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ADI:Motion Sensor 在工業(yè)與醫(yī)療市場潛力大

本文作者：任苙萍點擊： 2016-10-13 14:55

前言：

在工業(yè)和醫(yī)療范疇發(fā)展有成的亞德諾 (ADI)，對于運動傳感器 (Motion Sensor) 發(fā)展別有一番見解。ADI 亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場與應(yīng)用經(jīng)理趙延輝以工業(yè)常見的機械振動 (vibration) 為切入點陳述——尤其是引擎、馬達、渦輪等有具有反復性動力源的機械最常有此遭遇；輕者將引發(fā)噪音或使用上的不便，重者會造成「共振」現(xiàn)象，使儀器功能失常，甚至破壞整體結(jié)構(gòu)。就算未有明顯振動、只要機械姿態(tài)有變，重力分量亦會隨之不同。為及時掌握這些不利狀況并采取必要措施，借助運動傳感器探知是有效的方法。

照片人物：ADI 亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場與應(yīng)用經(jīng)理趙延輝

在醫(yī)療方面，根據(jù)美國疾病控制中心統(tǒng)計，單是在美國，每年就有近 100 萬個膝蓋和髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)進行；不過，卻有約 30% 的膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，會因難以確切掌握骨骼內(nèi)部架構(gòu)細節(jié)而產(chǎn)生錯位。趙延輝表示，若手術(shù)前先以 ADI 高精度微機電 (MEMS) 傳感器追蹤病人的膝關(guān)節(jié)排列方向 (alignment) 和運動狀況，可精準定位并降低成本。一家位于加州的 OrthAlign 醫(yī)療設(shè)備設(shè)計公司就采用 ADI 的 iSensor 六軸 MEMS IMU (慣性量測單元)——三軸加速度計和三軸陀螺儀，將其置入膝關(guān)節(jié)定位的解決方案，目標是將手術(shù)成功率提升至 100%。

圖1：慣性感測而得的數(shù)據(jù)可經(jīng)由簡易數(shù)字接口獲取，引導外科醫(yī)生執(zhí)刀

陀螺儀感測振動，低功耗加速度計布建安防
趙延輝闡述，陀螺儀有一個稱為「線性加速度效應(yīng)」的指針，量測單位以「deg / sec / gee」表示，意指：加速度 gee 對陀螺儀輸出的影響。理想情況下，陀螺儀只會對「轉(zhuǎn)動」有所反應(yīng)，但實際上，振動加速度也會引起陀螺儀的輸出偏差。以ADI 的工業(yè)級陀螺儀 ADXRS646 為例，其指標值為 0.015 deg/sec/gee，也就是說如果振動加速度為 10gee，那么輸出偏差就會達到 0.15deg/sec；積分10sec，角度誤差即為 1.5deg。保守估計，上述數(shù)值至少足足領(lǐng)先消費類微機電 (MEMS) 組件一個數(shù)量等級，標準著實嚴苛許多。

回頭看消費分眾市場，ADI 于 2012 年發(fā)布的 ADXL362 據(jù)稱仍是現(xiàn)今市面上最低功耗的三軸加速度計，在穿戴裝置、智能家居、智能儀表等均獲得廣泛應(yīng)用。在智能家居的保全應(yīng)用上，只要進入布防狀態(tài)，一旦有人自門窗侵入就會產(chǎn)生振動，而這個振動可用 MEMS 加速度計捕捉到，再經(jīng)由無線通信啟動家里的錄像機或自動與警察單位聯(lián)機。此類產(chǎn)品的耐用年限短則一年、長則五年、十年起跳，因為沒人想頻繁更換門窗上的檢測設(shè)備，或是更換電池。ADI 的低功耗加速度計 ADXL362 正可解決這個令人頭痛的問題。

圖2：ADXL362 開發(fā)板容易使用，透過數(shù)據(jù)收集及在既有硬件平臺上開發(fā)韌體，可縮短總體工程時間

數(shù)據(jù)源：ADI 網(wǎng)站

采用 ADXL362 檢測振動與否時，完全不用處理器參與；而 ADXL362 功耗最低可低至 270 nA，若用鈕扣電池 CR2032 供電居家保全系統(tǒng)，電量足以持續(xù)使用93 年！全帶寬采樣的 ADXL362 擁有 12 位的輸出分辨率、8 位的格式化數(shù)據(jù)及單一字節(jié)傳輸，并非從調(diào)整功率工作周期實現(xiàn)低功耗，沒有輸入訊號采樣不足的缺失。除了通用產(chǎn)品外，ADI 也是當下唯一可提供高溫 175℃ MEMS 加速度計和陀螺儀的廠商，技術(shù)上具有一定優(yōu)勢，亦奠定 ADI 在高性能工業(yè)用產(chǎn)品拼搏的厚實基礎(chǔ)。

圖3：ADI MEMS 陀螺儀可承受 175℃ 高溫，此為石油和天然氣鉆探設(shè)備的臨界性能標準
數(shù)據(jù)源：ADI 網(wǎng)站

消費感測首重體積與功耗
慣性量測單元 (IMU) 結(jié)合圖資軟件后，帶動導航輔助／航位推移 (dead passage)／擴增實境 (AR) 等創(chuàng)新應(yīng)用，將觸角由平面 2D 空間延伸至立體 3D 空間。趙延輝剖析，現(xiàn)階段多軸 MEMS 傳感器的重點市場仍在消費品，運動手環(huán)主要是用 3-DOF (三個自由度) 的加速度計產(chǎn)品；然而，隨著智能手機、可攜式／穿戴式裝置與航空模型 (航模) 的大量應(yīng)用，在消費領(lǐng)域，越來越多的慣性產(chǎn)品皆以九軸為主流——整合了加速度計、磁力計和陀螺儀，有助于縮減體積、降低功耗和成本。他進一步指出，即使都是九個自由度的設(shè)計，唯結(jié)構(gòu)不盡相同。

手機多數(shù)是 9-DOF 加速度計＋磁力計＋陀螺儀，航模一般是 6- DOF 加速度計＋陀螺儀，再加一個 3- DOF 磁力計。對于手機和手環(huán)等消費品而言，需要組件的體積越來越小、功耗越來越低，是技術(shù)難點所在，促使 MEMS 封裝向 WLCSP (晶圓級芯片尺寸封裝) 方向發(fā)展；而 WLCSP 對于制程有很高的要求，且由于是基于裸片直接封裝，會讓 MEMS 在應(yīng)用過程中對熱應(yīng)力和機械應(yīng)力更加敏感，在設(shè)計應(yīng)用上亦須更謹慎。與此同時，陀螺儀的功耗一直處于幾百 uA 甚至 mA 區(qū)間水平，過高的功耗無形中也限制了它在可穿戴領(lǐng)域的出路。

圖4：ADI MEMS IMU 在無人機的應(yīng)用
數(shù)據(jù)源：ADI 網(wǎng)站視頻截圖

改善精確度和延遲感，補償校正不可少
另一項技術(shù)課題是：如何提高精確度并改善延遲感？趙延輝解說，陀螺儀的累計誤差無可避免，要提高精確度有兩種途徑：一是提高陀螺儀本身的精確度，代價是會增加功耗、芯片體積和成本，但這在無人機等高可靠性應(yīng)用卻是必須的；二是藉傳感器融合 (磁力計和加速度計)，甚至結(jié)合全球定位系統(tǒng) (GPS)、地圖，或引入雷射和編碼器等，也可達到校正目的。當然，每種傳感器都有一定局限性，例如：磁力計易受磁場干擾、加速度計在運動中很難準確利用重力估算傾角、GPS 要在空曠的戶外才能使用等，因此系統(tǒng)須整合多種傳感器來互相補償校正。

至于如何縮短「方位穩(wěn)定時間」(運動之后到精確并穩(wěn)定方位狀態(tài)所需時間) 以降低延遲感？趙延輝認為這取決于傳感器方案及算法。例如，雷射定位的精確度很高，但缺點是響應(yīng)時間慢；應(yīng)對之道是以低噪聲、高輸出數(shù)據(jù)速率的陀螺儀，外加處理能力較強的處理器取代。此外，將系統(tǒng)追蹤移動物體的標記所產(chǎn)生的方位向量，與由傳感器建立、記錄的向量兩相比較時，硬件在接口和時序參數(shù)可能因坐標系變換，導致不兼容或不匹配；故一般在完成整機后要做初始位置校正，之后才能透過坐標系轉(zhuǎn)換得到方位變化信息。

圖5：PLM (精準定位繪圖) 系統(tǒng)奠基于高效傳感器，經(jīng)過濾、處理和云端數(shù)據(jù)庫分析輸出而得
數(shù)據(jù)源：ADI 網(wǎng)站

談到「異質(zhì)傳感器融合」趨勢時，趙延輝透露，據(jù)了解，目前物流業(yè)的確有考慮將 MEMS 與溫／濕度傳感器結(jié)合的意向；至于與其它更多傳感器融合，ADI 覺得為時尚早；一是尚未有足夠的市場胃納量支撐，二是集成更多其它種類的傳感器，極可能由于不同傳感器的良率特性迥異，于系統(tǒng)效能或成本而言，并非優(yōu)化選項。

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