如何利用MEMS慣性感測技術實現應用變革

　　雖然MEMS(微電子機械系統)技術被用于安全氣囊和汽車壓力傳感器領域已有二十年左右，但卻是任天堂Wii和蘋果iPhone的熱銷使人們更廣泛地了解慣性傳感器的用途，這些產品使用了基于運動感測技術的用戶界面。

　　盡管如此，在一定程度上業界的觀念仍停留在慣性傳感器主要是用于終端產品檢測加速度和減速度的應用。從純粹的科學角度來看，這種說法完全正確，但這樣的觀點卻忽略了許多MEMS加速計和陀螺儀的擴展應用，包括在醫療設備、工業設備、消費電子產品和汽車電子等領域。

　　五種運動感測模式中，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，如位置和方向的改變)，震動，沖擊，傾斜，旋轉。

　　例如，一個帶運動檢測的加速計在設備沒有受到外界移動或震動時將其界定為非激活狀態，并指示設備進入最低功耗模式，從而實現功率管理。復雜的控制機構和物理按鈕被手勢識別接口替代，而它是通過手指點擊來控制。在其它使用案例中，終端產品的操作變得更精確，例如，對用戶手中的指南針進行傾斜角度補償。

　　本文介紹了一些應用案例，分享先進的商業化MEMS加速計和陀螺儀通過5種類型的運動感測來改變眾多不同范圍的終端產品的方法。

　　運動感測和MEMS介紹

　　加速、震動、沖擊、傾斜和旋轉——除了旋轉外，其它四種運動實事上都是加速度在不同時間段的表現。然而，我們人類是無法靠直覺來做出運動狀態的判斷，例如震動是加速還是減速。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。

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　　加速度(包括平移運動)是測量在單位時間內的速度變化。速度以米/秒(m/s)來表示，并且同時包括位移速率和運動方向。因此，加速度就以米/秒2(m/s2)來表示。加速度有時候會是負值——如司機踩剎車時車速變慢，這時也被稱作減速度。

　　現在來考慮加速度在不同時間段的表現。震動可被認為是迅速且周期性發生的加速和減速運動。類似的，沖擊則是瞬間發生的加速，但是不同于震動，沖擊是一種非周期性運動，一般只發生一次。

　　我們把時間再延長一些。當對象被移動而改變傾斜度或偏角時，與重力相關的一些位置變化被牽扯進來。與震動和沖擊相比，傾斜運動的發生往往相當緩慢。

　　由于前四種模式的運動感測各自都與加速度有某種關系，它們可通過“g力”(地球引力)來測量，g是萬有引力對地球上物體產生的單位力(1g等于9.8m/s2。)。MEMS加速計通過測量重力對加速計軸的作用力來檢測傾斜度。以3軸加速計為例，三個不同的輸出分別測量運動的X、Y和Z軸加速度。

　　時下占市場最大份額的加速計使用差分電容測量g力，接著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。近來在技術上取得的進步，使業界能制造出低g和高g感測范圍的微型MEMS加速計，且比以往產品的帶寬更高，從而大大增加了潛在應用領域。低g感測范圍是指低于20g，這可以涉及到人類能產生的運動。高g則用于感測與機器或交通工具有關的運動—也就是人類沒法產生的運動。

　　以上我們討論的僅是線性速率運動，運動類型包括加速、震動、沖擊和傾斜。旋轉則是一種角速率運動的測量，它不同于其它運動模式，這是因為旋轉運動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。在這個位置，Z軸測得的作用力為1g，而X和Y軸則為0g。現在轉動傳感器使其運動僅與Z軸相關。X和Y平面在轉動，繼續測得0g，同時Z軸仍然為1g。

　　MEMS陀螺儀被用于感測這種旋轉運動。由于某些終端產品除了測量其它類型的運動外還必須測量旋轉運動，陀螺儀可被集成在一個內嵌多軸陀螺儀和多軸加速計的IMU(慣性測量單元)中。

　　加速感測用于功率管理

　　在早期，加速度感測技術被用于檢測運動和位置變化。利用MEMS加速計可以感測到設備被拿起或放下，當檢測到這兩種動作時就可以發出一個中斷信號來自動控制電源的開和關功能。不同的功能組合可被保持在激活狀態，或者被置于低功耗狀態。對用戶來說，這種由運動檢測控制的開/關功能是受歡迎的，因為它避免了用戶的重復動作。另外，它們實現了功率管理，能使設備在下次充電或更換電池之前有更長的使用時間。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感測運動和產生中斷信號的應用，則是用于軍事或公共安全人員的無線通信設備。為保證通信的安全，當該設備被使用者卸下或放起來后，下次使用前必須再次進行身份認證。對便攜或小外形的設計來說，上面這些應用需要采用只需要很小電流的加速度計，最多幾個微安(μA)就夠了。

　　運動感測的另一種應用是在醫療設備中，例如自動外部除顫器(AED)。典型地AED被設計用來產生一次震動以使病人的心臟重新跳動。當失敗時，必須進行徒手心肺復蘇(CPR)。一位經驗不足的救助者也許沒有用到足夠大的力壓病人胸口以獲得有效CPR。在AED接觸胸部的墊子內嵌入加速計，就可通過測量墊子移動的距離來告訴救助者適當壓力的大小。

　　震動感測用于監控和節能

　　震動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設備在內的其它機械問題。具有很高帶寬的小型MEMS加速計是監控馬達、風扇和壓縮機內震動的理想產品。如果能夠進行預測性的維護，可以使制造廠商避免損壞昂貴的設備，以及避免那些可能導致降低生產效率的代價高昂的故障。

　　測量設備的震動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損害公司的綠色制造計劃，使得電費飆升，甚至最終還會導致設備損壞。

　　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驅動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。在檢測到跌落狀態后的數毫秒之內，系統指示硬盤讀寫頭歸位。在撞擊期間，讀寫頭的歸位能中止與磁盤的接觸，從而預防硬盤損壞和避免數據損失。

　　手勢識別接口是這種類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(例如點擊/雙擊或晃動)，用戶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關難以操作的設備更便于使用。無按鈕設計能減少總的系統成本，還能提高終端產品的耐用性，如水下照相機，如果采用物理按鈕會導致水從按鈕周圍縫隙滲入照相機機身。

　　小外形消費電子產品只是基于加速計的手勢識別技術能大顯身手的一種應用領域。由于MEMS加速計極小的尺寸和低功率，利用MEMS加速計的點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域也有巨大潛力。例如，在建筑或工業檢查設備等應用中，也許人們更傾向于單手操作。另一只沒有操作設備的手可以騰出來控制桶或操作員站立的平臺，或者出于安全考慮抓住繩索。操作員可以簡單旋轉探針或設備來調整它的設置。

　　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”：在存在重力的狀態下測量傾斜的低速變化、檢測重力矢量的變化，以及確定方向是順時針還是逆時針。傾斜檢測也可以與點擊(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域。以GPS(全球定位系統)或移動電話中的電子指南針為例，有一個眾所周知的難題就是當指南針的放置沒有與地球表面平行時，會得到錯誤指向。

　　工業稱是另一個例子。在這種應用中，必須計算一個裝有東西的桶相對地球的傾斜度以便精確得出重量。壓力(例如用于汽車和工業機械中)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，以便進行誤差補償。

　　旋轉感測用于陀螺儀和IMU

　　我們已經認識到，當旋轉和其它慣性感測形式結合使用時，MEMS技術的實際應用有更多優勢。事實上，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)。這給應用帶來極其精密的分辨率，例如醫療成像設備、外科儀器、先進的彌補術和工業車輛的自動引導。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。其中一個例子是智能高爾夫球桿，能通過跟蹤和記錄每次揮桿運動以便幫助提升該球桿使用者的技術。在揮桿過程中，球桿內的加速計測量加速度和揮桿平面，同時陀螺儀測量回旋(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上進行分析。

　　信號處理的新浪潮

　　無論是用戶友好型特性需求、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，或者為實現更智能的操作，利用5種運動感測方法的MEMS慣性感測技術總是能提供大量的各種選擇。

　　ADI作為創新技術的領導者，利用其iMEMS Motion Signal Processing?系列技術為下一波的信號處理應用提供了先進的加速計和陀螺儀產品。運動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。