利用MEMS慣性感測(cè)轉(zhuǎn)變應(yīng)用

盡管MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)在安全氣囊部署和汽車壓力傳感器中已經(jīng)使用了大約二十年，但任天堂Wii和蘋果iPhone中的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)用戶界面使人們對(duì)慣性傳感器的功能有了廣泛的認(rèn)識(shí)。

盡管如此，在某種程度上，慣性傳感器僅在最終產(chǎn)品需要檢測(cè)加速和減速時(shí)才有用。從純粹的科學(xué)角度來看，這是正確的。然而，這可能會(huì)錯(cuò)過MEMS加速度計(jì)和陀螺儀在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、消費(fèi)電子和汽車電子等領(lǐng)域的許多不斷擴(kuò)大的應(yīng)用。

研究五種運(yùn)動(dòng)傳感模式中每一種模式的可能性，極大地?cái)U(kuò)展了當(dāng)今大批量MEMS應(yīng)用之外的選擇。這五種模式是加速（包括位置和方向等平移運(yùn)動(dòng)）、振動(dòng)、沖擊、傾斜和旋轉(zhuǎn)。

例如，具有活動(dòng)檢測(cè)功能的加速度計(jì)可以在確定設(shè)備在沒有移動(dòng)或振動(dòng)的情況下處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過告訴設(shè)備進(jìn)入最低功耗模式來啟用電源管理技術(shù)。復(fù)雜的控件和物理按鈕正在被手指點(diǎn)擊控制的手勢(shì)識(shí)別界面所取代。在其他用例中，最終產(chǎn)品的操作變得更加精確，例如當(dāng)指南針補(bǔ)償您手中握持的傾斜角度時(shí)。

本文提供了先進(jìn)的商用MEMS加速度計(jì)和陀螺儀如何通過五種類型的運(yùn)動(dòng)傳感來改變各種終端產(chǎn)品的示例。

運(yùn)動(dòng)傳感和MEMS簡(jiǎn)介

加速度、振動(dòng)、沖擊、傾斜和旋轉(zhuǎn)——除了旋轉(zhuǎn)之外，實(shí)際上是不同時(shí)間段內(nèi)加速度的不同表現(xiàn)形式。然而，作為人類，我們并不直觀地將這些運(yùn)動(dòng)感覺與加速/減速的變化聯(lián)系起來。單獨(dú)考慮每種模式有助于設(shè)想更多的可能性。

加速度（記住，包括平移運(yùn)動(dòng)）測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)速度的變化。速度以米/秒 （m/s） 表示，包括位移速率和運(yùn)動(dòng)方向。因此，加速度以米/秒平方（m/s）為單位2).負(fù)值的加速（想象一下當(dāng)駕駛員踩剎車時(shí)汽車減速）稱為減速。

現(xiàn)在考慮不同時(shí)間段的加速。振動(dòng)可以被認(rèn)為是快速和周期性發(fā)生的加速和減速。

同樣，沖擊是瞬間發(fā)生的加速度。但與振動(dòng)不同的是，沖擊是一種非周期性函數(shù)，通常只發(fā)生一次。

讓我們?cè)俅窝娱L(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)度。當(dāng)移動(dòng)物體以改變其傾斜度或傾斜度時(shí)，涉及相對(duì)于重力的位置的一些變化。與振動(dòng)和沖擊相比，這種運(yùn)動(dòng)往往發(fā)生得相當(dāng)緩慢。

由于前四種運(yùn)動(dòng)傳感模式都涉及加速度的某個(gè)方面，因此它們通過重力（重力施加在地球上物體上的力單位）來測(cè)量（1 g等于9.8 m / s）。2).MEMS加速度計(jì)通過測(cè)量重力對(duì)加速度計(jì)軸的影響來檢測(cè)傾斜。在 3 軸加速度計(jì)的實(shí)例中，三個(gè)單獨(dú)的輸出測(cè)量沿 X、Y 和 Z 軸運(yùn)動(dòng)的加速度。

目前市場(chǎng)份額最大的加速度計(jì)使用差分電容器來測(cè)量g力，然后將其轉(zhuǎn)換為伏特或比特（在數(shù)字輸出加速度計(jì)的情況下），然后傳遞到微處理器以執(zhí)行動(dòng)作。最近的技術(shù)進(jìn)步使得在低g和高g感應(yīng)范圍內(nèi)制造微型MEMS加速度計(jì)成為可能，其帶寬比以前寬得多，大大增加了潛在應(yīng)用領(lǐng)域。低 g 感應(yīng)范圍小于 20 g，處理人類可以產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。高g對(duì)于感知與機(jī)器或車輛相關(guān)的運(yùn)動(dòng)很有用 - 本質(zhì)上是人類無法創(chuàng)造的運(yùn)動(dòng)。

到目前為止，我們只討論了線性速率運(yùn)動(dòng)，即包括加速度、振動(dòng)、沖擊和傾斜的運(yùn)動(dòng)類型。旋轉(zhuǎn)是角速率運(yùn)動(dòng)的量度。此模式與其他模式不同，因?yàn)樾D(zhuǎn)可以在不改變加速度的情況下進(jìn)行。要了解其工作原理，請(qǐng)想象一個(gè) 3 軸慣性傳感器。假設(shè)傳感器的 X 軸和 Y 軸平行于地球表面;Z 軸指向地球中心。在此位置，Z 軸測(cè)量 1 g;X 軸和 Y 軸寄存器 0 g。現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)傳感器以僅繞 Z 軸移動(dòng)。X 和 Y 平面只是旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)測(cè)量 0 g，而 Z 軸仍測(cè)量 1 g。

MEMS陀螺儀用于感測(cè)這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于某些最終產(chǎn)品除了測(cè)量其他形式的運(yùn)動(dòng)外還必須測(cè)量旋轉(zhuǎn)，因此陀螺儀可以集成到嵌入多軸陀螺儀和多軸加速度計(jì)的IMU（慣性測(cè)量單元）中。

加速可用性和電源管理

早些時(shí)候我們觀察到加速度在檢測(cè)運(yùn)動(dòng)和位置方面發(fā)揮作用。這就有可能使用MEMS加速度計(jì)來通知器件何時(shí)被拾取和放下，當(dāng)檢測(cè)到時(shí)，可以生成一個(gè)中斷，自動(dòng)打開和關(guān)閉功能。各種功能組合可以保持活動(dòng)狀態(tài)或進(jìn)入盡可能低功耗的狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的開/關(guān)功能是人性化的，因?yàn)樗鼈兿擞脩舻闹貜?fù)操作。更重要的是，它們支持電源管理，使設(shè)備在充電或更換電池之間運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間。帶有背光LCD的智能遙控器是潛在的場(chǎng)景之一。

使用加速度計(jì)感知運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生中斷的另一種方法是在軍事或公共安全人員的無線電中。為了保證通信安全，當(dāng)無線電停止佩戴或攜帶時(shí)，可能需要重新進(jìn)行身份驗(yàn)證才能允許用戶訪問。請(qǐng)注意，為了實(shí)用于便攜式或小型設(shè)計(jì)，上述兩個(gè)用例將取決于消耗很少電流的加速度計(jì)：最多幾微安（μA）。

運(yùn)動(dòng)傳感的另一個(gè)應(yīng)用是醫(yī)療設(shè)備，如自動(dòng)體外除顫器。通常，AED 旨在提供電擊，使患者的心臟再次跳動(dòng)。當(dāng)失敗時(shí)，必須進(jìn)行手動(dòng)心肺復(fù)蘇。經(jīng)驗(yàn)不足的施救者可能無法按壓患者的胸部以進(jìn)行有效的心肺復(fù)蘇術(shù)。嵌入在 AED 胸墊中的加速度計(jì)可用于通過測(cè)量墊移動(dòng)的距離，向救援人員提供適當(dāng)壓縮量的反饋。

用于監(jiān)控和節(jié)能的振動(dòng)

振動(dòng)的微小變化是軸承磨損、機(jī)械部件未對(duì)準(zhǔn)以及機(jī)械（包括工業(yè)設(shè)備）中其他問題的領(lǐng)先指標(biāo)。具有極寬帶寬的超小型MEMS加速度計(jì)是監(jiān)測(cè)電機(jī)、風(fēng)扇和壓縮機(jī)振動(dòng)的理想選擇。能夠執(zhí)行預(yù)測(cè)性維護(hù)使制造公司能夠避免損壞昂貴的設(shè)備，并防止導(dǎo)致代價(jià)高昂的生產(chǎn)力損失的故障。

測(cè)量設(shè)備振動(dòng)特征的變化也可用于檢測(cè)機(jī)械是否調(diào)整為以節(jié)能方式運(yùn)行。除非得到糾正，否則這種低效的運(yùn)營可能會(huì)損害公司的綠色制造努力，并推高其電費(fèi)或最終導(dǎo)致設(shè)備損壞。

沖擊、手勢(shì)識(shí)別等

許多筆記本電腦中的磁盤驅(qū)動(dòng)器保護(hù)是迄今為止實(shí)施最廣泛的沖擊傳感應(yīng)用之一。加速度計(jì)檢測(cè)到微小的g力，表明筆記本電腦正在掉落或掉落，這是電擊事件的前兆：撞到地板。在幾毫秒內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)命令將硬盤驅(qū)動(dòng)器頭停放。在撞擊過程中，停放磁頭可防止與磁盤盤片接觸，從而防止損壞驅(qū)動(dòng)器和由此造成的數(shù)據(jù)丟失。

手勢(shì)識(shí)別接口是此類慣性傳感的一個(gè)有前途的新用途。定義的手勢(shì)，如點(diǎn)擊、雙擊或搖晃，允許用戶激活不同的功能或調(diào)整操作模式。手勢(shì)識(shí)別使設(shè)備在難以操作物理按鈕和開關(guān)的地方更易于使用。無按鈕設(shè)計(jì)還可以降低整體系統(tǒng)成本，此外還可以提高水下攝像機(jī)等終端產(chǎn)品的耐用性，其中按鈕周圍的開口會(huì)讓水滲入相機(jī)機(jī)身。

小尺寸消費(fèi)電子產(chǎn)品只是加速度計(jì)驅(qū)動(dòng)的手勢(shì)識(shí)別正在找到一席之地的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。得益于極小的低功耗MEMS加速度計(jì)，抽頭接口非常適合可穿戴和植入式醫(yī)療設(shè)備，如藥物輸送泵和助聽器。

用于精確操作的傾斜傳感

傾斜傳感在手勢(shì)識(shí)別界面中也具有巨大的潛力。例如，在建筑或工業(yè)檢測(cè)設(shè)備等應(yīng)用中，單手操作可能更可取。不操作設(shè)備的手仍然可以自由控制操作員站立的鏟斗或平臺(tái)，或者為了安全起見，可以握住系繩。操作員可以簡(jiǎn)單地“旋轉(zhuǎn)”探頭或設(shè)備來調(diào)整其設(shè)置。

在這種情況下，3軸加速度計(jì)會(huì)將旋轉(zhuǎn)感知為傾斜：測(cè)量存在重力的情況下傾斜的低速變化，檢測(cè)重力矢量的變化，并確定方向是順時(shí)針還是逆時(shí)針。傾斜檢測(cè)還可以與點(diǎn)擊（沖擊）識(shí)別相結(jié)合，讓操作員單手控制設(shè)備的更多功能。

補(bǔ)償設(shè)備的位置是傾斜測(cè)量有用的另一個(gè)重要領(lǐng)域。在GPS（全球定位系統(tǒng)）或手機(jī)中獲取電子羅盤。這里一個(gè)眾所周知的問題是指南針未完全平行于地球表面時(shí)產(chǎn)生的航向誤差。

工業(yè)秤是另一個(gè)例子。在此應(yīng)用中，必須計(jì)算裝載的鏟斗相對(duì)于地球的傾斜度，以準(zhǔn)確讀取重量。壓力傳感器，例如用于汽車和工業(yè)機(jī)械的壓力傳感器，同樣會(huì)受到重力的影響。這些傳感器包含隔膜，其偏轉(zhuǎn)根據(jù)傳感器的安裝位置而變化。在所有這些情況下，MEMS加速度計(jì)執(zhí)行必要的傾斜檢測(cè)以補(bǔ)償誤差。

旋轉(zhuǎn)：陀螺儀和 IMU 在運(yùn)行

如前所述，當(dāng)旋轉(zhuǎn)與其他形式的慣性檢測(cè)相結(jié)合時(shí)，MEMS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用將受益。在實(shí)踐中，這需要使用加速度計(jì)和陀螺儀。

已經(jīng)引入了慣性測(cè)量單元，包括多軸加速度計(jì)、多軸陀螺儀，以及為了進(jìn)一步提高航向精度而多軸磁力計(jì)。此外，IMU 可以提供完整的 6 個(gè)自由度 （6DoF）。這為醫(yī)療成像設(shè)備、手術(shù)器械、先進(jìn)假肢和工業(yè)車輛自動(dòng)引導(dǎo)等應(yīng)用帶來了超精細(xì)分辨率。除了高精度操作外，選擇IMU的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其多種功能可以由傳感器制造商進(jìn)行預(yù)測(cè)試和預(yù)校準(zhǔn)。

IMU在精度要求可能不那么明顯的情況下也被證明是有用的。其中一個(gè)例子是一個(gè)智能高爾夫球桿，它可以跟蹤和記錄揮桿的每一個(gè)動(dòng)作，以便改進(jìn)高爾夫球手的技術(shù)。球桿內(nèi)的加速度計(jì)測(cè)量加速度和揮桿平面，而陀螺儀測(cè)量揮桿過程中的內(nèi)旋或高爾夫球手的扭轉(zhuǎn)。高爾夫俱樂部記錄在比賽或練習(xí)期間收集的數(shù)據(jù)，以便以后在PC上進(jìn)行分析。

信號(hào)處理的新浪潮

無論是需要用戶友好的功能、最大限度地降低功耗、消除物理按鈕和控制、補(bǔ)償重力和位置，還是更智能的操作，基于 MEMS 的慣性傳感都提供了豐富的選項(xiàng)，可以在所有五種運(yùn)動(dòng)感官中進(jìn)行探索。

ADI公司等創(chuàng)新者，其i MEMS運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理??產(chǎn)品組合，領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)建提供下一波信號(hào)處理所需的加速度計(jì)和陀螺儀。運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，將受益于這些IC解決方案提供的小尺寸、高分辨率、低功耗、高可靠性、信號(hào)調(diào)理電路和集成功能。

審核編輯：郭婷