MEMS慣性感測的技術(shù)變革

引言

　　雖然自微電子機械系統技術(shù)(MEMS)第一次被用于安全氣囊和汽車(chē)壓力傳感器領(lǐng)域，至今已有20年左右，但真正讓人們更了解慣性傳感器的用途，卻是任天堂Wii和蘋(píng)果iPhone的熱銷(xiāo)，因為這些產(chǎn)品使用了基于運動(dòng)感測技術(shù)的用戶(hù)界面。

　　1 運動(dòng)感測和MEMS介紹

　　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。

　　2 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。

　　3 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。

　　4 沖擊感測用于手勢識別及更多其它應用

　　在許多筆記本電腦中都能看到的磁盤(pán)驅動(dòng)器保護裝置是目前眾多沖擊感測應用中使用最廣泛的一種。加速計檢測微小的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。在檢測到跌落狀態(tài)后的數毫秒之內，系統指示硬盤(pán)讀寫(xiě)頭歸位。在撞擊期間，讀寫(xiě)頭的歸位能中止與磁盤(pán)的接觸，從而預防硬盤(pán)損壞和避免數據損失。

　　手勢識別接口是這種類(lèi)型慣性感測的一種有大好前景的新應用。采用預先定義的手勢(例如點(diǎn)擊/雙擊或晃動(dòng))，用戶(hù)可以激活不同功能或調整工作模式。手勢識別使那些物理按鈕和開(kāi)關(guān)難以操作的設備更便于使用。無(wú)按鈕設計能減少總的系統成本，還能提高終端產(chǎn)品的耐用性，如水下照相機，如果采用物理按鈕會(huì )導致水從按鈕周?chē)p隙滲入照相機機身。

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

　　5 傾斜感測用于高精度應用

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

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

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

　　6 旋轉感測用于陀螺儀和IMU

　　我們已經(jīng)認識到，當旋轉和其它慣性感測形式結合使用時(shí)，MEMS技術(shù)的實(shí)際應用有更多優(yōu)勢。事實(shí)上，這要求使用加速計和陀螺儀。

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

　　IMU在那些對精度要求也許不是那么明顯的應用中也有用武之地。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，球桿內的加速計測量加速度和揮桿平面，同時(shí)陀螺儀測量回旋(或打高爾夫球的人的手的旋轉度)。高爾夫球桿記錄每次比賽或練習中收集到的數據，用于稍后在PC上進(jìn)行分析。

　　7 信號處理的新浪潮

　　無(wú)論是用戶(hù)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、補償重力和位置的需求，或者為實(shí)現更智能的操作，利用5種運動(dòng)感測方法的MEMS慣性感測技術(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)導者，利用其iMEMS Motion Signal Processing系列技術(shù)為下一波的信號處理應用提供了先進(jìn)的加速計和陀螺儀產(chǎn)品。運動(dòng)感測應用的擴展將得益于這些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，以及其上的信號調理電路和集成功能等特性。