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EEPW首頁 > 物聯網與傳感器 > 編輯觀點 > 高端MEMS助力位置服務、智能制造、地震預警

(微機電系統)傳感器已發展了40余年,已滲透到汽車、工業和人們的日常生活中。例如手機里常用的麥克風和加速器。手機里的麥克風越來越多,以更好地拾音;手機加速器的精度越來越高,例如當你用手機時,車開進了隧道,手機依然可以,這時已經不是靠衛星了,而是靠手機里的芯片來實現的。

本文引用地址:http://sharethedeen.com/article/202002/409658.htm

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在交通工具方面,汽車安全氣囊、車身平穩控制,或者高鐵上的一些安全監測都會用到MEMS。

含羞草myhanxiucao醫療方面,一個典型的案例是過去非常依賴醫生精準的手術技術,現在用一些非常小的MEMS傳感器,可以對手術路徑做引導,讓一些不是那么專業的醫生依然可以做專業的手術。

含羞草myhanxiucao不久前,ADI公司亞太區微機電產品線總監趙延輝先生向電子產品世界等媒體介紹了MEMS傳感器在位置服務、智能制造和地震監測中的最新應用動向,以及ADI的部分領先產品。   

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ADI亞太區微機電產品線總監 趙延輝

1 高精度位置服務的剛需

1.1 位置服務的10大應用場景

2019年10月底、11月初時,中國移動投入了3億多元,購置了4千多個基站,這些基站不是通常意義上的手機通信的基站,而是用來提供高精度位置服務的。

為什么中國移動要提供這種位置服務?因為現在5G時代正在到來,可以真正通過5G技術實現萬物互聯。萬物互聯之后,還需要知道“物”的準確位置。下圖列出了公認的需要高精度定位的10大應用,包括自動駕駛、手機定位等。

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1.2 彌補衛星導航的不足

含羞草myhanxiucao我國的北斗三號衛星在2020年可以完成全球布局,也會為國內利用北斗實現高精度位置服務的市場帶來井噴式的發展。這和MEMS有什么相關性呢?實際上,海量的需求連到網絡里需要位置的信息,是離不開慣性導航的,因為以下5方面會帶來很大的定位精度的誤差。

1)現在北斗三號衛星的誤差精度大約是2.5~5 m的精度,這對很多應用還是遠遠不夠的,因為假如這時連著1個岔路口,導航有可能指引出錯誤的方向。因此,一定需要一些輔助的手段來提高衛星導航的精度。

含羞草myhanxiucao2)俗話說:做衛星導航是靠天吃飯的,因為衛星在外太空把信號傳過回來,首先要穿過大氣電離層和對流層,會有一定的折射誤差,因此手機及高精度的接收機都會收到一定的噪音。

3)能通過衛星來定位,是因為我們準確地知道了衛星的位置,但是衛星也有軌道誤差。

4)在理論情況下,各種手機或接收機能夠接收到衛星傳回來的信號。但很多人生活在城市峽谷里——不僅接收到衛星直接傳回來的信號,還有衛星信號打在建筑物上再折射回來的信號,它們會產生多路徑的效應。

含羞草myhanxiucao5)一些場景沒有衛星信號。例如汽車開進隧道或室內停車場。這對于現在非常火爆的自動駕駛概念是個挑戰,因為自動車行駛到隧道里,不能駛出車道線,一般行業要求精度不超過20 cm,這時候只能靠慣導了。慣導利用了MEMS技術。

1.3 MEMS慣導是定位安全的最后一到屏障

也許有人認為有點危言聳聽,例如車進入了隧道,還有很多其它技術,例如還有視覺和雷達的技術都是可以用的。但是有兩點理由。

含羞草myhanxiucao1)所有的其它技術都非常依賴于外部的環境。例如衛星導航必須得能看到衛星,才能利用衛星導航。關于雷達,由于霧霾等空氣質量的影響,雷達有可能失效。關于視覺,也和人眼一樣,以隧道場景為例,假如白天外面非常明亮,從一個很亮的環境忽然行駛到很暗的環境里,就像人眼會瞬間致盲一樣,這時候視覺也提供不了準確的位置判斷。還有在強光下,人會看不清東西,視覺也一樣。所以視覺受到太多的環境影響,包括車載里程計,車載路面打滑怎么辦?它們都太依靠外部的環境下。只有慣導IMU(慣性測量單元),不依賴于任何的外部環境。

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2)在做導航定位的時候,感覺導航更新較慢,例如車速開得很快的時候,到一個路口,開過去了才說岔路右轉。這是因為很多衛星導航或者視覺更新速度太慢了,例如衛星導航,一般是1 s更新1次,現在最快可以做到幾十Hz,即1 s更新幾十次。對于高端的應用,涉及到國防安全的應用,盡管最多可達幾百Hz級,仍遠遠達不到連續導航的水平。連續導航至少需要做到幾ms級,這是ADI IMU可以輕松做到的。

含羞草myhanxiucao不過,IMU也并非十全十美,取決于多長時間,例如進入隧道了,在其它傳感器都失效的情況下,希望車不出車道線20 cm的精度,要依靠IMU 10 s、1 h都能做得到嗎?這時,依賴IMU的時間越長,需要選擇的傳感器的精度就要越高,這意味著在做傳感器融合的時候,并不是傳感器越多越好,而不考慮傳感器的性能。如果選擇不當,可能拿來的都是一些無用的數據,無法實現精準的定位。

1.4 ADI的IMU

含羞草myhanxiucao1)芯片式的IMU——ADIS1650X

ADI的IMU主要為了實現在各種極端環境下,依然能提供準確的輸出,這種極端的環境包括高低溫的變化、顛簸的路面等。

下圖是ADI IMU的發展路線圖。截至2019年11月,ADI已經發布了器件級大小的IMU——ADIS1650X,滿足了高精度,而且性價比高,體積小,適合海量市場。

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含羞草myhanxiucao ADIS1650X系列和過去大的模塊級IMU沒有區別,例如里面有傳感器、信號調理,有各種各樣的溫度補償校準等。

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含羞草myhanxiucao2)振動抑制特性的重要性

含羞草myhanxiucao市場上同類友商只有一兩家,相比它們,ADI IMU里所用的內核傳感器的振動抑制特性好。這意味著在理想情況下,可以檢測車的轉動角度、航向偏移多少,或者飛機航向角、俯仰角偏了多少,行駛/飛行了多少米及速度。但問題是:盡管正常情況下飛機轉向能檢測角度,但有一點非常致命的是很多傳感器分辨不出傳感器的輸出是由轉動引起的還是振動引起的,通常振動抑制特性有2個參數:振動整流誤差,線性加速度。在有振動情況下的平滑輸出,減去沒有振動下的平滑輸出。經過理想濾波器之后,它的濾波誤差是非0的。

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非0意味著什么?例如無人機應用,為什么農用無人機或行業內的無人機,99%以上是用ADI的IMU?當然,很多消費級的無人機,例如掌上無人機,沒有用ADI的IMU,主要出于成本、體積的考量。

農業灑藥的無人機之所以選擇ADI的IMU,主要因為ADI IMU的振動抑制特性好,該指標決定了無人機是否可以很好地懸停,以提高懸停灑藥或航拍的穩定性。

也許有人會問:為何一些千八百元的航空無人機也沒有飄,它們是怎么做到的呢?實際上,這類航空無人機做了復雜的減振處理,但減振材料,諸如橡膠飛一段時間會發熱,使減振材料會迅速老化,影響減振效果,因此需要操控手不停地控制它,也許操作手認為是自己不是專業的飛手導致控制不好,實際上是里面的IMU選得不合適。

含羞草myhanxiucaoADI最新系列的ADIS 1650X雖然體積小,但依然在內部采用了差分結構,做到了非常好的振動抑制特性,可用于無人機、農業拖拉機、自動駕駛汽車等。汽車為何要用IMU?因為即使行駛在高速公路上,有時也會感到顛簸,只要有顛簸存在就會有誤差的引入,就會關注振動抑制特性這個指標。

2 智能制造中的預測性維護

智能制造需要各種各樣冰冷的機器能夠和人對話,或者是能讓它們真正地活起來,像人一樣可以溝通和行動。新制造或智能制造給傳感器市場帶來了很大的需求。

這需要各種各樣不同的傳感器,諸如振動分析、紅外成像、超聲、電壓電流的監測等。

過去傳感或檢測機器的方式,一般是靠人員現場檢測,現在希望能夠24小時自動檢測,因此需要更小、更低成本、更低功耗的MEMS傳感器。

2.1 預測性維護對傳感器的要求

機器診斷指可以通過分析,判斷出機器哪兒有裂紋等問題,預測機器能繼續使用多長時間。

一個機器如果要產生損壞,會經歷4個階段(如下圖)。人們希望能夠越早發現機器的問題越好。

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在第1階段的時候,剛發生一點點的問題,例如機械有一個很小的裂紋的時候,人們就希望能夠檢測到,這時它一般失效的頻率都出現在高頻段,而且出現的幅度非常低,信號非常弱,就需要傳感器要足夠敏感。

ADI的ADXL100X系列實現了這樣的技術突破,最高頻率達到45 kHz,有效帶寬達30 kHz,噪聲25 μg/根號Hz(如下圖),屬于行業內非常領先的技術產品。

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2.2 MEMS vs PZT   

含羞草myhanxiucaoMEMS相比傳統的PZT(壓電陶瓷)有很多優勢。PZT不太適合放到前端的節點進行24小時的監測,因為如下表,最直觀的是壓電成本和MEMS相比差別很大;再有就是壓電不能監測低頻信號,例如橋梁監測等低頻監測。

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下圖是ADI MEMS和友商壓電產品的參數對比,這些壓電傳感器都是在業界非常領先的,價格約500元甚至上千元人民幣的。圖中有ADI和壓電的對比做的實測數據,例如對傳感器加上100g的加速度沖擊,會看到壓電傳感器會有明顯的滯留偏移,但ADI MEMS沒有。

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不僅如此,ADI還有深厚的系統知識,可以把MEMS傳感器集成信號調理,提供一套完整振動的解決方案。好處是在振動領域,也許客戶不了解如何實現信號調理、機械結構設計及安裝,可直接把模塊裝到機器上。

3 地震預警需要MEMS高性能、低功耗

3.1 地震預警的原理

這幾年我國非常重視地震避險,可以預警還有多少秒到達相關位置。這是怎么做的呢?如下圖,一般地震來了,P波比S波的傳播速度快。幸運的是,P波帶來的影響沒有那么大,因為P波是上下振動的縱波,S波是橫波。S波的傳輸速度約3.2~4.0 km/s。如果P波一地震就檢測到了,S波檢測得較慢,但網絡通信速度是很快的,一般可達3.0×105 km/s。如果每個地方離震中100 km,則

100 km÷4 km/s=25 s

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這意味著人如果離震中100 km,就可以提前25 s知道地震要來,有足夠的時間做響應和急救。因為最后把樓撕扯、發生較為嚴重坍塌的是S波到達之后,S波和P波都到達之后,會形成L波,L波是真正產生致命作用的地震波。

含羞草myhanxiucao現在能實現地震預警,實際上來自于技術的進步。過去的地震監測設備都是低密度布置的,每個專業的地震監測點之間的距離至少在80 km以上。現在能實現預警,靠的是大數據,即用低密度的專業地震設備+高密度輔助地震設備。輔助設備可能精度沒有那么高,但設了更多的地震監測點,很多點同時動,且產生一個方向上的振動,那么一定是地震引起的,且可以確定震中,使得周邊的人可以得到通知,有幾十秒的時間去自救。

這種高密度的輔助地震設備可以通過MEMS加速度計實現,因為它可以檢測各種各樣的振動。

這種加速度計需要的特點是:低噪聲和低功耗。因為地震有不同的等級,等級越低,振動幅度越小,因此必須要有足夠低的噪聲才能分辨足夠小的等級。另外,大量鋪設的輔助設備點很多是電池供電的,所以MEMS傳感器必須要有足夠的低功耗。

3.2 ADI的解決方案

ADI的ADXL355非常符合該市場的需求(如下圖)。其中ADXL362的功耗比ADXL35X明顯低很多,但它的噪聲也高,如果這個應用只需要檢測5級以上的地震,可裝在燃氣表里(注:現在已有客戶應用),如果檢測到五級及以上的強震,燃氣表可以自動切斷閥門,防止二次災害的發生。

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4 開發傳感器的4個階段

第1階段,傳感器可以敏感出1個信號,這個信號可能是電荷型的、電壓型的、電流型的。客戶要知道怎么把這個信號轉化成數字輸出的,或PWM輸出的、電壓輸出的,方便客戶的客戶再去處理。這步最為簡單、基本。

第2階段,對這個傳感器做簡單的處理,例如可以把電荷或電壓轉換成客戶需要的,有PWM輸出、SPI輸出等。

第3階段,做一些軟件算法。可能有些客戶說我用你這個,你現在輸出是很好了,但是我還要算,例如你可以測重力,但測重力并不代表角度,還需要一些反三角函數的運算。這種東西可能在A地還好,但是如果這個樓是在其他地方呢?公差會很大,但依然要保證非常好的精度,這就需要算反三角函數。這是非常簡單的例子。有的還要多做一些,諸如智能制造里有一些FFD(自由變形)分析,現在ADI也有能力把FFD分析集成到器件里去。

以上3個階段ADI都已實現。

含羞草myhanxiucao第4階段,針對不同的行業進行解釋,這個數據到底代表什么意義。就像地震波例子,什么樣的波形是地震波等,需要對于地震的理解,對于石油化工行業的理解,這個目前主要還屬于客戶的技術范疇,ADI也有一些持續的創新,與客戶有些深度的合作。

5 ADI在MEMS上的優勢

含羞草myhanxiucaoADI是業界最早把MEMS技術實現商用的公司,在1987年開始在MEMS上投入,1991年就實現了用MEMS替代傳統的氣泡解決方案,做到了汽車的安全氣囊里。

ADI專注于MEMS的技術創新40余年,并且有系統級的經驗。目前看好自動駕駛、智慧城市、智能制造、智慧農業等新應用。

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含羞草myhanxiucaoADI的MEMS里程碑



關鍵詞: MEMS 導航
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