如何利用MEMS慣性感測技術(shù)實(shí)現應用變革

　　盡管如此，在一定程度上業(yè)界的觀(guān)念仍停留在慣性傳感器主要是用于終端產(chǎn)品檢測加速度和減速度的應用。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(guān)點(diǎn)卻忽略了許多MEMS加速計和陀螺儀的擴展應用，包括在醫療設備、工業(yè)設備、消費電子產(chǎn)品和汽車(chē)電子等領(lǐng)域。

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

　　例如，一個(gè)帶運動(dòng)檢測的加速計在設備沒(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)，并指示設備進(jìn)入最低功耗模式，從而實(shí)現功率管理。復雜的控制機構和物理按鈕被手勢識別接口替代，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，對用戶(hù)手中的指南針進(jìn)行傾斜角度補償。

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

　　運動(dòng)感測和MEMS介紹

　　加速、震動(dòng)、沖擊、傾斜和旋轉――除了旋轉外，其它四種運動(dòng)實(shí)事上都是加速度在不同時(shí)間段的表現。然而，我們人類(lèi)是無(wú)法靠直覺(jué)來(lái)做出運動(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用。

　　加速度(包括平移運動(dòng))是測量在單位時(shí)間內的速度變化。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 )是負值――如司機踩剎車(chē)時(shí)車(chē)速變慢，這時(shí)也被稱(chēng)作減速度。

　　現在來(lái)考慮加速度在不同時(shí)間段的表現。震動(dòng)可被認為是迅速且周期性發(fā)生的加速和減速運動(dòng)。類(lèi)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動(dòng)，一般只發(fā)生一次。

　　我們把時(shí)間再延長(cháng)一些。當對象被移動(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，傾斜運動(dòng)的發(fā)生往往相當緩慢。

　　由于前四種模式的運動(dòng)感測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)測量，g是萬(wàn)有引力對地球上物體產(chǎn)生的單位力(1g等于9.8m/s2。)。MEMS加速計通過(guò)測量重力對加速計軸的作用力來(lái)檢測傾斜度。以3軸加速計為例，三個(gè)不同的輸出分別測量運動(dòng)的X、Y和Z軸加速度。

　　時(shí)下占市場(chǎng)最大份額的加速計使用差分電容測量g力，接著(zhù)g力被轉換成電壓或數據位(數字輸出加速計應用)，最后被傳遞到微處理器上以便執行某種行為。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感測范圍的微型MEMS加速計，且比以往產(chǎn)品的帶寬更高，從而大大增加了潛在應用領(lǐng)域。低g感測范圍是指低于20g，這可以涉及到人類(lèi)能產(chǎn)生的運動(dòng)。高g則用于感測與機器或交通工具有關(guān)的運動(dòng)―也就是人類(lèi)沒(méi)法產(chǎn)生的運動(dòng)。

　　以上我們討論的僅是線(xiàn)性速率運動(dòng)，運動(dòng)類(lèi)型包括加速、震動(dòng)、沖擊和傾斜。旋轉則是一種角速率運動(dòng)的測量，它不同于其它運動(dòng)模式，這是因為旋轉運動(dòng)可能不伴有加速度的變化。為了理解旋轉的工作原理，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軸測得的作用力為1g，而X和Y軸則為0g?，F在轉動(dòng)傳感器使其運動(dòng)僅與Z軸相關(guān)。X和Y平面在轉動(dòng)，繼續測得0g，同時(shí)Z軸仍然為1g。

　　MEMS陀螺儀被用于感測這種旋轉運動(dòng)。由于某些終端產(chǎn)品除了測量其它類(lèi)型的運動(dòng)外還必須測量旋轉運動(dòng)，陀螺儀可被集成在一個(gè)內嵌多軸陀螺儀和多軸加速計的IMU(慣性測量單元)中。

　　加速感測用于功率管理

　　在早期，加速度感測技術(shù)被用于檢測運動(dòng)和位置變化。利用MEMS加速計可以感測到設備被拿起或放下，當檢測到這兩種動(dòng)作時(shí)就可以發(fā)出一個(gè)中斷信號來(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)。對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這種由運動(dòng)檢測控制的開(kāi)/關(guān)功能是受歡迎的，因為它避免了用戶(hù)的重復動(dòng)作。另外，它們實(shí)現了功率管理，能使設備在下次充電或更換電池之前有更長(cháng)的使用時(shí)間。帶背光LCD的智能遙控器是眾多可能的應用之一。

　　另一種使用加速計來(lái)感測運動(dòng)和產(chǎn)生中斷信號的應用，則是用于軍事或公共安全人員的無(wú)線(xiàn)通信設備。為保證通信的安全，當該設備被使用者卸下或放起來(lái)后，下次使用前必須再次進(jìn)行身份認證。對便攜或小外形的設計來(lái)說(shuō)，上面這些應用需要采用只需要很小電流的加速度計，最多幾個(gè)微安(µA)就夠了。

　　運動(dòng)感測的另一種應用是在醫療設備中，例如自動(dòng)外部除顫器(AED)。典型地AED被設計用來(lái)產(chǎn)生一次震動(dòng)以使病人的心臟重新跳動(dòng)。當失敗時(shí)，必須進(jìn)行徒手心肺復蘇(CPR)。一位經(jīng)驗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A(yíng)ED接觸胸部的墊子內嵌入加速計，就可通過(guò)測量墊子移動(dòng)的距離來(lái)告訴救助者適當壓力的大小。

　　震動(dòng)感測用于監控和節能

　　震動(dòng)的輕微變化可以用于了解軸承磨損、機械部件未對準以及包括工業(yè)設備在內的其它機械問(wèn)題。具有很高帶寬的小型MEMS加速計是監控馬達、風(fēng)扇和壓縮機內震動(dòng)的理想產(chǎn)品。如果能夠進(jìn)行預測性的維護，可以使制造廠(chǎng)商避免損壞昂貴的設備，以及避免那些可能導致降低生產(chǎn)效率的代價(jià)高昂的故障。

　　測量設備的震動(dòng)變化也可用于檢測機械是否被設置在高能效的工作方式。如果不加以校正，低能效的運轉可能會(huì )損害公司的綠色制造計劃，使得電費飆升，甚至最終還會(huì )導致設備損壞。