利用MEMS惯性感测技术实现应用变革

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虽然MEMS(微电子机械系统)技术被用于安全气囊和汽车压力传感器领域已有二十年左右,但却是任天堂Wii和苹果iPhone的热销使人们更广泛地了解惯性传感器的用途,这些产品使用了基于运动感测技术的用户界面。

尽管如此,在一定程度上业界的观念仍停留在惯性传感器主要是用于终端产品检测加速度和减速度的应用。从纯粹的科学角度来看,这种说法完全正确,但这样的观点却忽略了许多MEMS加速计和陀螺仪的扩展应用,包括在医疗设备、工业设备、消费电子产品和汽车电子等领域。

五种运动感测模式中,每一种模式都将极大地超越当前大批量MEMS的应用。这五种模式分别是:加速(包括平移运动,如位置和方向的改变),震动,冲击,倾斜,旋转。

例如,一个带运动检测的加速计在设备没有受到外界移动或震动时将其界定为非激活状态,并指示设备进入最低功耗模式,从而实现功率管理。复杂的控制机构和物理按钮被手势识别接口替代,而它是通过手指点击来控制。在其它使用案例中,终端产品的操作变得更精确,例如,对用户手中的指南针进行倾斜角度补偿。

本文介绍了一些应用案例,分享先进的商业化MEMS加速计和陀螺仪通过5种类型的运动感测来改变众多不同范围的终端产品的方法。

运动感测和MEMS介绍

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加速、震动、冲击、倾斜和旋转——除了旋转外,其它四种运动实事上都是加速度在不同时间段的表现。然而,我们人类是无法靠直觉来做出运动状态的判断,例如震动是加速还是减速。分别地考虑每一种模式可以帮助我们想出更多可能的应用。

加速度(包括平移运动)是测量在单位时间内的速度变化。速度以米/秒(m/s)来表示,并且同时包括位移速率和运动方向。因此,加速度就以米/秒2(m/s2)来表示。加速度有时候会是负值——如司机踩刹车时车速变慢,这时也被称作减速度。

现在来考虑加速度在不同时间段的表现。震动可被认为是迅速且周期性发生的加速和减速运动。类似的,冲击则是瞬间发生的加速,但是不同于震动,冲击是一种非周期性运动,一般只发生一次。

我们把时间再延长一些。当对象被移动而改变倾斜度或偏角时,与重力相关的一些位置变化被牵扯进来。与震动和冲击相比,倾斜运动的发生往往相当缓慢。

由于前四种模式的运动感测各自都与加速度有某种关系,它们可通过“g力”(地球引力)来测量,g是万有引力对地球上物体产生的单位力 (1 g 等于9.8 m/s2。) MEMS加速计通过测量重力对加速计轴的作用力来检测倾斜度。以3轴加速计为例,三个不同的输出分别测量运动的X、Y和Z轴加速度。

时下占市场最大份额的加速计使用差分电容测量g力,接着g力被转换成电压或数据位(数字输出加速计应用),最后被传递到微处理器上以便执行某种行为。近来在技术上取得的进步,使业界能制造出低g和高g感测范围的微型MEMS加速计,且比以往产品的带宽更高,从而大大增加了潜在应用领域。低g感测范围是指低于20g,这可以涉及到人类能产生的运动。高g则用于感测与机器或交通工具有关的运动—也就是人类没法产生的运动。

以上我们讨论的仅是线性速率运动,运动类型包括加速、震动、冲击和倾斜。旋转则是一种角速率运动的测量,它不同于其它运动模式,这是因为旋转运动可能不伴有加速度的变化。为了理解旋转的工作原理,我们想像一个3轴惯性传感器:假定传感器的X和Y轴与地球表面是平行的,Z轴指向地心。在这个位置,Z轴测得的作用力为1g,而X和Y轴则为0g。现在转动传感器使其运动仅与Z轴相关。X和Y平面在转动,继续测得0g,同时Z轴仍然为1g。

MEMS陀螺仪被用于感测这种旋转运动。由于某些终端产品除了测量其它类型的运动外还必须测量旋转运动,陀螺仪可被集成在一个内嵌多轴陀螺仪和多轴加速计的IMU(惯性测量单元)中。

加速感测用于功率管理

在早期,加速度感测技术被用于检测运动和位置变化。利用MEMS加速计可以感测到设备被拿起或放下,当检测到这两种动作时就可以发出一个中断信号来自动控制电源的开和关功能。不同的功能组合可被保持在激活状态,或者被置于低功耗状态。对用户来说,这种由运动检测控制的开/关功能是受欢迎的,因为它避免了用户的重复动作。另外,它们实现了功率管理,能使设备在下次充电或更换电池之前有更长的使用时间。带背光LCD的智能遥控器是众多可能的应用之一。

另一种使用加速计来感测运动和产生中断信号的应用,则是用于军事或公共安全人员的无线通信设备。为保证通信的安全,当该设备被使用者卸下或放起来后,下次使用前必须再次进行身份认证。对便携或小外形的设计来说,上面这些应用需要采用只需要很小电流的加速度计,最多几个微安(µA)就够了。

运动感测的另一种应用是在医疗设备中,例如自动外部除颤器(AED)。典型地AED被设计用来产生一次震动以使病人的心脏重新跳动。当失败时,必须进行徒手心肺复苏(CPR)。一位经验不足的救助者也许没有用到足够大的力压病人胸口以获得有效CPR。在AED接触胸部的垫子内嵌入加速计,就可通过测量垫子移动的距离来告诉救助者适当压力的大小。

震动感测用于监控和节能

震动的轻微变化可以用于了解轴承磨损、机械部件未对准以及包括工业设备在内的其它机械问题。具有很高带宽的小型MEMS加速计是监控马达、风扇和压缩机内震动的理想产品。如果能够进行预测性的维护,可以使制造厂商避免损坏昂贵的设备,以及避免那些可能导致降低生产效率的代价高昂的故障。

测量设备的震动变化也可用于检测机械是否被设置在高能效的工作方式。如果不加以校正,低能效的运转可能会损害公司的绿色制造计划,使得电费飙升,甚至最终还会导致设备损坏。

冲击感测用于手势识别及更多其它应用

在许多笔记本电脑中都能看到的磁盘驱动器保护装置是目前众多冲击感测应用中使用最广泛的一种。加速计检测微小的g力,从而判别出笔记本是放下还是跌落,g力的变化是冲击事件的发生前兆,其后果可能就是笔记本撞向地板。在检测到跌落状态后的数毫秒之内,系统指示硬盘读写头归位。在撞击期间,读写头的归位能中止与磁盘的接触,从而预防硬盘损坏和避免数据损失。

手势识别接口是这种类型惯性感测的一种有大好前景的新应用。采用预先定义的手势(例如点击/双击或晃动),用户可以激活不同功能或调整工作模式。手势识别使那些物理按钮和开关难以操作的设备更便于使用。无按钮设计能减少总的系统成本,还能提高终端产品的耐用性,如水下照相机,如果采用物理按钮会导致水从按钮周围缝隙渗入照相机机身。

小外形消费电子产品只是基于加速计的手势识别技术能大显身手的一种应用领域。由于MEMS加速计极小的尺寸和低功率,利用MEMS加速计的点击接口能够成为穿戴式和可植入医疗设备(如药物传输泵和助听器)的绝佳选择。

倾斜感测用于高精度应用

倾斜感测在手势识别接口应用领域也有巨大潜力。例如,在建筑或工业检查设备等应用中,也许人们更倾向于单手操作。另一只没有操作设备的手可以腾出来控制桶或操作员站立的平台,或者出于安全考虑抓住绳索。操作员可以简单旋转探针或设备来调整它的设置。

在这种情况下,3轴加速计可以像感测倾斜度那样感测出“旋转度”:在存在重力的状态下测量倾斜的低速变化、检测重力矢量的变化,以及确定方向是顺时针还是逆时针。倾斜检测也可以与点击(冲击)识别结合使用,以便操作员能以单手控制设备的更多功能。

设备的位置补偿是倾斜测量的另一重大应用领域。以GPS(全球定位系统)或移动电话中的电子指南针为例,有一个众所周知的难题就是当指南针的放置没有与地球表面平行时,会得到错误指向。

工业称是另一个例子。在这种应用中,必须计算一个装有东西的桶相对地球的倾斜度以便精确得出重量。压力传感器(例如用于汽车和工业机械中)同样受重力作用的影响,这些传感器包含偏移变化取决于传感器安装位置的膜片。在所有这些情况下,MEMS加速计执行必要的倾斜度感测,以便进行误差补偿。

旋转感测用于陀螺仪和IMU

我们已经认识到,当旋转和其它惯性感测形式结合使用时,MEMS技术的实际应用有更多优势。事实上,这要求使用加速计和陀螺仪。

惯性测量单元包括多轴加速计和多轴陀螺仪,为了进一步增加方向精度还包括多轴磁力计。IMU还可以额外提供完整的6自由度(6DoF)。这给应用带来极其精密的分辨率,例如医疗成像设备、外科仪器、先进的弥补术和工业车辆的自动引导。除高度精确的操作之外,选择IMU的另一好处是它的多项功能可由传感器制造商预测试和预校准。

IMU在那些对精度要求也许不是那么明显的应用中也有用武之地。其中一个例子是智能高尔夫球杆,能通过跟踪和记录每次挥杆运动以便帮助提升该球杆使用者的技术。在挥杆过程中,球杆内的加速计测量加速度和挥杆平面,同时陀螺仪测量回旋(或打高尔夫球的人的手的旋转度)。高尔夫球杆记录每次比赛或练习中收集到的数据,用于稍后在PC上进行分析。

信号处理的新浪潮

无论是用户友好型特性需求、功耗最小化需求,还是为消除物理按钮和控件、补偿重力和位置的需求,或者为实现更智能的操作,利用5种运动感测方法的MEMS惯性感测技术总是能提供大量的各种选择。

ADI作为创新技术的领导者,利用其。iMEMS® Motion Signal Processing™系列技术为下一波的信号处理应用提供了先进的加速计和陀螺仪产品。运动感测应用的扩展将得益于这些IC解决方案所提供的小尺寸、高分辨率、低功耗、高可靠性等性能,以及其上的信号调理电路和集成功能等特性。

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