(dòng)檢測系統是運動(dòng)的還是靜止的，并根據靜止狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。而當物體是運動(dòng)的，那么ADXL362器件本身會(huì )先把自已喚醒，同時(shí)它還可以喚醒整個(gè)系統，讓它高速運行，這時(shí)，即使在其高速運行的時(shí)候，功耗也只有2μA。在這種切換模式下，系統的最低工作電流只有300 nA。