在工业和医疗范畴发展有成的亚德诺 (ADI)，对于运动传感器 (Motion Sensor) 发展别有一番见解。ADI 亚太区微机电产品市场与应用经理赵延辉以工业常见的机械振动 (vibration) 为切入点陈述——尤其是引擎、马达、涡轮等有具有反复性动力源的机械最常有此遭遇；轻者将引发噪音或使用上的不便，重者会造成「共振」现象，使仪器功能失常，甚至破坏整体结构。就算未有明显振动、只要机械姿态有变，重力分量亦会随之不同。为及时掌握这些不利状况并采取必要措施，借助运动传感器探知是有效的方法。
照片人物：ADI 亚太区微机电产品市场与应用经理赵延辉
在医疗方面，根据美国疾病控制中心统计，单是在美国，每年就有近 100 万个膝盖和髋关节置换手术进行；不过，却有约 30% 的膝关节置换手术，会因难以确切掌握骨骼内部架构细节而产生错位。赵延辉表示，若手术前先以 ADI 高精度微机电 (MEMS) 传感器追踪病人的膝关节排列方向 (alignment) 和运动状况，可精准定位并降低成本。一家位于加州的 OrthAlign 医疗设备设计公司就采用 ADI 的 iSensor 六轴 MEMS IMU (惯性量测单元)——三轴加速度计和三轴陀螺仪，将其置入膝关节定位的解决方案，目标是将手术成功率提升至 100%。
图1：惯性感测而得的数据可经由简易数字接口获取，引导外科医生执刀
陀螺仪感测振动，低功耗加速度计布建安防
赵延辉阐述，陀螺仪有一个称为「线性加速度效应」的指针，量测单位以「deg / sec / gee」表示，意指：加速度 gee 对陀螺仪输出的影响。理想情况下，陀螺仪只会对「转动」有所反应，但实际上，振动加速度也会引起陀螺仪的输出偏差。以ADI 的工业级陀螺仪 ADXRS646 为例，其指标值为 0.015 deg/sec/gee，也就是说如果振动加速度为 10gee，那么输出偏差就会达到 0.15deg/sec；积分10sec，角度误差即为 1.5deg。保守估计，上述数值至少足足领先消费类微机电 (MEMS) 组件一个数量等级，标准着实严苛许多。
赵延辉阐述，陀螺仪有一个称为「线性加速度效应」的指针，量测单位以「deg / sec / gee」表示，意指：加速度 gee 对陀螺仪输出的影响。理想情况下，陀螺仪只会对「转动」有所反应，但实际上，振动加速度也会引起陀螺仪的输出偏差。以ADI 的工业级陀螺仪 ADXRS646 为例，其指标值为 0.015 deg/sec/gee，也就是说如果振动加速度为 10gee，那么输出偏差就会达到 0.15deg/sec；积分10sec，角度误差即为 1.5deg。保守估计，上述数值至少足足领先消费类微机电 (MEMS) 组件一个数量等级，标准着实严苛许多。
回头看消费分众市场，ADI 于 2012 年发布的 ADXL362 据称仍是现今市面上最低功耗的三轴加速度计，在穿戴装置、智能家居、智能仪表等均获得广泛应用。在智能家居的保全应用上，只要进入布防状态，一旦有人自门窗侵入就会产生振动，而这个振动可用 MEMS 加速度计捕捉到，再经由无线通信启动家里的录像机或自动与警察单位联机。此类产品的耐用年限短则一年、长则五年、十年起跳，因为没人想频繁更换门窗上的检测设备，或是更换电池。ADI 的低功耗加速度计 ADXL362 正可解决这个令人头痛的问题。
图2：ADXL362 开发板容易使用，透过数据收集及在既有硬件平台上开发韧体，可缩短总体工程时间
数据源：ADI 网站
采用 ADXL362 检测振动与否时，完全不用处理器参与；而 ADXL362 功耗最低可低至 270 nA，若用钮扣电池 CR2032 供电居家保全系统，电量足以持续使用93 年！全带宽采样的 ADXL362 拥有 12 位的输出分辨率、8 位的格式化数据及单一字节传输，并非从调整功率工作周期实现低功耗，没有输入讯号采样不足的缺失。除了通用产品外，ADI 也是当下唯一可提供高温 175℃ MEMS 加速度计和陀螺仪的厂商，技术上具有一定优势，亦奠定 ADI 在高性能工业用产品拼搏的厚实基础。
图3：ADI MEMS 陀螺仪可承受 175℃ 高温，此为石油和天然气钻探设备的临界性能标准
数据源：ADI 网站
图3：ADI MEMS 陀螺仪可承受 175℃ 高温，此为石油和天然气钻探设备的临界性能标准
数据源：ADI 网站
消费感测首重体积与功耗
惯性量测单元 (IMU) 结合图资软件后，带动导航辅助／航位推移 (dead passage)／扩增实境 (AR) 等创新应用，将触角由平面 2D 空间延伸至立体 3D 空间。赵延辉剖析，现阶段多轴 MEMS 传感器的重点市场仍在消费品，运动手环主要是用 3-DOF (三个自由度) 的加速度计产品；然而，随着智能手机、可携式／穿戴式装置与航空模型 (航模) 的大量应用，在消费领域，越来越多的惯性产品皆以九轴为主流——整合了加速度计、磁力计和陀螺仪，有助于缩减体积、降低功耗和成本。他进一步指出，即使都是九个自由度的设计，唯结构不尽相同。
惯性量测单元 (IMU) 结合图资软件后，带动导航辅助／航位推移 (dead passage)／扩增实境 (AR) 等创新应用，将触角由平面 2D 空间延伸至立体 3D 空间。赵延辉剖析，现阶段多轴 MEMS 传感器的重点市场仍在消费品，运动手环主要是用 3-DOF (三个自由度) 的加速度计产品；然而，随着智能手机、可携式／穿戴式装置与航空模型 (航模) 的大量应用，在消费领域，越来越多的惯性产品皆以九轴为主流——整合了加速度计、磁力计和陀螺仪，有助于缩减体积、降低功耗和成本。他进一步指出，即使都是九个自由度的设计，唯结构不尽相同。
手机多数是 9-DOF 加速度计＋磁力计＋陀螺仪，航模一般是 6- DOF 加速度计＋陀螺仪，再加一个 3- DOF 磁力计。对于手机和手环等消费品而言，需要组件的体积越来越小、功耗越来越低，是技术难点所在，促使 MEMS 封装向 WLCSP (晶圆级芯片尺寸封装) 方向发展；而 WLCSP 对于制程有很高的要求，且由于是基于裸片直接封装，会让 MEMS 在应用过程中对热应力和机械应力更加敏感，在设计应用上亦须更谨慎。与此同时，陀螺仪的功耗一直处于几百 uA 甚至 mA 区间水平，过高的功耗无形中也限制了它在可穿戴领域的出路。
图4：ADI MEMS IMU 在无人机的应用
数据源：ADI 网站视频截图
改善精确度和延迟感，补偿校正不可少
另一项技术课题是：如何提高精确度并改善延迟感？赵延辉解说，陀螺仪的累计误差无可避免，要提高精确度有两种途径：一是提高陀螺仪本身的精确度，代价是会增加功耗、芯片体积和成本，但这在无人机等高可靠性应用却是必须的；二是藉传感器融合 (磁力计和加速度计)，甚至结合全球定位系统 (GPS)、地图，或引入雷射和编码器等，也可达到校正目的。当然，每种传感器都有一定局限性，例如：磁力计易受磁场干扰、加速度计在运动中很难准确利用重力估算倾角、GPS 要在空旷的户外才能使用等，因此系统须整合多种传感器来互相补偿校正。
另一项技术课题是：如何提高精确度并改善延迟感？赵延辉解说，陀螺仪的累计误差无可避免，要提高精确度有两种途径：一是提高陀螺仪本身的精确度，代价是会增加功耗、芯片体积和成本，但这在无人机等高可靠性应用却是必须的；二是藉传感器融合 (磁力计和加速度计)，甚至结合全球定位系统 (GPS)、地图，或引入雷射和编码器等，也可达到校正目的。当然，每种传感器都有一定局限性，例如：磁力计易受磁场干扰、加速度计在运动中很难准确利用重力估算倾角、GPS 要在空旷的户外才能使用等，因此系统须整合多种传感器来互相补偿校正。
至于如何缩短「方位稳定时间」(运动之后到精确并稳定方位状态所需时间) 以降低延迟感？赵延辉认为这取决于传感器方案及算法。例如，雷射定位的精确度很高，但缺点是响应时间慢；应对之道是以低噪声、高输出数据速率的陀螺仪，外加处理能力较强的处理器取代。此外，将系统追踪移动物体的标记所产生的方位向量，与由传感器建立、记录的向量两相比较时，硬件在接口和时序参数可能因坐标系变换，导致不兼容或不匹配；故一般在完成整机后要做初始位置校正，之后才能透过坐标系转换得到方位变化信息。
图5：PLM (精准定位绘图) 系统奠基于高效传感器，经过滤、处理和云端数据库分析输出而得
数据源：ADI 网站
谈到「异质传感器融合」趋势时，赵延辉透露，据了解，目前物流业的确有考虑将 MEMS 与温／湿度传感器结合的意向；至于与其它更多传感器融合，ADI 觉得为时尚早；一是尚未有足够的市场胃纳量支撑，二是集成更多其它种类的传感器，极可能由于不同传感器的良率特性迥异，于系统效能或成本而言，并非优化选项。
