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高端MEMS助力位置服务、智能制造、地震预警

作者:王莹时间:2020-02-06来源:电子产品世界收藏

(微机电系统)传感器已发展了40余年,已渗透到汽车、工业和人们的日常生活中。例如手机里常用的麦克风和加速器。手机里的麦克风越来越多,以更好地拾音;手机加速器的精度越来越高,例如当你用手机时,车开进了隧道,手机依然可以,这时已经不是靠卫星了,而是靠手机里的www.hot88.com_【官方首页】-热竞技芯片来实现的。

本文引用地址:http://zyfuke.net/article/202002/409658.htm

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在交通工具方面,汽车安全气囊、车身平稳控制,或者高铁上的一些安全监测都会用到MEMS。

医疗方面,一个典型的案例是过去非常依赖医生精准的手术技术,现在用一些非常小的MEMS传感器,可以对手术路径做引导,让一些不是那么专业的医生依然可以做专业的手术。

不久前,ADI公司亚太区微机电产品线总监赵延辉先生向电子产品世界等媒体介绍了MEMS传感器在位置服务、智能制造和地震监测中的最新应用动向,以及ADI的部分领先产品。   

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ADI亚太区微机电产品线总监 赵延辉

1 高精度位置服务的刚需

1.1 位置服务的10大应用场景

2019年10月底、11月初时,中国移动投入了3亿多元,购置了4千多个基站,这些基站不是通常意义上的手机通信的基站,而是用来提供高精度位置服务的。

www.hot88.com_【官方首页】-热竞技为什么中国移动要提供这种位置服务?因为现在5G时代正在到来,可以真正通过5G技术实现万物互联。万物互联之后,还需要知道“物”的准确位置。下图列出了公认的需要高精度定位的10大应用,包括自动驾驶、手机定位等。

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1.2 弥补卫星导航的不足

我国的北斗三号卫星在2020年可以完成全球布局,也会为国内利用北斗实现高精度位置服务的市场带来井喷式的发展。这和MEMS有什么相关性呢?实际上,海量的需求连到网络里需要位置的信息,是离不开惯性导航的,因为以下5方面会带来很大的定位精度的误差。

1)现在北斗三号卫星的误差精度大约是2.5~5 m的精度,这对很多应用还是远远不够的,因为假如这时连着1个岔路口,导航有可能指引出错误的方向。因此,一定需要一些辅助的手段来提高卫星导航的精度。

2)俗话说:做卫星导航是靠天吃饭的,因为卫星在外太空把信号传过回来,首先要穿过大气电离层和对流层,会有一定的折射误差,因此手机及高精度的接收机都会收到一定的噪音。

3)能通过卫星来定位,是因为我们准确地知道了卫星的位置,但是卫星也有轨道误差。

4)在理论情况下,各种手机或接收机能够接收到卫星传回来的信号。但很多人生活在城市峡谷里——不仅接收到卫星直接传回来的信号,还有卫星信号打在建筑物上再折射回来的信号,它们会产生多路径的效应。

www.hot88.com_【官方首页】-热竞技5)一些场景没有卫星信号。例如汽车开进隧道或室内停车场。这对于现在非常火爆的自动驾驶概念是个挑战,因为自动车行驶到隧道里,不能驶出车道线,一般行业要求精度不超过20 cm,这时候只能靠惯导了。惯导利用了MEMS技术。

1.3 MEMS惯导是定位安全的最后一到屏障

也许有人认为有点危言耸听,例如车进入了隧道,还有很多其它技术,例如还有视觉和雷达的技术都是可以用的。但是有两点理由。

1)所有的其它技术都非常依赖于外部的环境。www.hot88.com_【官方首页】-热竞技例如卫星导航必须得能看到卫星,才能利用卫星导航。关于雷达,由于雾霾等空气质量的影响,雷达有可能失效。关于视觉,也和人眼一样,以隧道场景为例,假如白天外面非常明亮,从一个很亮的环境忽然行驶到很暗的环境里,就像人眼会瞬间致盲一样,这时候视觉也提供不了准确的位置判断。还有在强光下,人会看不清东西,视觉也一样。所以视觉受到太多的环境影响,包括车载里程计,车载路面打滑怎么办?它们都太依靠外部的环境下。只有惯导IMU(惯性测量单元),不依赖于任何的外部环境。

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2)在做导航定位的时候,感觉导航更新较慢,例如车速开得很快的时候,到一个路口,开过去了才说岔路右转。这是因为很多卫星导航或者视觉更新速度太慢了,例如卫星导航,一般是1 s更新1次,现在最快可以做到几十Hz,即1 s更新几十次。对于高端的应用,涉及到国防安全的应用,尽管最多可达几百Hz级,仍远远达不到连续导航的水平。连续导航至少需要做到几ms级,这是ADI IMU可以轻松做到的。

不过,IMU也并非十全十美,取决于多长时间,例如进入隧道了,在其它传感器都失效的情况下,希望车不出车道线20 cm的精度,要依靠IMU 10 s、1 h都能做得到吗?这时,依赖IMU的时间越长,需要选择的传感器的精度就要越高,这意味着在做传感器融合的时候,并不是传感器越多越好,而不考虑传感器的性能。如果选择不当,可能拿来的都是一些无用的数据,无法实现精准的定位。

1.4 ADI的IMU

1)芯片式的IMU——ADIS1650X

ADI的IMU主要为了实现在各种极端环境下,依然能提供准确的输出,这种极端的环境包括高低温的变化、颠簸的路面等。

下图是ADI IMU的发展路线图。截至2019年11月,ADI已经发布了器件级大小的IMU——ADIS1650X,满足了高精度,而且性价比高,体积小,适合海量市场。

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 ADIS1650X系列和过去大的模块级IMU没有区别,例如里面有传感器、信号调理,有各种各样的温度补偿校准等。

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2)振动抑制特性的重要性

市场上同类友商只有一两家,相比它们,ADI IMU里所用的内核传感器的振动抑制特性好。这意味着在理想情况下,可以检测车的转动角度、航向偏移多少,或者飞机航向角、俯仰角偏了多少,行驶/飞行了多少米及速度。但问题是:尽管正常情况下飞机转向能检测角度,但有一点非常致命的是很多传感器分辨不出传感器的输出是由转动引起的还是振动引起的,通常振动抑制特性有2个参数:振动整流误差,线性加速度。在有振动情况下的平滑输出,减去没有振动下的平滑输出。经过理想滤波器之后,它的滤波误差是非0的。

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非0意味着什么?例如无人机应用,为什么农用无人机或行业内的无人机,99%以上是用ADI的IMU?当然,很多消费级的无人机,例如掌上无人机,没有用ADI的IMU,主要出于成本、体积的考量。

农业洒药的无人机之所以选择ADI的IMU,主要因为ADI IMU的振动抑制特性好,该指标决定了无人机是否可以很好地悬停,以提高悬停洒药或航拍的稳定性。

也许有人会问:为何一些千八百元的航空无人机也没有飘,它们是怎么做到的呢?实际上,这类航空无人机做了复杂的减振处理,但减振材料,诸如橡胶飞一段时间会发热,使减振材料会迅速老化,影响减振效果,因此需要操控手不停地控制它,也许操作手认为是自己不是专业的飞手导致控制不好,实际上是里面的IMU选得不合适。

ADI最新系列的ADIS 1650X虽然体积小,但依然在内部采用了差分结构,做到了非常好的振动抑制特性,可用于无人机、农业拖拉机、自动驾驶汽车等。汽车为何要用IMU?因为即使行驶在高速公路上,有时也会感到颠簸,只要有颠簸存在就会有误差的引入,就会关注振动抑制特性这个指标。

2 智能制造中的预测性维护

智能制造需要各种各样冰冷的机器能够和人对话,或者是能让它们真正地活起来,像人一样可以沟通和行动。新制造或智能制造给传感器市场带来了很大的需求。

这需要各种各样不同的传感器,诸如振动分析、红外成像、超声、电压电流的监测等。

过去传感或检测机器的方式,一般是靠人员现场检测,现在希望能够24小时自动检测,因此需要更小、更低成本、更低功耗的MEMS传感器。

2.1 预测性维护对传感器的要求

机器诊断指可以通过分析,判断出机器哪儿有裂纹等问题,预测机器能继续使用多长时间。

一个机器如果要产生损坏,会经历4个阶段(如下图)。人们希望能够越早发现机器的问题越好。

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在第1阶段的时候,刚发生一点点的问题,例如机械有一个很小的裂纹的时候,人们就希望能够检测到,这时它一般失效的频率都出现在高频段,而且出现的幅度非常低,信号非常弱,就需要传感器要足够敏感。

ADI的ADXL100X系列实现了这样的技术突破,最高频率达到45 kHz,有效带宽达30 kHz,噪声25 µg/根号Hz(如下图),属于行业内非常领先的技术产品。

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2.2 MEMS vs PZT   

MEMS相比传统的PZT(压电陶瓷)有很多优势。PZT不太适合放到前端的节点进行24小时的监测,因为如下表,最直观的是压电成本和MEMS相比差别很大;再有就是压电不能监测低频信号,例如桥梁监测等低频监测。

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下图是ADI MEMS和友商压电产品的参数对比,这些压电传感器都是在业界非常领先的,价格约500元甚至上千元人民币的。图中有ADI和压电的对比做的实测数据,例如对传感器加上100g的加速度冲击,会看到压电传感器会有明显的滞留偏移,但ADI MEMS没有。

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不仅如此,ADI还有深厚的系统知识,可以把MEMS传感器集成信号调理,提供一套完整振动的解决方案。好处是在振动领域,也许客户不了解如何实现信号调理、机械结构设计及安装,可直接把模块装到机器上。

3 地震预警需要MEMS高性能、低功耗

3.1 地震预警的原理

这几年我国非常重视地震避险,可以预警还有多少秒到达相关位置。这是怎么做的呢?如下图,一般地震来了,P波比S波的传播速度快。幸运的是,P波带来的影响没有那么大,因为P波是上下振动的纵波,S波是横波。S波的传输速度约3.2~4.0 km/s。如果P波一地震就检测到了,S波检测得较慢,但网络通信速度是很快的,一般可达3.0×105 km/s。如果每个地方离震中100 km,则

100 km÷4 km/s=25 s

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这意味着人如果离震中100 km,就可以提前25 s知道地震要来,有足够的时间做响应和急救。因为最后把楼撕扯、发生较为严重坍塌的是S波到达之后,S波和P波都到达之后,会形成L波,L波是真正产生致命作用的地震波。

现在能实现地震预警,实际上来自于技术的进步。过去的地震监测设备都是低密度布置的,每个专业的地震监测点之间的距离至少在80 km以上。现在能实现预警,靠的是大数据,即用低密度的专业地震设备+高密度辅助地震设备。辅助设备可能精度没有那么高,但设了更多的地震监测点,很多点同时动,且产生一个方向上的振动,那么一定是地震引起的,且可以确定震中,使得周边的人可以得到通知,有几十秒的时间去自救。

这种高密度的辅助地震设备可以通过MEMS加速度计实现,因为它可以检测各种各样的振动。

这种加速度计需要的特点是:低噪声和低功耗。因为地震有不同的等级,等级越低,振动幅度越小,因此必须要有足够低的噪声才能分辨足够小的等级。另外,大量铺设的辅助设备点很多是电池供电的,所以MEMS传感器必须要有足够的低功耗。

3.2 ADI的解决方案

ADI的ADXL355非常符合该市场的需求(如下图)。其中ADXL362的功耗比ADXL35X明显低很多,但它的噪声也高,如果这个应用只需要检测5级以上的地震,可装在燃气表里(注:现在已有客户应用),如果检测到五级及以上的强震,燃气表可以自动切断阀门,防止二次灾害的发生。

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4 开发传感器的4个阶段

第1阶段,传感器可以敏感出1个信号,这个信号可能是电荷型的、电压型的、电流型的。客户要知道怎么把这个信号转化成数字输出的,或PWM输出的、电压输出的,方便客户的客户再去处理。这步最为简单、基本。

第2阶段,对这个传感器做简单的处理,例如可以把电荷或电压转换成客户需要的,有PWM输出、SPI输出等。

第3阶段,做一些软件算法。可能有些客户说我用你这个,你现在输出是很好了,但是我还要算,例如你可以测重力,但测重力并不代表角度,还需要一些反三角函数的运算。这种东西可能在A地还好,但是如果这个楼是在其他地方呢?公差会很大,但依然要保证非常好的精度,这就需要算反三角函数。这是非常简单的例子。有的还要多做一些,诸如智能制造里有一些FFD(自由变形)分析,现在ADI也有能力把FFD分析集成到器件里去。

以上3个阶段ADI都已实现。

第4阶段,针对不同的行业进行解释,这个数据到底代表什么意义。就像地震波例子,什么样的波形是地震波等,需要对于地震的理解,对于石油化工行业的理解,这个目前主要还属于客户的技术范畴,ADI也有一些持续的创新,与客户有些深度的合作。

5 ADI在MEMS上的优势

ADI是业界最早把MEMS技术实现商用的公司,在1987年开始在MEMS上投入,1991年就实现了用MEMS替代传统的气泡解决方案,做到了汽车的安全气囊里。

ADI专注于MEMS的技术创新40余年,并且有系统级的经验。目前看好自动驾驶、智慧城市、智能制造、智慧农业等新应用。

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ADI的MEMS里程碑



关键词: MEMS 导航

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