ADI新產(chǎn)品為添新功能，應(yīng)用MEMS陀螺儀和加速度計(jì)工作原理

在ADI公司的一間會(huì)議室中，Howard Wisniowski用一只手拿起比紀(jì)念郵票稍大一點(diǎn)的演示板，并停留在離桌面一米左右的空中。這塊演示板上安裝有ADI的運(yùn)動(dòng)傳感器和相關(guān)電路。Wisniowski松開(kāi)拿著這塊演示板的手，使演示板落向另外一只手。

演示板剛開(kāi)始自由下落，運(yùn)動(dòng)傳感器就感測(cè)到了加速度的變化。在演示板落到Wisniowski的另一只手中之前，板子上的紅色LED開(kāi)始閃爍，與此同時(shí)微型變換器發(fā)出摩爾斯電碼格式的SOS信號(hào)聲。這種重定向到水平面的響應(yīng)速度，正是消費(fèi)者期望筆記本硬盤(pán)磁頭組件或汽車(chē)氣囊傳感器所應(yīng)有的性能。

適合采用CMOS工藝流程的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）制造技術(shù)可能帶來(lái)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)、高靈敏度和小型尺寸能開(kāi)創(chuàng)許多新的應(yīng)用，而這只是其中的兩種。

MEMS加速度計(jì)和陀螺儀的工作原理

MEMS加速度計(jì)的核心，一部分位于電子電路中，一部分在于機(jī)械結(jié)構(gòu)中。經(jīng)過(guò)制造和封裝的加速度計(jì)可以用來(lái)測(cè)量單個(gè)平面或兩個(gè)/三個(gè)正交平面中的加速度。從概念上講，加速度傳感部分通常包含位于懸梁一端的“運(yùn)動(dòng)塊”。

對(duì)處于加速狀態(tài)的多個(gè)運(yùn)動(dòng)塊和橫梁系統(tǒng)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)測(cè)量，一般是通過(guò)傳感位于一組固定橫梁和一組偏轉(zhuǎn)橫梁之間的電容變化完成的，有點(diǎn)類(lèi)似于宏觀的可變電容。由于許多容性傳感器具有相對(duì)位移非線性的電容特性，因此要用傳感器中的電子將信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性輸出。除了電容外，也可以使用壓電型傳感元件。

在加速度計(jì)數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)明的一些重要特征參數(shù)包括帶寬和諧振頻率、本底噪聲、交叉軸靈敏度、漂移、線性度、動(dòng)態(tài)范圍、抗沖擊能力和功耗。一般來(lái)說(shuō)，諧振頻率要比帶寬上限高好幾倍。帶寬和靈敏度通常呈反比關(guān)系。

除了電子器件通常都有的噪聲源外，由于MEMS傳感器非常小，由運(yùn)動(dòng)塊上的布朗效應(yīng)產(chǎn)生的熱噪聲也是一個(gè)顯著的噪聲源。

線性加速度計(jì)在運(yùn)輸領(lǐng)域、特別是與氣囊有關(guān)的減速傳感應(yīng)用領(lǐng)域有很大的市場(chǎng)。磁盤(pán)中的MEMS角加速度計(jì)同樣具有很大的市場(chǎng)，它們可以用來(lái)補(bǔ)償角度方面的沖擊和振動(dòng)。與線性產(chǎn)品不同，這些器件位于支撐彈簧重心處的重力中心，因此對(duì)角加速度非常敏感。

加速度、振動(dòng)、沖擊和傾斜與線性速率的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。旋轉(zhuǎn)是一種角速率運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)模式與其它模式有所不同，因?yàn)樾D(zhuǎn)發(fā)生時(shí)加速度可能沒(méi)有變化。為理解其工作原理，請(qǐng)參考三軸慣性傳感器圖。

這個(gè)傳感器的X和Y軸平行于地球表面，Z軸指向地球中心。在這個(gè)位置，Z軸的測(cè)量值是1g，X和Y軸記錄的是0g。旋轉(zhuǎn)這個(gè)傳感器，使其只在Z軸移動(dòng)，X和Y平面只是旋轉(zhuǎn)，因此測(cè)得的數(shù)據(jù)仍是0g，而Z軸的測(cè)量值仍是1g。

這正是用MEMS陀螺儀傳感這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原因。因?yàn)槟承┳罱K產(chǎn)品除了測(cè)量其它運(yùn)動(dòng)方式外必須測(cè)量旋轉(zhuǎn)，陀螺儀可以集成在嵌入有多軸陀螺儀和多軸加速度計(jì)的慣性測(cè)量單元（IMU）中。

加速度計(jì)測(cè)量的是一個(gè)平面上的位移和振動(dòng)，而MEMS陀螺儀可以測(cè)量由科里奧利力引起的位移。雖然科里奧利力與浴缸下水道流出的水無(wú)關(guān)，但在比颶風(fēng)規(guī)模小的物體上確實(shí)能起作用，它在每個(gè)科學(xué)博物館似乎都有的傅科擺這種大小適中、但遠(yuǎn)非微型的物體上得到了成功演示。

假設(shè)讀者都記得傅科擺與地球的旋轉(zhuǎn)有某種關(guān)系，這里僅作簡(jiǎn)要的解釋。假設(shè)你有一個(gè)振動(dòng)著的質(zhì)量顆粒（鐘擺球），它以v0 cos（0t）的諧振速度在移動(dòng)，而這個(gè)速度固定為大小是0in的身體（地球）旋轉(zhuǎn)速度。科里奧利效應(yīng)將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的加速度，其頻率與驅(qū)動(dòng)加速度相同，但與質(zhì)量顆粒的速度向量呈直角。也就是說(shuō)，科里奧利加速度是一個(gè)向量積，即a（t） = ［ 2Oin × v0］ cos（Ot）。

現(xiàn)在讓我們展開(kāi)想象，將巨大的傅科擺換成是振動(dòng)著的音叉，你可以得到一個(gè)類(lèi)似的結(jié)果（圖1）。音叉的正常振動(dòng)模式是在一個(gè)平面中，科里奧利效應(yīng)引起的位移處于另一個(gè)與之正交的平面中 。將音叉縮小到MEMS尺寸，用外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)音叉，三個(gè)軸分別使用三個(gè)獨(dú)立的音叉，你就能理解三軸MEMS加速度計(jì)的基本概念。

當(dāng)然，上述“基本概念”忽略了實(shí)際制造器件、從一個(gè)軸到另一個(gè)軸的交叉耦合振動(dòng)、校準(zhǔn)、熱問(wèn)題等等帶來(lái)的挑戰(zhàn)。我們無(wú)需使振動(dòng)元件看起來(lái)像鋼琴調(diào)音工具。想象一下你用一個(gè)像喇叭口或酒杯那樣振動(dòng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)能做的事情（圖2）。目前為止在MEMS結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)有大量專(zhuān)利，并且有許多聰明的方法能夠利用半導(dǎo)體工藝流程來(lái)制造這些器件。

更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

一提到加速度計(jì)，人們就會(huì)想到汽車(chē)氣囊應(yīng)用。但事實(shí)上，由于移動(dòng)和位置改變都伴隨著加速度，因此MEMS加速度計(jì)經(jīng)常用來(lái)探測(cè)比汽車(chē)相撞激烈程度更輕的事件。

只要設(shè)備被提起或放下，隨之產(chǎn)生的加速度變化都能被探測(cè)到，然后產(chǎn)生中斷，再通過(guò)中斷服務(wù)把設(shè)備中的某些功能打開(kāi)或關(guān)閉，或讓某些部分保持正常工作，讓其它部分進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。比如手持設(shè)備就可以利用這一功能關(guān)閉背光顯示，在被拿起時(shí)再打開(kāi)背光顯示。當(dāng)然，運(yùn)動(dòng)傳感器最好要比背光消耗少得多的功率。

更具戲劇性的是，大約在一年前，我曾為第一個(gè)回應(yīng)者寫(xiě)過(guò)一篇有關(guān)手提收音機(jī)的文章，當(dāng)攜帶這種收音機(jī)的人停止移動(dòng)一段時(shí)間時(shí)收音機(jī)能自動(dòng)發(fā)出信號(hào)--例如一位救火隊(duì)員在燃燒的建筑物中受了傷 （參考“P25 Handhelds Incorporate High-Velocity Human Factors Design”）?；蛘咴趹?zhàn)場(chǎng)上，你不想讓敵人從已死或受傷的戰(zhàn)友身上撿走收音機(jī)，然后用它來(lái)獲得戰(zhàn)術(shù)情報(bào)，那么可以通過(guò)編程讓這種收音機(jī)在允許用戶使用前必須進(jìn)行重新認(rèn)證。

Wisniowski還介紹了能在公共場(chǎng)所使用的新型除顫器。這些設(shè)備可以幫助經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺的救助人員在電子心臟刺激失效時(shí)提供心肺復(fù)蘇術(shù)（CPR）。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，Wisniowski表示，“一位經(jīng)驗(yàn)欠缺的救助人員可能無(wú)法將病人的胸部壓縮到位以實(shí)現(xiàn)有效的CPR。這時(shí)可以通過(guò)嵌入在自動(dòng)體外除顫器（AED）的胸部襯墊中的加速度計(jì)測(cè)量襯墊的移動(dòng)距離，從而給救助者提供正確的壓縮量反饋信息?！?/p>

在《Electronic Design》雜志發(fā)表的有關(guān)能量采集文章中，最常見(jiàn)的應(yīng)用是通過(guò)振動(dòng)監(jiān)視評(píng)估機(jī)械系統(tǒng)（如工業(yè)泵電機(jī)、有軌車(chē)輪軸軸承和高速公路橋梁）的狀態(tài)。一般人員對(duì)此的解讀是，使用被監(jiān)視的振動(dòng)能量給微控制器和網(wǎng)狀無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電，但是我很少考慮原始數(shù)據(jù)的來(lái)源。

然而，這是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，需要使用非常小并且?guī)捄軐挼腗EMS加速度計(jì)，才能捕獲到足夠準(zhǔn)確的正常振動(dòng)和異常振動(dòng)數(shù)據(jù)。最后，還需要提供足夠的診斷信息以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在故障發(fā)生時(shí)間的智能判斷。

至此我們已經(jīng)考慮了位移和振動(dòng)。沖擊脈沖事件是加速度的另一個(gè)來(lái)源，其最廣泛應(yīng)用可能是筆記本磁盤(pán)。有趣的是，在磁盤(pán)應(yīng)用中，需要探測(cè)的不是沖擊本身，因?yàn)榘l(fā)生沖擊時(shí)，做一切事情都已太晚。

正如Wisniowski的“SOS”演示所暗示的那樣，我們可以在沖擊本身發(fā)生之前探測(cè)到表明筆記本下落的g力變化，這種變化是與撞擊地板相關(guān)的破壞性沖擊的先兆。在0g條件剛發(fā)生和筆記本撞擊地板之間的幾個(gè)毫秒內(nèi)，系統(tǒng)完全可以讓磁盤(pán)磁頭處于懸停狀態(tài)。

蘋(píng)果的iPhone和任天堂的Wii讓我們習(xí)慣于使用加速度計(jì)和陀螺儀實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別，比如拍打、雙擊和搖動(dòng)，進(jìn)而激活某些功能和調(diào)節(jié)工作模式。除了使產(chǎn)品更酷外，提供手勢(shì)輸入還有其它好處。在水下照相機(jī)等產(chǎn)品中，無(wú)按鍵設(shè)計(jì)還有降低系統(tǒng)成本和使系統(tǒng)更加堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)。拍打接口也非常適合用于可佩戴和可植入醫(yī)療設(shè)備。

Wii游戲控制還帶來(lái)了傾斜傳感功能。除了游戲控制，傾斜傳感還能在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮作用，比如用一只手操作設(shè)備，而空出另一只手控制在崎嶇道路上行進(jìn)的汽車(chē)或平臺(tái)。這里你要用一個(gè)三軸加速度計(jì)來(lái)探測(cè)由于重力導(dǎo)致的傾斜緩慢變化，并解釋成往一個(gè)方向或另一個(gè)方向的扭曲或傾斜。

再看看比類(lèi)似Wii的工業(yè)設(shè)備控制更加貼近實(shí)際的應(yīng)用吧，有許多工作涉及傾斜傳感功能，比如調(diào)節(jié)工業(yè)稱(chēng)重計(jì)和正確方向的壓力。

另一種復(fù)雜的產(chǎn)品--最新的慣性測(cè)量單元（IMU）集成了一個(gè)多軸加速度計(jì)、一個(gè)多軸陀螺儀和一個(gè)多軸磁力計(jì)。ADI公司的六自由度IMU可以在醫(yī)療成像和外科手術(shù)儀器中提供高分辨率。

早期突破性的產(chǎn)品

在2007年年中，ADI憑借ADIS16355 IMU取得了新的突破。這個(gè)器件組合了三軸角速率傳感和三軸加速度傳感功能，傳感精度比市場(chǎng)上其它慣性傳感器高50倍。此外，它還具有預(yù)校準(zhǔn)功能，即不管處于什么溫度條件下它都能提供精確的數(shù)據(jù)，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)師無(wú)需在系統(tǒng)代碼中嵌入校準(zhǔn)值表格。

在ADIS16355的推廣階段，全溫度范圍校準(zhǔn)版在1000片批量時(shí)的價(jià)格是359美元，室溫校準(zhǔn)版的價(jià)格是275美元。ADIS16355是一個(gè)邊長(zhǎng)只有一英寸的立方體形狀的器件，安裝其引腳和末端有連接器的柔性電路只需很少空間。

ADIS16355的目標(biāo)應(yīng)用通常是車(chē)載攝像機(jī)和天線、商用航行器導(dǎo)航單元、機(jī)器人和修復(fù)手術(shù)（prosthetics）。另一個(gè)重要領(lǐng)域是在GPS信號(hào)丟失時(shí)的慣性備份導(dǎo)航。這個(gè)功能不僅在航空領(lǐng)域非常重要，而且在商業(yè)車(chē)輛編隊(duì)行進(jìn)和大農(nóng)場(chǎng)中的自動(dòng)收割設(shè)備中也非常有用。

ADIS16355具有14位精度，輸出和控制都是通過(guò)簡(jiǎn)單的串行外設(shè)接口（SPI）完成。每個(gè)陀螺儀具有±300°/s的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，每個(gè)加速度計(jì)有±10g的測(cè)量范圍。雖然最大動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)±300°/s，但這個(gè)IMU也提供±75°/s和±150°/s的范圍。

每個(gè)傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路有約350Hz的模擬帶寬。ADIS16355提供具有可編程步長(zhǎng)的Bartlett Window有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器，它對(duì)所有輸出數(shù)據(jù)寄存器都有額外的噪聲抑制效果。

除了帶校準(zhǔn)功能的運(yùn)動(dòng)測(cè)量外，ADIS16355還能測(cè)量電源電壓和溫度，并提供12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輔助通道。這個(gè)輸出數(shù)據(jù)在內(nèi)部可更新，與用戶讀取速率無(wú)關(guān)。輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以是12位或14位。

12位漸次逼近型輔助ADC使得其它系統(tǒng)級(jí)模擬信號(hào)的數(shù)字化成為可能。另外，0～2.5V輔助輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）可提供12位的電平調(diào)節(jié)功能。

在ADIS16355上市前約6個(gè)月，ADI就推出了用于工業(yè)應(yīng)用的ADIS16209雙軸MEMS傾角計(jì)和加速度計(jì)（參考“Tiny Dual-Axis MEMS Inclinometer Simplifies Industrial Measurements”）。

2008年底，我們見(jiàn)到過(guò)帶14位陀螺儀的五自由度ADIS16300和六自由度ADIS16405 IMU，這些產(chǎn)品的特性包括：數(shù)字范圍可調(diào)；±75°/s、±150°/s和±300°/s設(shè)置；三軸、14位、±5g數(shù)字加速度計(jì)；180ms響應(yīng)時(shí)間（圖3）。另外，這些產(chǎn)品提供出廠校準(zhǔn)過(guò)的靈敏度、偏置和軸向?qū)R、數(shù)字控制的偏置校準(zhǔn)以及高達(dá)819.2samples/s的數(shù)字控制采樣速率（外部時(shí)鐘允許采樣速率高達(dá)1200samples/s）。

在同一時(shí)間發(fā)布的還有ADIS16209雙模傾角計(jì)。它可以提供±90°的雙軸水平操作，也可以提供±180°的單軸垂直操作。ADIS16209工作電壓為3.3.V，通過(guò)SPI總線與外部實(shí)現(xiàn)通信。

在ADIS16209發(fā)布會(huì)上，ADI宣稱(chēng)這個(gè)產(chǎn)品的尺寸僅為9.2x9.2x3.9mm，比市場(chǎng)上其它產(chǎn)品小100倍，而價(jià)格只是功能相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)品的十分之一。前面就曾提及到，醫(yī)療是這個(gè)產(chǎn)品的主要應(yīng)用。超聲波、胸部X照相儀和X射線設(shè)備在掃描器對(duì)齊方面都需要一定的精確度和準(zhǔn)確度。這些器件也被用于臀部和膝部外科手術(shù)。

這類(lèi)醫(yī)療設(shè)備也是六自由度ADIS16405 IMU的目標(biāo)應(yīng)用之一，其三軸磁力計(jì)傳感器可用于頭部傳感。據(jù)ADI公司表示，它的成本也要比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品低10倍。

最新技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)展

今年3月，ADI發(fā)布了ADXL346數(shù)字化三軸iMEMS智能運(yùn)動(dòng)傳感器，這是用于便攜式設(shè)備的小型吸能智能運(yùn)動(dòng)傳感器系列產(chǎn)品中的一員。ADXL346的主工作電壓可低至1.8V，采用3x3x0.95mm封裝。此外，它能測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度（運(yùn)動(dòng)或沖擊引起的加速度）和靜態(tài)加速度（比如重力，能用作傾斜傳感器）。

為節(jié)省功耗，ADXL346最多可將32組X、Y和Z軸采樣數(shù)據(jù)緩沖在先入先出（FIFO）存儲(chǔ)器中，從而使主處理器和其它大功率外設(shè)處于待機(jī)模式，直到需要時(shí)再被喚醒。帶寬是可選的，范圍從0.1Hz至1，600Hz，因此可以在響應(yīng)速度和電池壽命之間取得很好的折衷。功耗圍從低于150μA（1，600Hz帶寬）到25μA （10Hz以下帶寬）不等。

ADXL346可以測(cè)量±2/4/8/16g用戶可選范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)加速度，并且包含可通過(guò)簡(jiǎn)單寄存器讀取的內(nèi)置方向傳感功能。具有用戶可編程門(mén)限的特殊傳感功能包括靜止、拍打/雙擊和自由落體傳感。ADXL346在1，000片批量時(shí)的單價(jià)是3.04美元。

今年早些時(shí)候，ADI還推出了ADXL345三軸加速度計(jì)，并聲稱(chēng)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的三軸傳感器相比可節(jié)能80%。節(jié)能設(shè)計(jì)方面包括低的單節(jié)電池工作電壓和與上述同樣的FIFO機(jī)制。這種機(jī)制可以將對(duì)移動(dòng)或加速度變化的響應(yīng)任務(wù)從主處理器上卸載下來(lái)。此外，輸出數(shù)據(jù)范圍可在0.1Hz至3.2kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此允許便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師為特定系統(tǒng)功能精確分配功率。ADXL345在1，000片批量時(shí)的單價(jià)是3.04美元。

當(dāng)然，ADI并不是MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器的唯一制造商。飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供針對(duì)移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的MMA745xL三軸數(shù)字輸出加速度計(jì)。該器件支持所有方向的傾斜滾動(dòng)、游戲控制、姿勢(shì)識(shí)別和拍打靜音等功能，此外還支持盜竊保護(hù)、自由落體傳感和GPS備份應(yīng)用。

意法微電子公司的LIS302DLH 16位三軸加速度計(jì)非常適合運(yùn)動(dòng)傳感、方向識(shí)別、自由落體探測(cè)和振動(dòng)監(jiān)視應(yīng)用（圖4）。該公司稱(chēng)，LIS302DLH的高度僅為0.75mm，是市場(chǎng)上最薄的器件。LIS302DLH通過(guò)串行外設(shè)接口（SPI）總線輸出最高達(dá)±8g的加速度數(shù)據(jù)。

為彌補(bǔ)范圍從游戲和遙指到汽車(chē)導(dǎo)航應(yīng)用中的加速度傳感器的不足，并完善攝像機(jī)搖動(dòng)功能，意法微電子公司最近還推出了一系列15種單軸和多軸MEMS陀螺儀。這個(gè)系列包含30dps至6，000dps（度/秒）寬滿量程范圍，包括單軸（偏轉(zhuǎn)）和雙軸（傾斜和滾動(dòng)、傾斜和偏轉(zhuǎn)）器件。

這兩種配置都能為每個(gè)軸同時(shí)提供兩路獨(dú)立的輸出：一路是未經(jīng)放大的輸出，用于一般的角動(dòng)傳感；另一路是經(jīng)4倍放大的輸出，用于高分辨率測(cè)量。該器件的批量購(gòu)買(mǎi)單價(jià)是2.50美元。

針對(duì)類(lèi)似手持設(shè)備中的磁盤(pán)保護(hù)等應(yīng)用，意法微電子公司發(fā)布了帶完全模擬輸出的三軸加速度計(jì)LIS352AX。這個(gè)器件的工作電壓范圍低至2.16V至3.6V，對(duì)電池供電電壓的變化不敏感，在寬溫度范圍內(nèi)針對(duì)0g偏移和靈敏度具有很高的可靠性。內(nèi)置自檢功能使得電路板組裝完成后可以驗(yàn)證傳感器功能是否正常。該器件的批量購(gòu)買(mǎi)單價(jià)是1.30美元。

今年3月份，從康奈爾大學(xué)獨(dú)立出來(lái)的Kionix公司推出了KXTF9三軸加速度計(jì)，它有一個(gè)被稱(chēng)為“方向性拍打/兩次拍打”的新接口。KXTF9最多能創(chuàng)建12條獨(dú)特的拍打使能命令，供最終用途開(kāi)發(fā)人員定義的功能使用。方向性拍打/兩次拍打接口能夠傳感出物體六個(gè)面的任一面上出現(xiàn)的輕輕快速拍打或連續(xù)兩次拍打。

Kionix公司首席執(zhí)行官Greg Galvin介紹道：“單次拍打手機(jī)表面可以激活語(yǔ)音郵件，或停止振鈴，拍打手機(jī)左側(cè)可激活導(dǎo)航功能，兩次連續(xù)拍打手機(jī)底部可轉(zhuǎn)向互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)。”其它特性包括用戶可編程輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）、可選的8位或12位分辨率、用戶可選的2/4/8g重力加速度范圍以及具有用戶可選截止頻率的數(shù)字高通濾波器。KXTF9的工作電壓范圍是直流1.8V至3.6V。