- 商業(yè)化MEMS加速計和陀螺儀通過(guò)5種類(lèi)型的運動(dòng)感測來(lái)改變眾多不同范圍的終端產(chǎn)品的方法
- 加速感測用于功率管理
- 震動(dòng)感測用于監控和節能
- 傾斜感測用于高精度應用
- 旋轉感測用于陀螺儀和IMU
盡管如此，在一定程度上業(yè)界的觀(guān)念仍停留在慣性傳感器主要是用于終端產(chǎn)品檢測加速度和減速度的應用。從純粹的科學(xué)角度來(lái)看，這種說(shuō)法完全正確，但這樣的觀(guān)點(diǎn)卻忽略了許多MEMS加速計和陀螺儀的擴展應用，包括在醫療設備、工業(yè)設備、消費電子產(chǎn)品和汽車(chē)電子等領(lǐng)域。
五種運動(dòng)感測模式中，每一種模式都將極大地超越當前大批量MEMS的應用。這五種模式分別是：加速(包括平移運動(dòng)，如位置和方向的改變)，震動(dòng)，沖擊，傾斜，旋轉。
例如，一個(gè)帶運動(dòng)檢測的加速計在設備沒(méi)有受到外界移動(dòng)或震動(dòng)時(shí)將其界定為非激活狀態(tài)，并指示設備進(jìn)入最低功耗模式，從而實(shí)現功率管理。復雜的控制機構和物理按鈕被手勢識別接口替代，而它是通過(guò)手指點(diǎn)擊來(lái)控制。在其它使用案例中，終端產(chǎn)品的操作變得更精確，例如，對用戶(hù)手中的指南針進(jìn)行傾斜角度補償。
本文介紹了一些應用案例，分享先進(jìn)的商業(yè)化MEMS加速計和陀螺儀通過(guò)5種類(lèi)型的運動(dòng)感測來(lái)改變眾多不同范圍的終端產(chǎn)品的方法。
運動(dòng)感測和MEMS介紹
加速、震動(dòng)、沖擊、傾斜和旋轉——除了旋轉外，其它四種運動(dòng)實(shí)事上都是加速度在不同時(shí)間段的表現。然而，我們人類(lèi)是無(wú)法靠直覺(jué)來(lái)做出運動(dòng)狀態(tài)的判斷，例如震動(dòng)是加速還是減速。分別地考慮每一種模式可以幫助我們想出更多可能的應用。
加速度(包括平移運動(dòng))是測量在單位時(shí)間內的速度變化。速度以米/秒(m/s)來(lái)表示，并且同時(shí)包括位移速率和運動(dòng)方向。因此，加速度就以米/秒2(m/s2)來(lái)表示。加速度有時(shí)候會(huì )是負值——如司機踩剎車(chē)時(shí)車(chē)速變慢，這時(shí)也被稱(chēng)作減速度。
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。
時(shí)下占市場(chǎng)最大份額的加速計使用差分電容測量g力，接著(zhù)g力被轉換成電壓或數據位(數字輸出加速計應用)，最后被傳遞到微處理器上以便執行某種行為。近來(lái)在技術(shù)上取得的進(jìn)步，使業(yè)界能制造出低g和高g感測范圍的微型MEMS加速計，且比以往產(chǎn)品的帶寬更高，從而大大增加了潛在應用領(lǐng)域。低g感測范圍是指低于20g，這可以涉及到人類(lèi)能產(chǎn)生的運動(dòng)。高g則用于感測與機器或交通工具有關(guān)的運動(dòng)—也就是人類(lèi)沒(méi)法產(chǎn)生的運動(dòng)。
以上我們討論的僅是線(xiàn)性速率運動(dòng)，運動(dòng)類(lèi)型包括加速、震動(dòng)、沖擊和傾斜。旋轉則是一種角速率運動(dòng)的測量，它不同于其它運動(dòng)模式，這是因為旋轉運動(dòng)可能不伴有加速度的變化。為了理解旋轉的工作原理，我們想像一個(gè)3軸慣性傳感器：假定傳感器的X和Y軸與地球表面是平行的，Z軸指向地心。在這個(gè)位置，Z軸測得的作用力為1g，而X和Y軸則為0g?，F在轉動(dòng)傳感器使其運動(dòng)僅與Z軸相關(guān)。X和Y平面在轉動(dòng)，繼續測得0g，同時(shí)Z軸仍然為1g。
MEMS陀螺儀被用于感測這種旋轉運動(dòng)。由于某些終端產(chǎn)品除了測量其它類(lèi)型的運動(dòng)外還必須測量旋轉運動(dòng)，陀螺儀可被集成在一個(gè)內嵌多軸陀螺儀和多軸加速計的IMU(慣性測量單元)中。
[page]
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(µA)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。
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。
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。
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。
工業(yè)稱(chēng)是另一個(gè)例子。在這種應用中，必須計算一個(gè)裝有東西的桶相對地球的傾斜度以便精確得出重量。壓力傳感器(例如用于汽車(chē)和工業(yè)機械中)同樣受重力作用的影響，這些傳感器包含偏移變化取決于傳感器安裝位置的膜片。在所有這些情況下，MEMS加速計執行必要的傾斜度感測，以便進(jìn)行誤差補償。
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。
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。
作者： ADI MEMS臺灣市場(chǎng)經(jīng)理 Stephen Wu
