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在ADI公司的一間會議室中，Howard Wisniowski用一只手拿起比紀念郵票稍大一點的演示板，并停留在離桌面一米左右的空中。這塊演示板上安裝有ADI的運動傳感器和相關電路。Wisniowski松開拿著這塊演示板的手，使演示板落向另外一只手。 演示板剛開始自由下落，運動傳感器就感測到了加速度的變化。在演示板落到Wisniowski的另一只手中之前，板子上的紅色LED開始閃爍，與此同時微型變換器發出摩爾斯電碼格式的SOS信號聲。這種重定向到水平面的響應速度，正是消費者期望筆記本硬盤磁頭組件或汽車氣囊傳感器所應有的性能。 適合采用CMOS工藝流程的微機電系統(MEMS)制造技術可能帶來的規模經濟、高靈敏度和小型尺寸能開創許多新的應用，而這只是其中的兩種。 MEMS加速度計和陀螺儀的工作原理 MEMS加速度計的核心，一部分位于電子電路中，一部分在于機械結構中。經過制造和封裝的加速度計可以用來測量單個平面或兩個/三個正交平面中的加速度。從概念上講，加速度傳感部分通常包含位于懸梁一端的"運動塊"。 對處于加速狀態的多個運動塊和橫梁系統進行偏轉測量，一般是通過傳感位于一組固定橫梁和一組偏轉橫梁之間的電容變化完成的，有點類似于宏觀的可變電容。由于許多容性傳感器具有相對位移非線性的電容特性，因此要用傳感器中的電子將信號轉換為線性輸出。除了電容外，也可以使用壓電型傳感元件。 在加速度計數據手冊中標明的一些重要特征參數包括帶寬和諧振頻率、本底噪聲、交叉軸靈敏度、漂移、線性度、動態范圍、抗沖擊能力和功耗。一般來說，諧振頻率要比帶寬上限高好幾倍。帶寬和靈敏度通常呈反比關系。 除了電子器件通常都有的噪聲源外，由于MEMS傳感器非常小，由運動塊上的布朗效應產生的熱噪聲也是一個顯著的噪聲源。 線性加速度計在運輸領域、特別是與氣囊有關的減速傳感應用領域有很大的市場。磁盤中的MEMS角加速度計同樣具有很大的市場，它們可以用來補償角度方面的沖擊和振動。與線性產品不同，這些器件位于支撐彈簧重心處的重力中心，因此對角加速度非常敏感。 加速度、振動、沖擊和傾斜與線性速率的運動有關。旋轉是一種角速率運動。這種運動模式與其它模式有所不同，因為旋轉發生時加速度可能沒有變化。為理解其工作原理，請參考三軸慣性傳感器圖。 這個傳感器的X和Y軸平行于地球表面，Z軸指向地球中心。在這個位置，Z軸的測量值是1g，X和Y軸記錄的是0g。旋轉這個傳感器，使其只在Z軸移動，X和Y平面只是旋轉，因此測得的數據仍是0g，而Z軸的測量值仍是1g。 這正是用MEMS陀螺儀傳感這種旋轉運動的原因。因為某些最終產品除了測量其它運動方式外必須測量旋轉，陀螺儀可以集成在嵌入有多軸陀螺儀和多軸加速度計的慣性測量單元(IMU)中。 如果想尋找更多有關加速度計和陀螺儀的優秀教學視頻，請訪問InvenSense公司網站上的www.invensense.com/support /videolibrary.html網頁(InvenSense網站上還有許多有關圖像穩定性和MEMS陀螺儀等主題的白皮書)。 加速度計測量的是一個平面上的位移和振動，而MEMS陀螺儀可以測量由科里奧利力引起的位移。雖然科里奧利力與浴缸下水道流出的水無關，但在比颶風規模小的物體上確實能起作用，它在每個科學博物館似乎都有的傅科擺這種大小適中、但遠非微型的物體上得到了成功演示。 假設讀者都記得傅科擺與地球的旋轉有某種關系，這里僅作簡要的解釋。假設你有一個振動著的質量顆粒(鐘擺球)，它以v0 cos(0t)的諧振速度在移動，而這個速度固定為大小是0in的身體(地球)旋轉速度。科里奧利效應將產生隨時間變化的加速度，其頻率與驅動加速度相同，但與質量顆粒的速度向量呈直角。也就是說，科里奧利加速度是一個向量積，即a(t) = [ 2Oin × v0] cos(Ot)。 現在讓我們展開想象，將巨大的傅科擺換成是振動著的音叉，你可以得到一個類似的結果(圖1)。音叉的正常振動模式是在一個平面中，科里奧利效應引起的位移處于另一個與之正交的平面中。將音叉縮小到MEMS尺寸，用外部信號驅動音叉，三個軸分別使用三個獨立的音叉，你就能理解三軸MEMS加速度計的基本概念。 
當然，上述"基本概念"忽略了實際制造器件、從一個軸到另一個軸的交叉耦合振動、校準、熱問題等等帶來的挑戰。我們無需使振動元件看起來像鋼琴調音工具。想象一下你用一個像喇叭口或酒杯那樣振動的環形結構能做的事情(圖2)。目前為止在MEMS結構方面已經有大量專利，并且有許多聰明的方法能夠利用半導體工藝流程來制造這些器件。
更廣泛的應用領域 一提到加速度計，人們就會想到汽車氣囊應用。但事實上，由于移動和位置改變都伴隨著加速度，因此MEMS加速度計經常用來探測比汽車相撞激烈程度更輕的事件。 只要設備被提起或放下，隨之產生的加速度變化都能被探測到，然后產生中斷，再通過中斷服務把設備中的某些功能打開或關閉，或讓某些部分保持正常工作，讓其它部分進入待機狀態。比如手持設備就可以利用這一功能關閉背光顯示，在被拿起時再打開背光顯示。當然，運動傳感器最好要比背光消耗少得多的功率。 更具戲劇性的是，大約在一年前，我曾為第一個回應者寫過一篇有關手提收音機的文章，當攜帶這種收音機的人停止移動一段時間時收音機能自動發出信號--例如一位救火隊員在燃燒的建筑物中受了傷 (參考"P25 Handhelds Incorporate High-Velocity Human Factors Design")。或者在戰場上，你不想讓敵人從已死或受傷的戰友身上撿走收音機，然后用它來獲得戰術情報，那么可以通過編程讓這種收音機在允許用戶使用前必須進行重新認證。 Wisniowski還介紹了能在公共場所使用的新型除顫器。這些設備可以幫助經驗相對欠缺的救助人員在電子心臟刺激失效時提供心肺復蘇術(CPR)。當發生這種情況時，Wisniowski表示，"一位經驗欠缺的救助人員可能無法將病人的胸部壓縮到位以實現有效的CPR。這時可以通過嵌入在自動體外除顫器(AED)的胸部襯墊中的加速度計測量襯墊的移動距離，從而給救助者提供正確的壓縮量反饋信息。" 在《Electronic Design》雜志發表的有關能量采集文章中，最常見的應用是通過振動監視評估機械系統(如工業泵電機、有軌車輪軸軸承和高速公路橋梁)的狀態。一般人員對此的解讀是，使用被監視的振動能量給微控制器和網狀無線節點供電，但是我很少考慮原始數據的來源。 然而，這是系統的關鍵部分，需要使用非常小并且帶寬很寬的MEMS加速度計，才能捕獲到足夠準確的正常振動和異常振動數據。最后，還需要提供足夠的診斷信息以實現對潛在故障發生時間的智能判斷。 至此我們已經考慮了位移和振動。沖擊脈沖事件是加速度的另一個來源，其最廣泛應用可能是筆記本磁盤。有趣的是，在磁盤應用中，需要探測的不是沖擊本身，因為發生沖擊時，做一切事情都已太晚。 正如Wisniowski的"SOS"演示所暗示的那樣，我們可以在沖擊本身發生之前探測到表明筆記本下落的g力變化，這種變化是與撞擊地板相關的破壞性沖擊的先兆。在0g條件剛發生和筆記本撞擊地板之間的幾個毫秒內，系統完全可以讓磁盤磁頭處于懸停狀態。 蘋果的iPhone和任天堂的Wii讓我們習慣于使用加速度計和陀螺儀實現手勢識別，比如拍打、雙擊和搖動，進而激活某些功能和調節工作模式。除了使產品更酷外，提供手勢輸入還有其它好處。在水下照相機等產品中，無按鍵設計還有降低系統成本和使系統更加堅固耐用的優點。拍打接口也非常適合用于可佩戴和可植入醫療設備。 Wii 游戲控制還帶來了傾斜傳感功能。除了游戲控制，傾斜傳感還能在工業應用中發揮作用，比如用一只手操作設備，而空出另一只手控制在崎嶇道路上行進的汽車或平臺。這里你要用一個三軸加速度計來探測由于重力導致的傾斜緩慢變化，并解釋成往一個方向或另一個方向的扭曲或傾斜。 再看看比類似Wii的工業設備控制更加貼近實際的應用吧，有許多工作涉及傾斜傳感功能，比如調節工業稱重計和正確方向的壓力。 另一種復雜的產品--最新的慣性測量單元(IMU)集成了一個多軸加速度計、一個多軸陀螺儀和一個多軸磁力計。ADI公司的六自由度IMU可以在醫療成像和外科手術儀器中提供高分辨率。 早期突破性的產品 在 2007年年中，ADI憑借ADIS16355 IMU取得了新的突破。這個器件組合了三軸角速率傳感和三軸加速度傳感功能，傳感精度比市場上其它慣性傳感器高50倍。此外，它還具有預校準功能，即不管處于什么溫度條件下它都能提供精確的數據，因此產品設計師無需在系統代碼中嵌入校準值表格。 在ADIS16355的推廣階段，全溫度范圍校準版在1000片批量時的價格是359美元，室溫校準版的價格是275美元。ADIS16355是一個邊長只有一英寸的立方體形狀的器件，安裝其引腳和末端有連接器的柔性電路只需很少空間。 ADIS16355的目標應用通常是車載攝像機和天線、商用航行器導航單元、機器人和修復手術(prosthetics)。另一個重要領域是在GPS信號丟失時的慣性備份導航。這個功能不僅在航空領域非常重要，而且在商業車輛編隊行進和大農場中的自動收割設備中也非常有用。 ADIS16355具有14位精度，輸出和控制都是通過簡單的串行外設接口(SPI)完成。每個陀螺儀具有±300°/s的動態測量范圍，每個加速度計有±10g的測量范圍。雖然最大動態范圍可達±300°/s，但這個IMU也提供±75°/s和±150°/s的范圍。 每個傳感器的信號調節電路有約350Hz的模擬帶寬。ADIS16355提供具有可編程步長的Bartlett Window有限沖激響應(FIR)濾波器，它對所有輸出數據寄存器都有額外的噪聲抑制效果。 除了帶校準功能的運動測量外，ADIS16355還能測量電源電壓和溫度，并提供12位模數轉換器(ADC)輔助通道。這個輸出數據在內部可更新，與用戶讀取速率無關。輸出數據長度可以是12位或14位。 12位漸次逼近型輔助ADC使得其它系統級模擬信號的數字化成為可能。另外，0～2.5V輔助輸出數模轉換器(DAC)可提供12位的電平調節功能。 在 ADIS16355上市前約6個月，ADI就推出了用于工業應用的ADIS16209雙軸MEMS傾角計和加速度計(參考"Tiny Dual-Axis MEMS Inclinometer Simplifies Industrial Measurements")。 2008 年底，我們見到過帶14位陀螺儀的五自由度ADIS16300和六自由度ADIS16405 IMU，這些產品的特性包括：數字范圍可調；±75°/s、±150°/s和±300°/s設置；三軸、14位、±5g數字加速度計；180ms響應時間 (圖3)。另外，這些產品提供出廠校準過的靈敏度、偏置和軸向對齊、數字控制的偏置校準以及高達819.2samples/s的數字控制采樣速率(外部時鐘允許采樣速率高達1200samples/s)。
在同一時間發布的還有ADIS16209雙模傾角計。它可以提供±90°的雙軸水平操作，也可以提供±180°的單軸垂直操作。ADIS16209工作電壓為3.3.V，通過SPI總線與外部實現通信。 在 ADIS16209發布會上，ADI宣稱這個產品的尺寸僅為9.2x9.2x3.9mm，比市場上其它產品小100倍，而價格只是功能相當的競爭性產品的十分之一。前面就曾提及到，醫療是這個產品的主要應用。超聲波、胸部X照相儀和X射線設備在掃描器對齊方面都需要一定的精確度和準確度。這些器件也被用于臀部和膝部外科手術。 這類醫療設備也是六自由度ADIS16405 IMU的目標應用之一，其三軸磁力計傳感器可用于頭部傳感。據ADI公司表示，它的成本也要比競爭產品低10倍。 最新技術和產品進展 今年3月，ADI發布了ADXL346數字化三軸iMEMS智能運動傳感器，這是用于便攜式設備的小型吸能智能運動傳感器系列產品中的一員。ADXL346的主工作電壓可低至1.8V，采用3x3x0.95mm封裝。此外，它能測量動態加速度(運動或沖擊引起的加速度)和靜態加速度(比如重力，能用作傾斜傳感器)。 為節省功耗，ADXL346最多可將32組X、Y和Z軸采樣數據緩沖在先入先出(FIFO)存儲器中，從而使主處理器和其它大功率外設處于待機模式，直到需要時再被喚醒。帶寬是可選的，范圍從0.1Hz至 1,600Hz，因此可以在響應速度和電池壽命之間取得很好的折衷。功耗范圍從低于150μA(1,600Hz帶寬)到25μA (10Hz以下帶寬)不等。 ADXL346可以測量±2/4/8/16g用戶可選范圍內的動態加速度，并且包含可通過簡單寄存器讀取的內置方向傳感功能。具有用戶可編程門限的特殊傳感功能包括靜止、拍打/雙擊和自由落體傳感。ADXL346在1,000片批量時的單價是3.04美元。 今年早些時候，ADI還推出了ADXL345三軸加速度計，并聲稱與競爭對手的三軸傳感器相比可節能80%。節能設計方面包括低的單節電池工作電壓和與上述同樣的FIFO機制。這種機制可以將對移動或加速度變化的響應任務從主處理器上卸載下來。此外，輸出數據范圍可在0.1Hz至3.2kHz范圍內調節，因此允許便攜式系統設計師為特定系統功能精確分配功率。ADXL345在1,000片批量時的單價是3.04美元。 當然，ADI并不是MEMS運動傳感器的唯一制造商。飛思卡爾半導體公司提供針對移動設備設計的MMA745xL三軸數字輸出加速度計。該器件支持所有方向的傾斜滾動、游戲控制、姿勢識別和拍打靜音等功能，此外還支持盜竊保護、自由落體傳感和GPS備份應用。 意法微電子公司的LIS302DLH 16位三軸加速度計非常適合運動傳感、方向識別、自由落體探測和振動監視應用(圖4)。該公司稱，LIS302DLH的高度僅為0.75mm，是市場上最薄的器件。LIS302DLH通過串行外設接口(SPI)總線輸出最高達±8g的加速度數據。
為彌補范圍從游戲和遙指到汽車導航應用中的加速度傳感器的不足，并完善攝像機搖動功能，意法微電子公司最近還推出了一系列15種單軸和多軸MEMS陀螺儀。這個系列包含30dps至6,000dps(度/秒)寬滿量程范圍，包括單軸(偏轉)和雙軸(傾斜和滾動、傾斜和偏轉)器件。 這兩種配置都能為每個軸同時提供兩路獨立的輸出：一路是未經放大的輸出，用于一般的角動傳感；另一路是經4倍放大的輸出，用于高分辨率測量。該器件的批量購買單價是2.50美元。 針對類似手持設備中的磁盤保護等應用，意法微電子公司發布了帶完全模擬輸出的三軸加速度計LIS352AX。這個器件的工作電壓范圍低至2.16V至 3.6V，對電池供電電壓的變化不敏感，在寬溫度范圍內針對0g偏移和靈敏度具有很高的可靠性。內置自檢功能使得電路板組裝完成后可以驗證傳感器功能是否正常。該器件的批量購買單價是1.30美元。 今年3月份，從康奈爾大學獨立出來的Kionix公司推出了KXTF9三軸加速度計，它有一個被稱為"方向性拍打/兩次拍打"的新接口。KXTF9最多能創建12條獨特的拍打使能命令，供最終用途開發人員定義的功能使用。方向性拍打 /兩次拍打接口能夠傳感出物體六個面的任一面上出現的輕輕快速拍打或連續兩次拍打。 Kionix公司首席執行官Greg Galvin介紹道："單次拍打手機表面可以激活語音郵件，或停止振鈴，拍打手機左側可激活導航功能，兩次連續拍打手機底部可轉向互聯網訪問。"其它特性包括用戶可編程輸出數據速率(ODR)、可選的8位或12位分辨率、用戶可選的2/4/8g重力加速度范圍以及具有用戶可選截止頻率的數字高通濾波器。 KXTF9的工作電壓范圍是直流1.8V至3.6V。 作者：Don Tuite |
