利用MEMS慣性感測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)變革資料下載

盡管MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)在氣囊和汽車壓力傳感器中的應(yīng)用已有大約20年，但促使大眾認(rèn)識(shí)到慣性傳感器作用的是Nintendo? Wii?和Apple? iPhone?。然而，在一定程度上，流行的看法是慣性傳感器的作用主要體現(xiàn)在最終產(chǎn)品有必要檢測(cè)加速度和減速度的時(shí)候。誠(chéng)然，從純科學(xué)的角度來(lái)看，確實(shí)是這樣。但是，這種看法忽視了MEMS加速度計(jì)和陀螺儀日益增加的諸多用途，比如，醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、消費(fèi)類電子設(shè)備、汽車電子設(shè)備等領(lǐng)域。 通過(guò)審視五種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模式各自的可能性，可以超越當(dāng)今大量MEMS應(yīng)用的范圍，極大地?cái)U(kuò)大應(yīng)用選項(xiàng)。這五種模式是加速度（包括平移運(yùn)動(dòng)，如位置和方向）、振動(dòng)、沖擊、傾斜和旋轉(zhuǎn)。例如，帶活動(dòng)檢測(cè)功能的加速度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)電源管理技術(shù)，因?yàn)樵摴δ芸梢酝ㄟ^(guò)運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)的缺失來(lái)確定設(shè)備處于非活動(dòng)狀態(tài)，從而告訴設(shè)備進(jìn)入最低功耗模式。復(fù)雜的控制和物理按鈕逐漸被由手指觸摸動(dòng)作控制的手勢(shì)識(shí)別接口取代。在其他應(yīng)用案例中，最終產(chǎn)品變得更加精確，例如，羅盤可以對(duì)手持傾斜角進(jìn)行補(bǔ)償。 本文將舉例說(shuō)明高級(jí)商用MEMS加速度計(jì)和陀螺儀將如何通過(guò)五類運(yùn)動(dòng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)各類最終產(chǎn)品的變革。運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和MEMS簡(jiǎn)介加速度、振動(dòng)、沖擊、傾斜和旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)除外）實(shí)際上都是加速度在不同時(shí)間段的不同表現(xiàn)。然而，我們?nèi)祟悷o(wú)法基于直覺(jué)將這些運(yùn)動(dòng)感視為加速度/減速度的變化形式。分別考察各個(gè)模式有助于預(yù)見(jiàn)更多可能性。 加速度（記住，包括平移運(yùn)動(dòng)）衡量速度在單位時(shí)間內(nèi)的變化。速度以米/秒(m/s)為單位，包括位移速度和運(yùn)動(dòng)方向。因此，加速度的單位是米/平方秒(m/s2)。負(fù)值的加速度—想像一下司機(jī)踩剎車時(shí)汽車減速—被稱為減速度?，F(xiàn)在考慮不同時(shí)期周期的加速度?？梢詫⒄駝?dòng)想像成快速發(fā)生的周期性加速度和減速度。類似地，沖擊指突如其來(lái)的加速度。但與振動(dòng)不同，沖擊具有非周期性，一般只發(fā)生一次。 我們?cè)俅窝娱L(zhǎng)時(shí)間來(lái)看。當(dāng)物體因運(yùn)動(dòng)改變傾角時(shí)，其相對(duì)于重力的位置會(huì)發(fā)生一定的變化。與振動(dòng)和沖擊相比，這種運(yùn)動(dòng)一般非常緩慢。 因?yàn)榍八姆N運(yùn)動(dòng)模式檢測(cè)都涉及到加速度的某個(gè)方面，所以它們是通過(guò)g力來(lái)衡量的，即重力對(duì)地球上物體產(chǎn)生的力的單位（1g = 9.8 m/s2）。MEMS加速度計(jì)通過(guò)測(cè)量重力在加速度計(jì)軸上產(chǎn)生的作用來(lái)檢測(cè)傾角。在三軸加速度計(jì)中，用三個(gè)獨(dú)立的輸出來(lái)測(cè)量X、Y和Z三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上的加速度。 目前，市場(chǎng)份額最大的加速度計(jì)用差分電容來(lái)測(cè)量g力，然后將其換算成伏特或位值（位值用于數(shù)字輸出加速度計(jì)），隨后將換算結(jié)果傳至微處理器，以便微處理器執(zhí)行操作。得益于技術(shù)的最新發(fā)展，已經(jīng)可以制造出微型低g和高g檢測(cè)范圍的MEMS加速度計(jì)，其帶寬比以前的加速度計(jì)要寬得多，極大地增加了潛在應(yīng)用領(lǐng)域。低g檢測(cè)范圍小于20 g，用于處理人可以產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。高g可用于檢測(cè)與機(jī)器或車輛相關(guān)的運(yùn)動(dòng)—實(shí)際上指人無(wú)法產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。 以上我們只討論了線性速度運(yùn)動(dòng)，這類運(yùn)動(dòng)包括加速度、振動(dòng)、沖擊和傾斜。旋轉(zhuǎn)是測(cè)量角速率運(yùn)動(dòng)的一個(gè)指標(biāo)。這種模式與其他模式不同，因?yàn)樾D(zhuǎn)可能在加速度無(wú)變化的條件下發(fā)生。為了理解其原理，不妨想像有一個(gè)3軸慣性傳感器。假設(shè)該傳感器的X和Y兩軸與地球表面平行；Z軸指向地球中心。在此位置，Z軸的測(cè)得值為1 g；X軸和Y軸為0 g。現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)傳感器，使其只繞Z軸運(yùn)動(dòng)。X平面和Y平面只是旋轉(zhuǎn)，其值仍然為0 g，Z軸仍為1 g。 MEMS陀螺儀用于檢測(cè)這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于某些最終產(chǎn)品在其他形式的運(yùn)動(dòng)以外還須測(cè)量旋轉(zhuǎn)，所以可以將陀螺儀集成到慣性測(cè)量單元(IMU)中，其中內(nèi)嵌了一個(gè)多軸陀螺儀和一個(gè)多軸加速度計(jì)。 利用加速度提升可用性，進(jìn)行電源管理 前面我們注意到，加速度可以用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)和位置。如此就可以用MEMS加速度計(jì)來(lái)識(shí)別設(shè)備被拿起和放下兩種狀態(tài)，檢測(cè)到后就可以產(chǎn)生一個(gè)中斷，使設(shè)備能自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉相應(yīng)的功能。可以使各種功能組合保持活躍，或者使其進(jìn)入最低功耗狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)型開(kāi)/關(guān)功能非常人性化，因?yàn)樗鼈兿擞脩舻闹貜?fù)性動(dòng)作。另外，這些功能有助于優(yōu)化電源管理，延長(zhǎng)充電間隔和電池替換周期。采用背光LCD的智能遙控是眾多潛在應(yīng)用場(chǎng)景之一。 用加速度計(jì)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生中斷的另一種方式是軍人或公共安全人員使用的無(wú)線電系統(tǒng)。為了確保通信的安全性，當(dāng)無(wú)線電不是處于被佩戴或攜帶的狀態(tài)時(shí)，需要重新認(rèn)證身份才能允許用戶使用。注意，為了設(shè)計(jì)出實(shí)用的便攜或小型產(chǎn)品，前述兩種應(yīng)用場(chǎng)景需要采用低功耗加速度計(jì)：最多幾微安(μA)。 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的另一種應(yīng)用是在醫(yī)療設(shè)備中，如自動(dòng)體外除顫器(AED)。一般情況下，根據(jù)設(shè)計(jì)，AED產(chǎn)生電擊，使病人的心肝恢復(fù)跳動(dòng)。如果失敗，就必須實(shí)施人工心肺復(fù)蘇術(shù)(CPR)。經(jīng)驗(yàn)不足的救助人員可能無(wú)法將病人的胸部按壓到位，無(wú)法進(jìn)行有效的CPR。把加速度計(jì)嵌入AED胸墊，通過(guò)測(cè)量胸墊移動(dòng)的距離，可以向救助人員提供反饋，使其知道要施加多大的壓力。 利用振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)節(jié)能 振動(dòng)的輕微變動(dòng)是軸承磨損、機(jī)械組件定位失調(diào)和其他機(jī)械（包括工業(yè)設(shè)備）故障的前兆。帶寬超寬的超小型MEMS加速度計(jì)是監(jiān)控電機(jī)、風(fēng)扇和壓縮機(jī)內(nèi)部振動(dòng)的理想解決方案。如果能進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，制造企業(yè)就能避免損壞昂貴的設(shè)備，預(yù)防故障，防止造成代價(jià)巨大的生產(chǎn)效率損失。 也可以通過(guò)測(cè)量設(shè)備振動(dòng)特征的變化來(lái)檢測(cè)機(jī)器是否經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)優(yōu)化，其工作模式有利于節(jié)能。除非經(jīng)過(guò)校正，否則，這種低效工作模式可能會(huì)傷害到企業(yè)的綠色制造事業(yè)，增加電費(fèi)開(kāi)支，或者最終還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。 沖擊、手勢(shì)識(shí)別等 許多筆記本電腦中采用的磁盤驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能是沖擊檢測(cè)目前最為廣泛的應(yīng)用。一個(gè)加速度計(jì)檢測(cè)表明筆記本電腦正在跌落微小的g力，這些g力是沖擊事件的前兆：沖擊地板。在數(shù)毫秒以內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)命令硬盤驅(qū)動(dòng)器磁頭停止運(yùn)行。磁頭停止運(yùn)行后，在沖擊持續(xù)過(guò)程中，磁頭不再與磁盤盤片接觸，從而防止損壞驅(qū)動(dòng)器，避免數(shù)據(jù)丟失。 手勢(shì)識(shí)別接口是這類慣性檢測(cè)技術(shù)一種極具前景的新用途。通過(guò)輕擊、雙擊、搖動(dòng)等確定性手勢(shì)，用戶可以激活不同功能或者調(diào)整工作模式。在物理按鈕和開(kāi)關(guān)難以操作的情況下，手勢(shì)識(shí)別可以提高設(shè)備的可用性。無(wú)按鈕設(shè)計(jì)不但可以降低系統(tǒng)總成本，還可以提高最終產(chǎn)品的耐用性，比如水下攝像機(jī)，按鈕周圍的開(kāi)口會(huì)使水浸入相機(jī)機(jī)身。 小型消費(fèi)電子產(chǎn)品只是基于加速度計(jì)的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。得益于超小型低功耗MEMS加速度計(jì)，輕擊式接口可能成為穿戴式和植入式醫(yī)療設(shè)備的良好選擇，比如藥物輸送泵和助聽(tīng)器。 利用傾斜檢測(cè)實(shí)現(xiàn)精密操作 傾斜檢測(cè)在手勢(shì)識(shí)別接口中也有著巨大的潛力。例如，在建筑或工業(yè)檢測(cè)設(shè)備等應(yīng)用中，單手操作可能更適用。不操作設(shè)備的那只手可以控制操作員站立的鏟斗或平臺(tái)，或者可能握持系繩以保證安全。操作員只需“旋轉(zhuǎn)”探針或設(shè)備即可調(diào)節(jié)設(shè)置。 在這種情況下，三軸加速度計(jì)會(huì)將旋轉(zhuǎn)檢測(cè)為傾斜：測(cè)量?jī)A角在重力條件下的低速變化，檢測(cè)重力向量的變化，并確定方向是順時(shí)針還是反時(shí)針。傾斜檢測(cè)也可以與輕擊（沖擊）識(shí)別結(jié)合起來(lái)，以便操作員能單手控制設(shè)備的更多功能。 設(shè)備位置補(bǔ)償是傾斜測(cè)量的又一個(gè)重要用武之地。以GPS（全球定位系統(tǒng)）或手機(jī)中的電子羅盤為例。這里有一個(gè)著名的問(wèn)題，即在羅盤不與地球表面完全平行時(shí)，結(jié)果產(chǎn)生的首向誤差問(wèn)題。 工業(yè)電子秤是另一個(gè)例子。在該應(yīng)用中，必須計(jì)算裝載桶相對(duì)于地球的傾角，以獲得準(zhǔn)確的重量讀數(shù)。壓力傳感器（如汽車和工業(yè)機(jī)器中使用的傳感器）同樣存在重力影響問(wèn)題。這些傳感器含有薄膜，其撓度會(huì)隨傳感器安裝位置而變化。在所有這些情況下，MEMS加速度計(jì)會(huì)進(jìn)行必要的傾角檢測(cè)，對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。 旋轉(zhuǎn)：陀螺儀和IMU實(shí)際應(yīng)用 如前所述，如果把旋轉(zhuǎn)與其他慣性檢測(cè)結(jié)合起來(lái)，結(jié)果有助于改進(jìn)MEMS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。實(shí)際上，這要求使用加速度計(jì)和陀螺儀。 市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)慣性測(cè)量單元，其中包括一個(gè)多軸加速度計(jì)、一個(gè)多軸陀螺儀，并且為了進(jìn)一步提高首向精度，還有一個(gè)多軸磁力計(jì)。另外，IMU還可支持全6自由度(6DoF)。這可為醫(yī)學(xué)成像設(shè)備、手術(shù)儀器、高級(jí)假肢和工業(yè)車輛自動(dòng)導(dǎo)航等應(yīng)用帶來(lái)超精細(xì)的分辨率。除高精度工作模式以外，選擇IMU的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其具備的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也可用在精度要求不太明顯的應(yīng)用之中。例如，智能高爾夫球桿可以跟蹤和記錄一次揮桿的每個(gè)動(dòng)作，因而有助于提高高爾夫球手的技能。球桿內(nèi)集成的加速度計(jì)測(cè)量加速度和揮桿平面，陀螺儀測(cè)量揮桿過(guò)程中的內(nèi)旋動(dòng)作，即高爾夫球手雙手的扭動(dòng)動(dòng)作。這種高爾夫球桿記錄比賽或練習(xí)中采集到的數(shù)據(jù)，供以后在電腦上分析。 信號(hào)處理新浪潮 無(wú)論是需要用戶友好型功能，降低功耗，消除物理按鈕和控制，補(bǔ)償重力和位置，還是要實(shí)現(xiàn)更加智能化的操作，基于MEMS的慣性檢測(cè)技術(shù)都有著豐富的選項(xiàng)，可以有效地捕捉運(yùn)動(dòng)五感。諸如推出iMEMS? 運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理系列產(chǎn)品的ADI公司一樣的創(chuàng)新企業(yè)以巨大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，推出了可以滿足下一波信號(hào)處理浪潮需求的各類加速度計(jì)和陀螺儀。日益增多的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用將從這些IC解決方案的小尺寸、高分辨率、低功耗、高可靠性、信號(hào)調(diào)理電路和集成功能等特性中大受裨益。 (mbbeetchina)