慣性MEMS：從提升生活品質(zhì)到拯救生命

作者：Bob Scannell，ADI公司MEMS和傳感器技術(shù)部業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理

運動(dòng)是生命中不可或缺的重要組成部分。能夠移動(dòng)的人似乎在一刻不停地運動(dòng)著(zhù)，而不能移動(dòng)的人則可能需要借助某種形式的機械助力來(lái)幫助實(shí)現運動(dòng)。因此，不難想象，能夠測量這種運動(dòng)的慣性傳感器在提供有關(guān)我們自身的有用信息方面具有重大價(jià)值。如今的音頻（麥克風(fēng)）或光學(xué)（相機）傳感器就是這樣。

討論MEMS與生活品質(zhì)的關(guān)系時(shí)，定義如下的不同程度或階段可能會(huì )有用：從測量、提升到保障。慣性傳感器能夠測量、捕捉或估計人體的輸出/健康狀況，因而與音頻和光學(xué)檢測一樣，很容易確定其應用。例如，計步器使用加速度計來(lái)檢測步伐，提供健身活動(dòng)的測量結果。另外，假肢中為改善平衡和控制而嵌入的運動(dòng)檢測器可以增強殘障人士的移動(dòng)能力，而檢測坐姿與臥姿的加速度計則可以用于監護病人以拯救生命，這些都是顯而易見(jiàn)的。本文從測量、增強、保障生活品質(zhì)三方面，探討運動(dòng)傳感器的技術(shù)挑戰和復雜程度。

傳感器性能

慣性MEMS傳感器在汽車(chē)和消費電子市場(chǎng)的成功，使傳感器的多方面性能有了迅速提高，但現有應用與新興醫療生活品質(zhì)應用的性能要求仍然存在很大差異。為了研究不同應用的電路板級需求，我們可以比較功耗、尺寸、可靠性、環(huán)境魯棒性、性能和性能漂移方面的要求。在這些特性中，功耗和尺寸可能是唯一已經(jīng)被消費電子應用推到極致水平的特性。面向汽車(chē)應用而開(kāi)發(fā)的傳感器通常要求高水平的可靠性和環(huán)境穩健性。

單傳感器應用

低功耗、小尺寸傳感器對運動(dòng)監護儀等生活品質(zhì)測量應用有利，但這些應用還要求高水平的環(huán)境魯棒性，以便將希望測量的實(shí)際運動(dòng)與其它隨機影響區分開(kāi)來(lái)。生活品質(zhì)增強工具可以分為兩類(lèi)：一是穿戴式設備，如假肢等；一是手術(shù)或診斷設備，如機器人手術(shù)工具或便攜式超聲設備等。無(wú)論何種情況，由于測量設備主動(dòng)控制相對于被動(dòng)監控的水平提高，性能和可靠性要求越來(lái)越高。在生活品質(zhì)保障方面，包括微型遠程手術(shù)和其它生命攸關(guān)的監護儀，不僅要求高性能，而且要求非常低的時(shí)間漂移，對環(huán)境影響的靈敏度也應保持最小。

表1. 不同生活品質(zhì)應用的相對特性要求比較

表1通過(guò)一些相對品質(zhì)因數來(lái)比較不同類(lèi)型生活品質(zhì)應用的各種特性的復雜度。即便是要求相對較低的測量設備，超低功耗、小尺寸和溫度/沖擊/振動(dòng)影響抑制能力的組合，也使得這些應用的需求遠遠高于消費電子驅動(dòng)的簡(jiǎn)單傳感器需求。

多傳感器應用

到目前為止，討論集中于單個(gè)傳感器的特性，應用也許是測量線(xiàn)性運動(dòng)（單軸加速度計）或角向運動(dòng)（單軸陀螺儀）。但在現實(shí)生活中，運動(dòng)僅限于單傳感器類(lèi)型或單軸（或可通過(guò)其辨識）的情形相對較少。為了捕捉最精確的運動(dòng)特征，或者為了能在不受限條件（安裝位置或運動(dòng)范圍）下使用，通常要求將多個(gè)傳感器巧妙地合為一體，并將這些傳感器與應用參考系精密對齊。因此，除了基本的傳感器元件以外，機械和傳感器/信號處理要求也大不相同。當我們從測量轉向增強乃至保障時(shí)，復雜度隨之提高。

一個(gè)有意思的例子是在手術(shù)室使用慣性傳感器，使人工關(guān)節（膝或髖關(guān)節）能夠與病人獨特的骨骼結構更精確地對準。該生活品質(zhì)增強應用的目標是讓植入體與患者自然軸的對準誤差小于1º，而當今使用純機械對準方法的誤差為3º或更大。其可能的好處包括：減少對病人身體的介入、縮短手術(shù)時(shí)間、大幅增強病人術(shù)后舒適感以及使關(guān)節置換效果更持久。