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ADI:Motion Sensor 在工业与医疗市场潜力大

时间:2016-10-13 14:55来源:CompoTech China 作者:任苙萍 点击:
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。
 
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
 
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。
 
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。
 
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。
(责任编辑:jane)
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