如何利用MEMS慣性感測技術實現(xiàn)應用變革 2011-05-06 08:26:39來源:互聯(lián)網
雖然MEMS(微電子機械系統(tǒng))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(yè)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(yī)療設備、工業(yè)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(tài)，并指示設備進入最低功耗模式，從而實現(xiàn)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(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(xiàn)。然而，我們人類是無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用。


　　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(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(fā)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(shù)據(jù)位(數(shù)字輸出加速計應用)，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(xiàn)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(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(fā)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(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(xiàn)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(yī)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(jiān)控和節(jié)能