最近,，無人機(jī)又火了！無論是無人機(jī)噴灑消毒水,，或是無人機(jī)配送,，甚至是無人機(jī)“喊話”戴口罩，都走進(jìn)了更廣泛的現(xiàn)實(shí)生活,，讓大眾對其有了新的認(rèn)識(shí),，而不再是傳統(tǒng)觀念里相對簡單的“玩具”。究其原因,，其飛行能力顯著提高,，使其更安全、更穩(wěn)定,、更易于控制這一改進(jìn)的關(guān)鍵因素之一便是使用了高性能微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器,。
事實(shí)上，近些年隨著AI在物聯(lián)網(wǎng)的滲透和邊緣計(jì)算能力的增強(qiáng),，MEMS傳感器憑借體積小,、重量輕、功耗低,、可靠性高,、靈敏度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為微型傳感器的主力軍,，大有取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的趨勢,。
ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝在ADI中國25周年媒體技術(shù)日發(fā)表演講
“MEMS技術(shù)無處不在，其應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了機(jī)器人,、智慧城市,、醫(yī)療設(shè)備、狀態(tài)監(jiān)測,、智慧農(nóng)業(yè),、自動(dòng)駕駛等生活的各個(gè)領(lǐng)域?！盇DI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝指出,，專業(yè)調(diào)研機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了趙延輝的觀點(diǎn)，據(jù)Yole Développement統(tǒng)計(jì),，2018年全球MEMS市場達(dá)到116億美元,，預(yù)計(jì)到2024年將以8.2%的年復(fù)合增長率(CAGR)持續(xù)增長,。其中消費(fèi)類應(yīng)用將占MEMS市場的60%，汽車應(yīng)用則占20%,，其余的20%包括電信,、醫(yī)療、工業(yè)和航空等應(yīng)用,。MEMS傳感器優(yōu)勢明顯,，趙延輝就用當(dāng)下熱門的三大應(yīng)用為例詳細(xì)介紹了MEMS傳感器在新興市場中的巨大應(yīng)用前景。
拒絕干擾,，基于MEMS傳感器的IMU充當(dāng)自動(dòng)駕駛“最后一道屏障”
在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,，大多數(shù)的應(yīng)用或多或少都與位置服務(wù)相關(guān)聯(lián)，尤其是對于移動(dòng)物體,，定位需求更為明顯,。據(jù)趙延輝提及，中國移動(dòng)近日投資超3.36億元采購4400套高精度衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站,，加緊部署物聯(lián)網(wǎng),，說明了通信運(yùn)營商進(jìn)軍高精度位置服務(wù)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)施階段。
作為高精度位置服務(wù)的典型應(yīng)用場景,，自動(dòng)駕駛也在爭議中不斷發(fā)展,，其涉及的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)多、產(chǎn)業(yè)鏈長,，加速自動(dòng)駕駛的商業(yè)化落地離不開所有相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的并駕齊驅(qū)。
因此,，自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)精度無法只通過高精度衛(wèi)星來保障,，基于MEMS傳感器技術(shù)的慣性測量單元（IMU）才是保障自動(dòng)駕駛的最后一道屏障。因?yàn)闊o論是攝像頭,、毫米波雷達(dá),、激光雷達(dá)，還是衛(wèi)星導(dǎo)航定位,，都會(huì)受到外部環(huán)境的影響,，只有基于IMU的慣性導(dǎo)航能夠完全不受外界環(huán)境的影響地為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供連續(xù)、高精度,、高可靠的車輛位置,、方向、速度等多維度的信息,，保障車輛的安全行駛,。
ADI是最早在此領(lǐng)域進(jìn)行研究的技術(shù)提供商之一，在乘用車自動(dòng)駕駛技術(shù)走進(jìn)大眾視線之前,，ADI IMU就已經(jīng)廣泛用在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化中,，也就相當(dāng)于低速的L4級自動(dòng)駕駛,。
ADI的IMU應(yīng)用與產(chǎn)品線也非常廣泛，自2007年推出了首款I(lǐng)MU產(chǎn)品以來,，經(jīng)過十多年的創(chuàng)新發(fā)展,，其IMU產(chǎn)品在性能持續(xù)提升的同時(shí)，尺寸也越來越小,。據(jù)趙延輝透露,，去年11月，ADI推出了最新量產(chǎn)的IMU產(chǎn)品ADIS1650x系列,，更注重工業(yè)“運(yùn)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)”的需求及其對精準(zhǔn)地理定位的需求,，其性能能夠令系統(tǒng)精確地表征運(yùn)動(dòng)，不受湍流,、振動(dòng),、風(fēng)、溫度和其他環(huán)境干擾,，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的導(dǎo)航和引導(dǎo),。“雖然ADIS1650x體積減小很多,，但依然采用了差分結(jié)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)了非常好的振動(dòng)抑制特性?！壁w延輝強(qiáng)調(diào)道：“ADIS1650x系列IMU與其他同類高精度產(chǎn)品相比,，擁有5倍寬的動(dòng)態(tài)范圍，用以適應(yīng)極端情況,；2倍寬的帶寬,，用以捕捉急速變化；10倍以上的振動(dòng)抑制特性改良與10倍以上的低噪聲加速度傳感器改良,?！?/p>
工控安全，檢測先行,，基于條件檢測的ADI工業(yè)控制解決方案
新制造作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力,，正在中國大地掀起創(chuàng)新熱潮。在智能化工業(yè)生產(chǎn)中,，MEMS傳感器正在讓冰冷的機(jī)器與我們“對話”,，例如實(shí)現(xiàn)振動(dòng)分析和診斷、潤滑分析,、紅外熱成像,、超聲波測試等。趙延輝表示,，現(xiàn)階段,，工業(yè)設(shè)備普遍實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和互聯(lián)互通,，且正在助力生產(chǎn)工具變革。使用IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）監(jiān)測機(jī)器的健康狀態(tài)有助于實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù),，讓行業(yè)人員能夠預(yù)測故障,，從而大幅節(jié)省運(yùn)營成本。在可測物理量中,，振動(dòng)頻譜測量能夠針對旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的問題的根源提供最多信息,，已被可靠地應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)用中的最關(guān)鍵設(shè)備。
從2018年起,，ADI接連收購OtoSense與Test Motors ,，計(jì)劃將 OtoSense 的軟件與 Test Motors 的監(jiān)控功能相結(jié)合來創(chuàng)建解決方案，通過捕獲更廣泛的潛在故障為機(jī)器提供更先進(jìn),、全面的健康狀況監(jiān)測,。事實(shí)上，ADI的狀態(tài)監(jiān)控方案已經(jīng)能夠?yàn)榭蛻籼峁┚邆渫暾脑缙诋惓z測功能的系統(tǒng)了,，其中各類精準(zhǔn)的MEMS傳感器也在其中發(fā)揮了舉足輕重的作用,。
支持結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的高級特性對于狀態(tài)監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，測量范圍是一個(gè)重要參數(shù),。趙延輝舉例道：“ADXL100x系列MEMS加速度計(jì)可實(shí)現(xiàn)高分辨率振動(dòng)測量,，適用于工業(yè)條件大多數(shù)故障（滑動(dòng)軸承損壞，不平衡,，摩擦,，松動(dòng)，齒輪缺陷,，軸承磨損和氣蝕）監(jiān)測應(yīng)用,。這些加速度計(jì)的滿量程范圍為±100g（ADXL1001）、±50g（ADXL1002）和±500g（ADXL1004）,，在較寬的頻率范圍內(nèi)具有25μg/√Hz至125μg/√Hz的超低噪聲密度。此外,，這些加速度計(jì)具有集成的全靜電自檢（ST）功能和超范圍（OR）指示特性,，采用3.3V至5.25V單電源供電，功耗低,，還有助于無線傳感產(chǎn)品的設(shè)計(jì),。”
同時(shí)為了簡化設(shè)計(jì),，ADI越來越多提供從元器件到完整功能模塊產(chǎn)品,，例如ADI提供的一套完整的解決方案采用ADcmXL3021型號實(shí)施三軸測量。這款3.3 V電源電壓產(chǎn)品包括3個(gè)基于ADXL1002的測量鏈,、1個(gè)溫度傳感器,、1個(gè)處理器和1個(gè)FIFO,。上述所有元器件封裝在一個(gè)鋁殼（23.7mm x 26.7mm x 12mm）模組內(nèi)，可以即時(shí)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)器上,。該產(chǎn)品的全尺寸為±50g,，具有僅25μg/√Hz的極低噪聲水平和10kHz帶寬，這些特點(diǎn)使其能夠在大量應(yīng)用中捕捉振動(dòng)特征,。
需要指出的是,，無論條件監(jiān)控的類型如何，即使采用最智能的監(jiān)控概念,，都不能100％保證不會(huì)出現(xiàn)意外停機(jī),、故障或安全等風(fēng)險(xiǎn)，但這些努力足以減少風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn),。正因?yàn)槿绱?，越來越多的基于狀態(tài)的監(jiān)測正在成為工業(yè)界的一個(gè)關(guān)鍵話題，被視為未來生產(chǎn)設(shè)施可持續(xù)成功的明確先決條件,。
“網(wǎng)紅”應(yīng)用——地震預(yù)警系統(tǒng)背后的關(guān)鍵指標(biāo)
MEMS傳感器在工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施市場創(chuàng)造的新機(jī)遇遠(yuǎn)不止于此,，例如還有最近開始逐漸走進(jìn)普通人生活中的“網(wǎng)紅”應(yīng)用——地震預(yù)警系統(tǒng)?！癕EMS加速度計(jì)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展正是這一‘網(wǎng)紅’應(yīng)用的主要推動(dòng)力,。低密度專業(yè)地震監(jiān)測設(shè)備配置高密度輔助地震監(jiān)測設(shè)備（MEMS加速度計(jì)），可以增加地震提前預(yù)測的時(shí)間,，實(shí)現(xiàn)更早的預(yù)警,。”趙延輝解釋說,。
地震波按傳播方式分為三種類型：縱波（P波）,、橫波（S波）、面波（L波）,，縱波傳播速度較快,、破壞力較小，S波傳播速度較慢,，與P波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波破壞力巨大,，地震系統(tǒng)就是利用縱波傳輸速度最快，檢測到縱波以后,，利用通信網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸發(fā)出預(yù)警,。
因此，地震預(yù)警系統(tǒng)里的MEMS加速度計(jì)最重要的兩個(gè)特性就是低噪聲和低功耗,。地震有不同的等級,，等級越低，振幅越小，要求加速度計(jì)必須具備夠低的噪聲辨識(shí),。同時(shí)低功耗也很重要,，畢竟地震發(fā)生的時(shí)間不確定，所以必須要MEMS加速度計(jì)自鋪設(shè)開始便一直保持正常工作狀態(tài),?！叭绻Y(jié)合這兩個(gè)特性，那么ADXL355絕對是市場第一,?！壁w延輝補(bǔ)充道，“當(dāng)然,，ADI提供的ADXL362比ADXL355功耗低很多,，但它的噪聲也很高，就僅適用于5級以上的地震,，因?yàn)樵肼曋饕直娴卣鸬膹?qiáng)度,，而功耗則決定了產(chǎn)品的監(jiān)測時(shí)間?！?/p>
此外,，地震監(jiān)測還有進(jìn)一步的應(yīng)用拓展，在地震多發(fā)地區(qū),，需要監(jiān)測地震發(fā)生時(shí)的震級,，如果達(dá)到5級或5級以上地震，就要對某些潛在危險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)處理,，例如自動(dòng)關(guān)斷家用燃?xì)庖苑榔溆捎趶?qiáng)震而造成泄露,，進(jìn)而引起中毒或爆炸，阻止二次災(zāi)害的發(fā)生,。ADI MEMS加速度計(jì)也在其中得到了一些應(yīng)用,。
對于此類靈敏應(yīng)用而言，傳感器的長期穩(wěn)定性也是需要考慮的主要因素,，這是因?yàn)閭鞲衅鲿?huì)受熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的影響,。想要改善這個(gè)問題，就要注意系統(tǒng)設(shè)計(jì)和芯片選型,，如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難做到熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力隔絕的話,，最好優(yōu)先考慮陶瓷封裝的器件。
見證MEMS產(chǎn)業(yè)最好的時(shí)代
物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展給MEMS傳感器帶來了許多新的機(jī)遇,，例如智能家居,、可穿戴設(shè)備,、智慧工業(yè),、智慧醫(yī)療、智慧交通等,。在趙延輝看來,， MEMS產(chǎn)業(yè)漫漫發(fā)展歷程中,，ADI多次以創(chuàng)新的里程碑式產(chǎn)品彰顯了自身的技術(shù)實(shí)力：ADI從1987年開始投入MEMS傳感器的研發(fā)，也是業(yè)界最早從事MEMS研發(fā)的公司,；1991年,，ADI發(fā)布了業(yè)界第一顆高g值MEMS加速度計(jì)，聚焦汽車安全氣囊碰撞監(jiān)測應(yīng)用,，引領(lǐng)了幾乎十年的MEMS傳感器研究方向,；1996年，發(fā)布了業(yè)界第一顆Low-g MEMS傳感器,，聚焦人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測應(yīng)用……歷經(jīng)30余載的經(jīng)