多軸傳感器受追捧 MEMS加速挺進(jìn)醫療設計
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多軸慣性傳感器已日益受到醫療應用市場(chǎng)青睞。融合多軸感測功能的慣性MEMS元件，不論尺寸、功耗、精準度與可靠性均有優(yōu)異表現，可符合醫療應用領(lǐng)域的嚴苛要求，如手術(shù)導航工具等精密醫療儀器，皆已開(kāi)始大量導入。
導航與汽車(chē)、卡車(chē)、飛機、輪船及人相關(guān)。然而，它也開(kāi)始在醫療技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，精密手術(shù)儀器和機器人即須使用導航。手術(shù)導航工具的設計要求與傳統的車(chē)輛導航具有廣泛的共同點(diǎn)，但前者也提出一些獨特的挑戰，如在室內使用，無(wú)法獲得全球衛星定位系統（GPS）支援，因而需要更高性能。
本文將研究醫療導航應用的獨特挑戰，并探討從感測器機制到系統特性可能的解決方案，并介紹增強感測性能的方法，如采用卡爾曼濾波等。
微機電系統（MEMS）已成為大多數人每天都會(huì )碰到的成熟技術(shù)，它使汽車(chē)更安全、增強手機可用性，并能優(yōu)化工具及運動(dòng)設備的性能，從而提高對病人的醫療護理水準。
用于線(xiàn)性運動(dòng)檢測的MEMS元件通常是基于一個(gè)微加工的多晶矽表面結構，該結構形成于矽晶圓之上，通過(guò)多晶矽彈簧懸掛在晶圓的表面上，提供對加速度力的阻力。在加速度下，MEMS軸的偏轉由一個(gè)差分電容測量，該差分電容由獨立固定板和活動(dòng)品質(zhì)連接板組成。如此一來(lái)，運動(dòng)使差分電容失衡，導致感測器輸出的幅度與加速度成正比。
例如汽車(chē)因碰撞而突然急劇減速時(shí)，安全氣囊感測器中的MEMS軸會(huì )產(chǎn)生同樣的運動(dòng)，使得電容失衡，最終產(chǎn)生訊號觸發(fā)安全氣囊打開(kāi)。此一基本加速度計結構，根據不同的應用性能參數進(jìn)行調整，并增加資料處理功能后，可以精確地指示傾斜度、速度甚至位置。另有一種技術(shù)上相關(guān)的結構是陀螺儀，它能檢測旋轉速率，輸出形式為度/秒。
透過(guò)一個(gè)耗電量極低的微型元件，以精確檢測和測量運動(dòng)的能力，幾乎對任何涉及運動(dòng)的應用都具價(jià)值，表1即按運動(dòng)類(lèi)型列出基本醫療應用。
盡管簡(jiǎn)單的運動(dòng)檢測有價(jià)值，如一個(gè)軸上的線(xiàn)性運動(dòng)，但多數應用皆涉及到多個(gè)軸上的多種類(lèi)型運動(dòng)。捕捉這種多維運動(dòng)狀態(tài)不僅能帶來(lái)新的好處，且能在軸外擾動(dòng)可能影響單主軸運動(dòng)測量的情況下，保持精度。
為精確測量物件所經(jīng)歷的運動(dòng)，必須將多種類(lèi)型（如線(xiàn)性和旋轉）的感測器結合起來(lái)，如加速度計對地球的重力敏感，可用來(lái)確定傾角。換言之，讓一個(gè)MEMS加速度計在一個(gè)±1g重力場(chǎng)中旋轉時(shí)（±90度），它能夠將該運動(dòng)轉換為角度表示。
然而，加速度計無(wú)法區分靜態(tài)加速度（重力）與動(dòng)態(tài)加速度。因此，加速度計可與陀螺儀結合，利用組合元件的附加資料處理能力，可分辨線(xiàn)性加速度與傾斜（即當陀螺儀的輸出顯示旋轉與加速度計記錄的明顯傾斜重合時(shí)）。隨著(zhù)系統的動(dòng)態(tài)程度（運動(dòng)的軸數和運動(dòng)自由度）增加，感測器融合過(guò)程會(huì )變得更加復雜。
了解環(huán)境對感測器精度的影響也很重要。顯而易見(jiàn)的一個(gè)因素是溫度，可對其進(jìn)行校準。事實(shí)上，高精度感測器可以重新校準，并自身進(jìn)行動(dòng)態(tài)補償。另一個(gè)不那么明顯的考慮因素是潛在的振動(dòng)，即使很輕微的振動(dòng)也會(huì )使旋轉速率感測器的精度發(fā)生偏移，這種效應稱(chēng)為線(xiàn)性加速度效應和振動(dòng)校正，其影響可能很?chē)乐?，具體取決于陀螺儀的品質(zhì)。在此種情況下，感測器融合同樣能夠提高性能，即利用加速度計來(lái)檢測線(xiàn)性加速度，然后利用此資訊和陀螺儀線(xiàn)性加速度靈敏度的校準資訊進(jìn)行校正。
慣性感測器助陣醫療導航嶄露頭角
許多應用要求多自由度的運動(dòng)檢測，如六軸自由度慣性感測器能夠同時(shí)檢測x、y、z軸上的線(xiàn)性加速度和旋轉運動(dòng)（也稱(chēng)為滾動(dòng)、俯仰和
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