ADI新產(chǎn)品為添新功能，應(yīng)用MEMS陀螺儀和加速度計工作原理

在ADI公司的一間會議室中，Howard Wisniowski用一只手拿起比紀(jì)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(guān)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(fā)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(yīng)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(yīng)有的性能。

適合采用CMOS工藝流程的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）制造技術(shù)可能帶來的規(guī)模經(jīng)濟(jì)、高靈敏度和小型尺寸能開創(chuàng)許多新的應(yīng)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(jī)械結(jié)構(gòu)中。經(jīng)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(tài)的多個運動塊和橫梁系統(tǒng)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)測量，一般是通過傳感位于一組固定橫梁和一組偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)手冊中標(biāo)明的一些重要特征參數(shù)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(tài)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(guān)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(yīng)產(chǎn)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(lǐng)域、特別是與氣囊有關(guān)的減速傳感應(yīng)用領(lǐng)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(bǔ)償角度方面的沖擊和振動。與線性產(chǎn)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(guān)。旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)這個傳感器，使其只在Z軸移動，X和Y平面只是旋轉(zhuǎn)，因此測得的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)運動的原因。因為某些最終產(chǎn)品除了測量其它運動方式外必須測量旋轉(zhuǎn)，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。

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(guān)，但在比颶風(fēng)規(guī)模小的物體上確實能起作用，它在每個科學(xué)博物館似乎都有的傅科擺這種大小適中、但遠(yuǎn)非微型的物體上得到了成功演示。

假設(shè)讀者都記得傅科擺與地球的旋轉(zhuǎn)有某種關(guān)系，這里僅作簡要的解釋。假設(shè)你有一個振動著的質(zhì)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(zhuǎn)速度?？评飱W利效應(yīng)將產(chǎn)生隨時間變化的加速度，其頻率與驅(qū)動加速度相同，但與質(zhì)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(xiàn)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(jié)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(yīng)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(qū)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(dāng)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(zhǔn)、熱問題等等帶來的挑戰(zhàn)。我們無需使振動元件看起來像鋼琴調(diào)音工具。想象一下你用一個像喇叭口或酒杯那樣振動的環(huán)形結(jié)構(gòu)能做的事情（圖2）。目前為止在MEMS結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)有大量專利，并且有許多聰明的方法能夠利用半導(dǎo)體工藝流程來制造這些器件。

更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

一提到加速度計，人們就會想到汽車氣囊應(yīng)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(jīng)常用來探測比汽車相撞激烈程度更輕的事件。

只要設(shè)備被提起或放下，隨之產(chǎn)生的加速度變化都能被探測到，然后產(chǎn)生中斷，再通過中斷服務(wù)把設(shè)備中的某些功能打開或關(guān)閉，或讓某些部分保持正常工作，讓其它部分進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。比如手持設(shè)備就可以利用這一功能關(guān)閉背光顯示，在被拿起時再打開背光顯示。當(dāng)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(yīng)者寫過一篇有關(guān)手提收音機(jī)的文章，當(dāng)攜帶這種收音機(jī)的人停止移動一段時間時收音機(jī)能自動發(fā)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”）?；蛘咴趹?zhàn)場上，你不想讓敵人從已死或受傷的戰(zhàn)友身上撿走收音機(jī)，然后用它來獲得戰(zhàn)術(shù)情報，那么可以通過編程讓這種收音機(jī)在允許用戶使用前必須進(jìn)行重新認(rèn)證。

Wisniowski還介紹了能在公共場所使用的新型除顫器。這些設(shè)備可以幫助經(jīng)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(fù)蘇術(shù)（CPR）。當(dāng)發(fā)生這種情況時，Wisniowski表示，“一位經(jīng)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(xiàn)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?！?/p>

在《Electronic Design》雜志發(fā)表的有關(guān)能量采集文章中，最常見的應(yīng)用是通過振動監(jiān)視評估機(jī)械系統(tǒng)（如工業(yè)泵電機(jī)、有軌車輪軸軸承和高速公路橋梁）的狀態(tài)。一般人員對此的解讀是，使用被監(jiān)視的振動能量給微控制器和網(wǎng)狀無線節(jié)點供電，但是我很少考慮原始數(shù)據(jù)的來源。

然而，這是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，需要使用非常小并且?guī)捄軐挼腗EMS加速度計，才能捕獲到足夠準(zhǔn)確的正常振動和異常振動數(shù)據(jù)。最后，還需要提供足夠的診斷信息以實現(xiàn)對潛在故障發(fā)生時間的智能判斷。

至此我們已經(jīng)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(yīng)用可能是筆記本磁盤。有趣的是，在磁盤應(yīng)用中，需要探測的不是沖擊本身，因為發(fā)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(fā)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(guān)的破壞性沖擊的先兆。在0g條件剛發(fā)生和筆記本撞擊地板之間的幾個毫秒內(nèi)，系統(tǒng)完全可以讓磁盤磁頭處于懸停狀態(tài)。

蘋果的iPhone和任天堂的Wii讓我們習(xí)慣于使用加速度計和陀螺儀實現(xiàn)手勢識別，比如拍打、雙擊和搖動，進(jìn)而激活某些功能和調(diào)節(jié)工作模式。除了使產(chǎn)品更酷外，提供手勢輸入還有其它好處。在水下照相機(jī)等產(chǎn)品中，無按鍵設(shè)計還有降低系統(tǒng)成本和使系統(tǒng)更加堅固耐用的優(yōu)點。拍打接口也非常適合用于可佩戴和可植入醫(yī)療設(shè)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(yè)應(yīng)用中發(fā)揮作用，比如用一只手操作設(shè)備，而空出另一只手控制在崎嶇道路上行進(jìn)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(dǎo)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(yè)設(shè)備控制更加貼近實際的應(yīng)用吧，有許多工作涉及傾斜傳感功能，比如調(diào)節(jié)工業(yè)稱重計和正確方向的壓力。

另一種復(fù)雜的產(chǎn)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(yī)療成像和外科手術(shù)儀器中提供高分辨率。

早期突破性的產(chǎn)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(yù)校準(zhǔn)功能，即不管處于什么溫度條件下它都能提供精確的數(shù)據(jù)，因此產(chǎn)品設(shè)計師無需在系統(tǒng)代碼中嵌入校準(zhǔn)值表格。

在ADIS16355的推廣階段，全溫度范圍校準(zhǔn)版在1000片批量時的價格是359美元，室溫校準(zhǔn)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(biāo)應(yīng)用通常是車載攝像機(jī)和天線、商用航行器導(dǎo)航單元、機(jī)器人和修復(fù)手術(shù)（prosthetics）。另一個重要領(lǐng)域是在GPS信號丟失時的慣性備份導(dǎo)航。這個功能不僅在航空領(lǐng)域非常重要，而且在商業(yè)車輛編隊行進(jìn)和大農(nóng)場中的自動收割設(shè)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(shè)接口（SPI）完成。每個陀螺儀具有±300°/s的動態(tài)測量范圍，每個加速度計有±10g的測量范圍。雖然最大動態(tài)范圍可達(dá)±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(diào)節(jié)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(yīng)（FIR）濾波器，它對所有輸出數(shù)據(jù)寄存器都有額外的噪聲抑制效果。

除了帶校準(zhǔn)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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輔助通道。這個輸出數(shù)據(jù)在內(nèi)部可更新，與用戶讀取速率無關(guān)。輸出數(shù)據(jù)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(tǒng)級模擬信號的數(shù)字化成為可能。另外，0～2.5V輔助輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）可提供12位的電平調(diào)節(jié)功能。

在ADIS16355上市前約6個月，ADI就推出了用于工業(yè)應(yīng)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(chǎn)品的特性包括：數(shù)字范圍可調(diào)；±75°/s、±150°/s和±300°/s設(shè)置；三軸、14位、±5g數(shù)字加速度計；180ms響應(yīng)時間（圖3）。另外，這些產(chǎn)品提供出廠校準(zhǔn)過的靈敏度、偏置和軸向?qū)R、數(shù)字控制的偏置校準(zhǔn)以及高達(dá)819.2samples/s的數(shù)字控制采樣速率（外部時鐘允許采樣速率高達(dá)1200samples/s）。

在同一時間發(fā)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(xiàn)通信。

在ADIS16209發(fā)布會上，ADI宣稱這個產(chǎn)品的尺寸僅為9.2x9.2x3.9mm，比市場上其它產(chǎn)品小100倍，而價格只是功能相當(dāng)?shù)母偁幮援a(chǎn)品的十分之一。前面就曾提及到，醫(yī)療是這個產(chǎn)品的主要應(yīng)用。超聲波、胸部X照相儀和X射線設(shè)備在掃描器對齊方面都需要一定的精確度和準(zhǔn)確度。這些器件也被用于臀部和膝部外科手術(shù)。

這類醫(yī)療設(shè)備也是六自由度ADIS16405 IMU的目標(biāo)應(yīng)用之一，其三軸磁力計傳感器可用于頭部傳感。據(jù)ADI公司表示，它的成本也要比競爭產(chǎn)品低10倍。