如何利用MEMS慣性感測技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用變革 2011-05-06 08:26:39來源:互聯(lián)網(wǎng)
雖然MEMS(微電子機械系統(tǒng))技術(shù)被用于安全氣囊和汽車壓力傳感器領(lǐng)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(chǎn)品使用了基于運動感測技術(shù)的用戶界面。

　　盡管如此，在一定程度上業(yè)界的觀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(yīng)用。從純粹的科學(xué)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(yīng)用，包括在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、消費電子產(chǎn)品和汽車電子等領(lǐng)域。

　　五種運動感測模式中，每一種模式都將極大地超越當(dāng)前大批量MEMS的應(yīng)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(zhuǎn)。

　　例如，一個帶運動檢測的加速計在設(shè)備沒有受到外界移動或震動時將其界定為非激活狀態(tài)，并指示設(shè)備進入最低功耗模式，從而實現(xiàn)功率管理。復(fù)雜的控制機構(gòu)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(chǎn)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(yīng)用案例，分享先進的商業(yè)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(chǎn)品的方法。

　　運動感測和MEMS介紹

　　加速、震動、沖擊、傾斜和旋轉(zhuǎn)——除了旋轉(zhuǎn)外，其它四種運動實事上都是加速度在不同時間段的表現(xiàn)。然而，我們?nèi)祟愂菬o法靠直覺來做出運動狀態(tài)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(yīng)用。


　　加速度(包括平移運動)是測量在單位時間內(nèi)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(xiàn)在來考慮加速度在不同時間段的表現(xiàn)。震動可被認為是迅速且周期性發(fā)生的加速和減速運動。類似的，沖擊則是瞬間發(fā)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(fā)生一次。

　　我們把時間再延長一些。當(dāng)對象被移動而改變傾斜度或偏角時，與重力相關(guān)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(fā)生往往相當(dāng)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(guān)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(chǎn)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(zhuǎn)換成電壓或數(shù)據(jù)位(數(shù)字輸出加速計應(yīng)用)，最后被傳遞到微處理器上以便執(zhí)行某種行為。近來在技術(shù)上取得的進步，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(yīng)用領(lǐng)域。低g感測范圍是指低于20g，這可以涉及到人類能產(chǎn)生的運動。高g則用于感測與機器或交通工具有關(guān)的運動—也就是人類沒法產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)運動可能不伴有加速度的變化。為了理解旋轉(zhuǎn)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(xiàn)在轉(zhuǎn)動傳感器使其運動僅與Z軸相關(guān)。X和Y平面在轉(zhuǎn)動，繼續(xù)測得0g，同時Z軸仍然為1g。

　　MEMS陀螺儀被用于感測這種旋轉(zhuǎn)運動。由于某些終端產(chǎn)品除了測量其它類型的運動外還必須測量旋轉(zhuǎn)運動，陀螺儀可被集成在一個內(nèi)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(shù)被用于檢測運動和位置變化。利用MEMS加速計可以感測到設(shè)備被拿起或放下，當(dāng)檢測到這兩種動作時就可以發(fā)出一個中斷信號來自動控制電源的開和關(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)。對用戶來說，這種由運動檢測控制的開/關(guān)功能是受歡迎的，因為它避免了用戶的重復(fù)動作。另外，它們實現(xiàn)了功率管理，能使設(shè)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(yīng)用之一。

　　另一種使用加速計來感測運動和產(chǎn)生中斷信號的應(yīng)用，則是用于軍事或公共安全人員的無線通信設(shè)備。為保證通信的安全，當(dāng)該設(shè)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(shè)計來說，上面這些應(yīng)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(yīng)用是在醫(yī)療設(shè)備中，例如自動外部除顫器(AED)。典型地AED被設(shè)計用來產(chǎn)生一次震動以使病人的心臟重新跳動。當(dāng)失敗時，必須進行徒手心肺復(fù)蘇(CPR)。一位經(jīng)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(nèi)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(dāng)壓力的大小。

　　震動感測用于監(jiān)控和節(jié)能