高端MEMS助力位置服務(wù)、智能制造、地震預警

MEMS（微機電系統）傳感器已發(fā)展了40余年，已滲透到汽車(chē)、工業(yè)和人們的日常生活中。例如手機里常用的麥克風(fēng)和加速器。手機里的MEMS麥克風(fēng)越來(lái)越多，以更好地拾音；手機加速器的精度越來(lái)越高，例如當你用手機導航時(shí)，車(chē)開(kāi)進(jìn)了隧道，手機依然可以導航，這時(shí)已經(jīng)不是靠衛星導航了，而是靠手機里的MEMS芯片來(lái)實(shí)現的。

在交通工具方面，汽車(chē)安全氣囊、車(chē)身平穩控制，或者高鐵上的一些安全監測都會(huì )用到MEMS。

醫療方面，一個(gè)典型的案例是過(guò)去非常依賴(lài)醫生精準的手術(shù)技術(shù)，現在用一些非常小的MEMS傳感器，可以對手術(shù)路徑做引導，讓一些不是那么專(zhuān)業(yè)的醫生依然可以做專(zhuān)業(yè)的手術(shù)。

不久前，ADI公司亞太區微機電產(chǎn)品線(xiàn)總監趙延輝先生向電子產(chǎn)品世界等媒體介紹了MEMS傳感器在位置服務(wù)、智能制造和地震監測中的最新應用動(dòng)向，以及ADI的部分領(lǐng)先產(chǎn)品。   

ADI亞太區微機電產(chǎn)品線(xiàn)總監 趙延輝

1 高精度位置服務(wù)的剛需

1.1 位置服務(wù)的10大應用場(chǎng)景

2019年10月底、11月初時(shí)，中國移動(dòng)投入了3億多元，購置了4千多個(gè)基站，這些基站不是通常意義上的手機通信的基站，而是用來(lái)提供高精度位置服務(wù)的。

為什么中國移動(dòng)要提供這種位置服務(wù)？因為現在5G時(shí)代正在到來(lái)，可以真正通過(guò)5G技術(shù)實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)。萬(wàn)物互聯(lián)之后，還需要知道“物”的準確位置。下圖列出了公認的需要高精度定位的10大應用，包括自動(dòng)駕駛、手機定位等。

1.2 彌補衛星導航的不足

我國的北斗三號衛星在2020年可以完成全球布局，也會(huì )為國內利用北斗實(shí)現高精度位置服務(wù)的市場(chǎng)帶來(lái)井噴式的發(fā)展。這和MEMS有什么相關(guān)性呢？實(shí)際上，海量的需求連到網(wǎng)絡(luò )里需要位置的信息，是離不開(kāi)慣性導航的，因為以下5方面會(huì )帶來(lái)很大的定位精度的誤差。

1）現在北斗三號衛星的誤差精度大約是2.5~5 m的精度，這對很多應用還是遠遠不夠的，因為假如這時(shí)連著(zhù)1個(gè)岔路口，導航有可能指引出錯誤的方向。因此，一定需要一些輔助的手段來(lái)提高衛星導航的精度。

2）俗話(huà)說(shuō)：做衛星導航是靠天吃飯的，因為衛星在外太空把信號傳過(guò)回來(lái)，首先要穿過(guò)大氣電離層和對流層，會(huì )有一定的折射誤差，因此手機及高精度的接收機都會(huì )收到一定的噪音。

3）能通過(guò)衛星來(lái)定位，是因為我們準確地知道了衛星的位置，但是衛星也有軌道誤差。

4）在理論情況下，各種手機或接收機能夠接收到衛星傳回來(lái)的信號。但很多人生活在城市峽谷里——不僅接收到衛星直接傳回來(lái)的信號，還有衛星信號打在建筑物上再折射回來(lái)的信號，它們會(huì )產(chǎn)生多路徑的效應。

5）一些場(chǎng)景沒(méi)有衛星信號。例如汽車(chē)開(kāi)進(jìn)隧道或室內停車(chē)場(chǎng)。這對于現在非?；鸨淖詣?dòng)駕駛概念是個(gè)挑戰，因為自動(dòng)車(chē)行駛到隧道里，不能駛出車(chē)道線(xiàn)，一般行業(yè)要求精度不超過(guò)20 cm，這時(shí)候只能靠慣導了。慣導利用了MEMS技術(shù)。

1.3 MEMS慣導是定位安全的最后一到屏障

也許有人認為有點(diǎn)危言聳聽(tīng)，例如車(chē)進(jìn)入了隧道，還有很多其它技術(shù)，例如還有視覺(jué)和雷達的技術(shù)都是可以用的。但是有兩點(diǎn)理由。

1）所有的其它技術(shù)都非常依賴(lài)于外部的環(huán)境。例如衛星導航必須得能看到衛星，才能利用衛星導航。關(guān)于雷達，由于霧霾等空氣質(zhì)量的影響，雷達有可能失效。關(guān)于視覺(jué)，也和人眼一樣，以隧道場(chǎng)景為例，假如白天外面非常明亮，從一個(gè)很亮的環(huán)境忽然行駛到很暗的環(huán)境里，就像人眼會(huì )瞬間致盲一樣，這時(shí)候視覺(jué)也提供不了準確的位置判斷。還有在強光下，人會(huì )看不清東西，視覺(jué)也一樣。所以視覺(jué)受到太多的環(huán)境影響，包括車(chē)載里程計，車(chē)載路面打滑怎么辦？它們都太依靠外部的環(huán)境下。只有慣導IMU（慣性測量單元），不依賴(lài)于任何的外部環(huán)境。

2）在做導航定位的時(shí)候，感覺(jué)導航更新較慢，例如車(chē)速開(kāi)得很快的時(shí)候，到一個(gè)路口，開(kāi)過(guò)去了才說(shuō)岔路右轉。這是因為很多衛星導航或者視覺(jué)更新速度太慢了，例如衛星導航，一般是1 s更新1次，現在最快可以做到幾十Hz，即1 s更新幾十次。對于高端的應用，涉及到國防安全的應用，盡管最多可達幾百Hz級，仍遠遠達不到連續導航的水平。連續導航至少需要做到幾ms級，這是ADI IMU可以輕松做到的。

不過(guò)，IMU也并非十全十美，取決于多長(cháng)時(shí)間，例如進(jìn)入隧道了，在其它傳感器都失效的情況下，希望車(chē)不出車(chē)道線(xiàn)20 cm的精度，要依靠IMU 10 s、1 h都能做得到嗎？這時(shí)，依賴(lài)IMU的時(shí)間越長(cháng)，需要選擇的傳感器的精度就要越高，這意味著(zhù)在做傳感器融合的時(shí)候，并不是傳感器越多越好，而不考慮傳感器的性能。如果選擇不當，可能拿來(lái)的都是一些無(wú)用的數據，無(wú)法實(shí)現精準的定位。