与日俱进的传感器技术，ADI让MEMS不可或缺
2019-12-16 21:19:59 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

据麦姆斯咨询报道，ADI中国25周年媒体技术日活动隆重举行，ADI亚太区微机电（MEMS）产品线总监赵延辉发表了题为“不可或缺的ADI MEMS”的主题演讲。

据麦姆斯咨询报道，2019年12月12日，Analog Devices, Inc.（ADI）中国25周年媒体技术日活动隆重举行，全国数十家电子和半导体行业知名媒体齐聚鹏城，共同聆听ADI的发展之声——敢想敢为，携手超越一切可能！本次活动中，ADI亚太区微机电（MEMS）产品线总监赵延辉发表了题为“不可或缺的ADI MEMS”的主题演讲。

ADI亚太区微机电（MEMS）产品线总监赵延辉发表了题为“不可或缺的ADI MEMS”的主题演讲

物联网的快速发展给各种MEMS和传感器带来了新机遇，例如智能家居、可穿戴设备、智慧工业、智慧医疗、智慧交通等。在赵延辉看来，在MEMS产业漫漫发展历程中，ADI多次以创新的里程碑式产品彰显了自身的技术实力。如今，MEMS无处不在，每个人每天都会接触到很多MEMS产品，例如智能手机利用MEMS加速度计实现转屏功能，汽车利用MEMS加速度计和陀螺仪实现惯性导航功能。随后，他从高精度位置服务、智能制造与地震检测等最近的三大热点新闻领域分别进行了详细说明。

ADI亚太区微机电（MEMS）产品线总监赵延辉

高精度位置服务

首先，赵延辉给出近期热点新闻：中国移动近日投资超3.36亿元采购4400套高精度卫星定位基准站，加紧部署物联网。中国移动大规模采购高精度卫星定位基站就说明了通信运营商进军精准位置服务已经进入了实施阶段。由此，他引出高精度位置服务的十大应用场景：自动驾驶、手机定位、车辆监管、精准农业、城市停车、测量测绘、机场站坪、桥梁监测、港口装卸、边坡监测。

高精度定位服务

高精度位置服务特别是在自动驾驶领域需要使导航系统达到极高的精度水平，而惯性测量单元（IMU）无疑是保障自动驾驶的最后一道屏障！因为，不论是摄像头、毫米波雷达、激光雷达，还是卫星导航定位，都会受到外部环境的影响。例如摄像头会受到雨雪雾霾等恶劣天气的影响，卫星导航定位在隧道、地下停车场等场景下丢失信号……但是，基于IMU的惯性导航能够完全不受外界环境的影响地为自动驾驶系统提供连续的、高精度、高可靠的车辆位置、方向、速度等多种维度的信息，保障车辆的安全行驶。

惯性导航：定位安全的最后一道屏障

此外，相比卫星导航定位，IMU还能够提供更快的数据输出速率（ODR）。通常，卫星导航定位是每秒更新一次位置信息，即便在一些高端应用领域，ODR最多也只能达到每秒几百次，远远达不到连续导航的水平——ODR需要达到每秒几千次。尤其是在车速较快时，卫星导航定位就会有响应滞后的问题。而IMU则完全没有这些问题，其能够轻松地做到连续定位。当然，IMU也存在一些问题，单独依靠IMU进行导航定位的偏差会随着时间积累而逐渐增大。这就需要用户根据应用场景需求，选择合适精度的IMU。

ADI的MEMS惯性测量单元 (IMU) 传感器以多轴方式组合陀螺仪、加速度计、磁力计和压力传感器。IMU即便是在极为复杂的应用和动态环境下，ADI的技术也能可靠地检测并处理多个自由度（DoF）。这些即插即用型解决方案包括完整的出厂校准、嵌入式补偿和传感器处理以及简单的可编程接口。

ADI IMU技术路线

虽然，目前在高精度定位导航领域，除了MEMS惯性导航之外，还有采用光纤组件和激光组件的惯性导航方案，但是相比之下，MEMS惯性导航具有体积更小、价格更低、测量范围更大、使用更方便的优点，适合汽车ADAS和自动驾驶应用。

现在，ADI的IMU应用非常广泛，从传统的工业控制到新兴的自动驾驶。自从2007年ADI推出了首款IMU产品以来，经过十多年的创新发展，其IMU产品在性能持续提升的同时，尺寸也越来越小。今年11月，ADI还推出了最新量产的IMU产品——ADIS1650x系列。ADIS1650x注重工业“运动物联网”的需求及其对精准地理定位的需求。该系列IMU的性能令系统能精确地表征运动，不受湍流、振动、风、温度和其他环境干扰，从而实现更精准的导航和引导和/或仪器稳定度。

ADIS16505系统框图及功能

ADIS1650x系列IMU采用标准表贴组件，在最小尺寸内提供卓越的性能改善，并针对多种应用场景（如导航、稳定和仪器仪表、无人和自动驾驶车辆、智能农业和建筑机械、工厂/工业自动化、机器人、虚拟/增强现实等），实现了业界领先的MEMS技术与信号调理技术的完美结合，可提供优化的动态性能。

从内部结构来看，ADIS1650x系列IMU与之前产品并没有什么区别，都有传感器芯片（加速度计和陀螺仪）、信号调理，以及温度补偿/校准等处理。虽然ADIS1650x体积减小很多，但依然采用了差分结构，实现了非常好的振动抑制特性。赵延辉表示：“ADIS1650x系列IMU与友商的高精度产品相比，拥有5倍宽的动态范围，用以适应极端情况；2倍宽的带宽，用以捕捉急速变化；10倍以上的振动抑制特性改良；10倍以上的低噪声加速度传感器改良。”

ADIS1650x与友商产品对比

新制造——智能制造

人民日报点评“新制造”

2019年5月，人民日报发表了“新制造，让生产更加智能化”的时评文章。新制造作为新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力，正在中国大地掀起创新热潮。在智能化工业生产中，传感器让冰冷的机器跟我们“对话”，例如振动分析和诊断、润滑分析、红外热成像、超声波测试……

通过传感器与机器“对话”

赵延辉表示，现阶段，工业设备普遍实现了数字化和互联互通，“工业4.0”得以实现，且正在助力生产工具变革。使用IIoT（工业物联网）监测机器的健康状态有助于实现预测性维护，让行业人员能够预测故障，从而大幅节省运营成本。在可测物理量中，振动频谱测量能够针对旋转机器中的问题的根源提供最多信息，已被可靠地应用于各种工业应用中的最关键设备。

基于条件状态的维护/监测

振动测量可以利用加速度计来实现，业界通常采用两种类型：（1）压电式（PZT），（2）MEMS，但后者更具优势——不仅可以在低频率下提供更好的直流响应，而且耐冲击、体积小巧、成本低。“只有低噪声、高带宽加速度计（例如ADXL100x系列产品），才能很好地测量与首个故障信号相对应的频谱线，使其能够在大量应用中捕捉振动特征，更好地完成预测性维护。”赵延辉强调说。

机器状态监控：MEMS加速度计 vs. 传统PZT压电传感器

MEMS加速度计与传统PZT压电传感器对过载的响应

ADXL100x系列MEMS加速度计可实现高分辨率振动测量，适用于工业条件监测应用。这些加速度计的满量程范围为±100g（ADXL1001）、±50g（ADXL1002）和±500g（ADXL1004），在较宽的频率范围内具有25μg/√Hz至125μg/√Hz的超低噪声密度。ADXL100x系列具有稳定和可重复的灵敏度，不受高达10000g外部冲击的影响。此外，这些加速度计具有集成的全静电自检（ST）功能和超范围（OR）指示特性，采用3.3V至5.25V单电源供电，功耗低，还有助于无线传感产品的设计。

ADXL100x系列加速度计性能指标

以滚珠轴承故障监测为例，每次滚珠碰触到开裂处或者触碰到内环或外环的缺陷位置，就会发生撞击，引起振动，甚至导致旋转轴轻微移位。撞击发生的频率由转动速度，以及滚珠的数量和直径决定。一旦滚珠轴承的故障出现，前面提到的撞击有时候会产生可以听见的声音，即冲击波，表现为低能量谱分量和相对较高的频率，通常大于5kHz，而且总是远远超过基本的旋转频率。因此，只有低噪声、高带宽加速度计才能测量与首个故障信号相对应的频谱线。

检测轴承中的早期故障需要宽带宽、低噪声传感器

尽管诸如ADXL100x系列MEMS加速度计具有宽带宽和低噪声特点。但是，它们采用单轴测量，需要配备相关的处理电子设备。为了简化设计，ADI越来越多提供从元器件到完整功能模块产品。例如ADI提供了一套完整的解决方案，采用ADcmXL3021型号实施三轴测量。这款3.3 V电源电压产品包括3个基于ADXL1002的测量链、1个温度传感器、1个处理器和1个FIFO（先入先出）。上述所有元器件封装在一个铝壳（23.7mm x 26.7mm x 12mm）模组内，可以即时安装在旋转机器上。该产品的全尺寸为±50g，具有仅25μg/√Hz的极低噪声水平和10kHz带宽，这些特点使其能够在大量应用中捕捉振动特征。

信号处理模块不仅包括一个具有32个系数的可配置FIR（有限冲击响应）滤波器，还包括一个每轴2048个节点的FFT（快速傅里叶变换）函数，用于对振动进行频谱分析。再将用这种方法计算得出的频谱的每个频率级别与可配置的报警阈值（每轴6个）进行对比。如果频谱组件过于密集，就会生成警报。该产品还可以通过SPI（串行外设接口）与主机处理器进行交互，提供访问内部寄存器以及一组用户可配置的函数的权限，包括先进的数学函数，例如计算平均值、标准偏差、最大值、波峰因素和峰度（四阶动力矩，支持测量振动的锐度）。利用这些机器健康状况的深入见解，可以提高生产力和效率，最大限度地延长正常运行时间，加速实现智能制造。

ADI深厚的系统专业知识可优化系统产品，改善TTM

地震预警

2019年6月17日22时55分，距成都240公里，距西昌260多公里外，四川省宜宾市长宁县双河镇发生6级地震，震源深度16千米，川渝多地有震感。这次地震一个引人注目的事件是地震预警系统的使用，借用这个系统，距震中34公里的宜宾市，提前10秒获得预警，距震中240公里的成都市，提前61秒获得预警。

地震预警画面

地震波按传播方式分为三种类型：纵波（P波）、横波（S波）、面波（L波）。P波是推进波，地壳中传播速度为5.5~7千米/秒，最先到达震中，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。S波是剪切波：在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。L波，是由P波与S波在地表相遇后激发产生的混合波，其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

由于P波传播速度比S波快，且网络通信速度（300000千米/秒）远快于S波，因此可以先监测P波，然后利用网络通信将地震预警发布出去，从而让人们在S波达到前做好应急响应。例如在震中即时监测到P波，理论上距震中100千米的地方可以在S波到达前约25秒收到地震预警。

地震预警原理

随着监测手段不断升级，国内地震自动速报平均用时从2017年的3分钟缩短到2分钟，正式测报平均用时从2017年的15分钟缩短到10分钟。在江苏，地震速报时间甚至缩至1分钟。“究其原因是由于MEMS加速度计在地震振动监控中获得广泛应用——高密度辅助地震监测，而这种加速度计最重要的两个特性‘低噪声’和‘低功耗’一个也不能少，如何对这两个互补的特性进行综合考量，ADXL354和ADXL355便是ADI提供的答案，而ADXL362则可以更突出低功耗的特性。”赵延辉解释说。

利用MEMS加速度计进行高密度辅助地震监测

ADXL354和ADXL355属于低噪声密度、0g低失调漂移、低功耗、3轴MEMS加速度计，在温度范围内提供业界领先的噪声、失调漂移和长期稳定性，可实现校准工作量极小和极低功耗的精密应用。因此，它们能以极低的噪声执行高分辨率地震监测：25µ/Hz低噪声密度，而功耗不足200µA。此外，密封封装还可确保最终产品出厂很久以后还能符合可重复性与稳定性规范。

ADXL354和ADXL355性能规格

在地震多发地区，需要监测地震发生时的震级，如果达到5级或5级以上地震，即要对某些潜在危险进行及时处理，比如及时关断家用燃气防止其由于强震而造成泄露，进而引起中毒或爆炸。由于地震何时发生是没有办法预测的，所以需要24小时监测，而燃气表都是通过电池供电的，且要求其工作时间要达到1年甚至是10年以上，这样对监测地震的MEMS加速度计功耗提出了极高的要求。ADXL362在监测是否有振动发生时的功耗仅为270nA，受振动唤醒后，连续高速采集数据再分析振动波形时的功耗仅为3uA左右，在400Hz输出数据速率条件下。这也是燃气表客户选择ADXL362做类似应用的原因。

地震监测应用扩展

与使用功率占空比来实现低功耗的MEMS加速度计不同，ADXL362没有通过欠采样混叠输入信号；它采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样。除了超低功耗以外，ADXL362还具有许多特性来实现真正的系统级节能。该器件包含了一个深度多模式输出FIFO、一个内置微功耗温度传感器和几个运动检测模式，其中包括可调阙值的睡眠和唤醒工作模式，在该模式下测量速率为6Hz（大约值）时功耗低至270nA。

小结

ADI从1987年开始投入MEMS传感器的研发，也是业界最早从事MEMS研发的公司。1991年，ADI发布了业界第一颗高g值MEMS加速度计，聚焦汽车安全气囊碰撞监测应用，引领了几乎十年的MEMS传感器研究方向……历经了30余载的经验积淀，ADI用一个又一个“业界首款”成就了当今MEMS行业的领头羊，见证了MEMS产业的最好时代！

与日俱进的ADI MEMS传感器技术