最近，無(wú)人機(jī)又火了!無(wú)論是無(wú)人機(jī)噴灑消毒水，或是無(wú)人機(jī)配送，甚至是無(wú)人機(jī)“喊話”戴口罩，都走進(jìn)了更廣泛的現(xiàn)實(shí)生活，讓大眾對(duì)其有了新的認(rèn)識(shí)，而不再是傳統(tǒng)觀念里相對(duì)簡(jiǎn)單的“玩具”。究其原因，其飛行能力顯著提高，使其更安全、更穩(wěn)定、更易于控制這一改進(jìn)的關(guān)鍵因素之一便是使用了高性能微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器。

事實(shí)上，近些年隨著AI在物聯(lián)網(wǎng)的滲透和邊緣計(jì)算能力的增強(qiáng)，MEMS傳感器憑借體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為微型傳感器的主力軍，大有取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的趨勢(shì)。

ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝在ADI中國(guó)25周年媒體技術(shù)日發(fā)表演講

“MEMS技術(shù)無(wú)處不在，其應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了機(jī)器人、智慧城市、醫(yī)療設(shè)備、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)、自動(dòng)駕駛等生活的各個(gè)領(lǐng)域。”ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝指出，專業(yè)調(diào)研機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了趙延輝的觀點(diǎn)，據(jù)Yole Développement統(tǒng)計(jì)，2018年全球MEMS市場(chǎng)達(dá)到116億美元，預(yù)計(jì)到2024年將以8.2%的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)持續(xù)增長(zhǎng)。其中消費(fèi)類應(yīng)用將占MEMS市場(chǎng)的60%，汽車應(yīng)用則占20%，其余的20%包括電信、醫(yī)療、工業(yè)和航空等應(yīng)用。MEMS傳感器優(yōu)勢(shì)明顯，趙延輝就用當(dāng)下熱門的三大應(yīng)用為例詳細(xì)介紹了MEMS傳感器在新興市場(chǎng)中的巨大應(yīng)用前景。

拒絕干擾，基于MEMS傳感器的IMU充當(dāng)自動(dòng)駕駛“最后一道屏障”

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，大多數(shù)的應(yīng)用或多或少都與位置服務(wù)相關(guān)聯(lián)，尤其是對(duì)于移動(dòng)物體，定位需求更為明顯。據(jù)趙延輝提及，中國(guó)移動(dòng)近日投資超3.36億元采購(gòu)4400套高精度衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站，加緊部署物聯(lián)網(wǎng)，說(shuō)明了通信運(yùn)營(yíng)商進(jìn)軍高精度位置服務(wù)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)施階段。

作為高精度位置服務(wù)的典型應(yīng)用場(chǎng)景，自動(dòng)駕駛也在爭(zhēng)議中不斷發(fā)展，其涉及的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)多、產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，加速自動(dòng)駕駛的商業(yè)化落地離不開(kāi)所有相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的并駕齊驅(qū)。

因此，自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)精度無(wú)法只通過(guò)高精度衛(wèi)星來(lái)保障，基于MEMS傳感器技術(shù)的慣性測(cè)量單元(IMU)才是保障自動(dòng)駕駛的最后一道屏障。因?yàn)闊o(wú)論是攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)，還是衛(wèi)星導(dǎo)航定位，都會(huì)受到外部環(huán)境的影響，只有基于IMU的慣性導(dǎo)航能夠完全不受外界環(huán)境的影響地為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供連續(xù)、高精度、高可靠的車輛位置、方向、速度等多維度的信息，保障車輛的安全行駛。

ADI是最早在此領(lǐng)域進(jìn)行研究的技術(shù)提供商之一，在乘用車自動(dòng)駕駛技術(shù)走進(jìn)大眾視線之前，ADI IMU就已經(jīng)廣泛用在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化中，也就相當(dāng)于低速的L4級(jí)自動(dòng)駕駛。

ADI的IMU應(yīng)用與產(chǎn)品線也非常廣泛，自2007年推出了首款I(lǐng)MU產(chǎn)品以來(lái)，經(jīng)過(guò)十多年的創(chuàng)新發(fā)展，其IMU產(chǎn)品在性能持續(xù)提升的同時(shí)，尺寸也越來(lái)越小。據(jù)趙延輝透露，去年11月，ADI推出了最新量產(chǎn)的IMU產(chǎn)品ADIS1650x系列，更注重工業(yè)“運(yùn)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)”的需求及其對(duì)精準(zhǔn)地理定位的需求，其性能能夠令系統(tǒng)精確地表征運(yùn)動(dòng)，不受湍流、振動(dòng)、風(fēng)、溫度和其他環(huán)境干擾，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的導(dǎo)航和引導(dǎo)?！半m然ADIS1650x體積減小很多，但依然采用了差分結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了非常好的振動(dòng)抑制特性。”趙延輝強(qiáng)調(diào)道：“ADIS1650x系列IMU與其他同類高精度產(chǎn)品相比，擁有5倍寬的動(dòng)態(tài)范圍，用以適應(yīng)極端情況;2倍寬的帶寬，用以捕捉急速變化;10倍以上的振動(dòng)抑制特性改良與10倍以上的低噪聲加速度傳感器改良?！?

工控安全，檢測(cè)先行，基于條件檢測(cè)的ADI工業(yè)控制解決方案

新制造作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力，正在中國(guó)大地掀起創(chuàng)新熱潮。在智能化工業(yè)生產(chǎn)中，MEMS傳感器正在讓冰冷的機(jī)器與我們“對(duì)話”，例如實(shí)現(xiàn)振動(dòng)分析和診斷、潤(rùn)滑分析、紅外熱成像、超聲波測(cè)試等。趙延輝表示，現(xiàn)階段，工業(yè)設(shè)備普遍實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和互聯(lián)互通，且正在助力生產(chǎn)工具變革。使用IIoT(工業(yè)物聯(lián)網(wǎng))監(jiān)測(cè)機(jī)器的健康狀態(tài)有助于實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，讓行業(yè)人員能夠預(yù)測(cè)故障，從而大幅節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。在可測(cè)物理量中，振動(dòng)頻譜測(cè)量能夠針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的問(wèn)題的根源提供最多信息，已被可靠地應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)用中的最關(guān)鍵設(shè)備。

從2018年起，ADI接連收購(gòu)OtoSense與Test Motors ，計(jì)劃將 OtoSense 的軟件與 Test Motors 的監(jiān)控功能相結(jié)合來(lái)創(chuàng)建解決方案，通過(guò)捕獲更廣泛的潛在故障為機(jī)器提供更先進(jìn)、全面的健康狀況監(jiān)測(cè)。事實(shí)上，ADI的狀態(tài)監(jiān)控方案已經(jīng)能夠?yàn)榭蛻籼峁┚邆渫暾脑缙诋惓z測(cè)功能的系統(tǒng)了，其中各類精準(zhǔn)的MEMS傳感器也在其中發(fā)揮了舉足輕重的作用。

支持結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的高級(jí)特性對(duì)于狀態(tài)監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，測(cè)量范圍是一個(gè)重要參數(shù)。趙延輝舉例道：“ADXL100x系列MEMS加速度計(jì)可實(shí)現(xiàn)高分辨率振動(dòng)測(cè)量，適用于工業(yè)條件大多數(shù)故障(滑動(dòng)軸承損壞，不平衡，摩擦，松動(dòng)，齒輪缺陷，軸承磨損和氣蝕)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。這些加速度計(jì)的滿量程范圍為±100g(ADXL1001)、±50g(ADXL1002)和±500g(ADXL1004)，在較寬的頻率范圍內(nèi)具有25μg/√Hz至125μg/√Hz的超低噪聲密度。此外，這些加速度計(jì)具有集成的全靜電自檢(ST)功能和超范圍(OR)指示特性，采用3.3V至5.25V單電源供電，功耗低，還有助于無(wú)線傳感產(chǎn)品的設(shè)計(jì)?！?

同時(shí)為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，ADI越來(lái)越多提供從元器件到完整功能模塊產(chǎn)品，例如ADI提供的一套完整的解決方案采用ADcmXL3021型號(hào)實(shí)施三軸測(cè)量。這款3.3 V電源電壓產(chǎn)品包括3個(gè)基于ADXL1002的測(cè)量鏈、1個(gè)溫度傳感器、1個(gè)處理器和1個(gè)FIFO。上述所有元器件封裝在一個(gè)鋁殼(23.7mm x 26.7mm x 12mm)模組內(nèi)，可以即時(shí)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)器上。該產(chǎn)品的全尺寸為±50g，具有僅25μg/√Hz的極低噪聲水平和10kHz帶寬，這些特點(diǎn)使其能夠在大量應(yīng)用中捕捉振動(dòng)特征。

需要指出的是，無(wú)論條件監(jiān)控的類型如何，即使采用最智能的監(jiān)控概念，都不能100%保證不會(huì)出現(xiàn)意外停機(jī)、故障或安全等風(fēng)險(xiǎn)，但這些努力足以減少風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)。正因?yàn)槿绱?，越?lái)越多的基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)正在成為工業(yè)界的一個(gè)關(guān)鍵話題，被視為未來(lái)生產(chǎn)設(shè)施可持續(xù)成功的明確先決條件。

“網(wǎng)紅”應(yīng)用——地震預(yù)警系統(tǒng)背后的關(guān)鍵指標(biāo)

MEMS傳感器在工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)創(chuàng)造的新機(jī)遇遠(yuǎn)不止于此，例如還有最近開(kāi)始逐漸走進(jìn)普通人生活中的“網(wǎng)紅”應(yīng)用——地震預(yù)警系統(tǒng)。“MEMS加速度計(jì)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展正是這一‘網(wǎng)紅’應(yīng)用的主要推動(dòng)力。低密度專業(yè)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備配置高密度輔助地震監(jiān)測(cè)設(shè)備(MEMS加速度計(jì))，可以增加地震提前預(yù)測(cè)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)更早的預(yù)警?！壁w延輝解釋說(shuō)。

地震波按傳播方式分為三種類型：縱波(P波)、橫波(S波)、面波(L波)，縱波傳播速度較快、破壞力較小，S波傳播速度較慢，與P波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波破壞力巨大，地震系統(tǒng)就是利用縱波傳輸速度最快，檢測(cè)到縱波以后，利用通信網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸發(fā)出預(yù)警。

因此，地震預(yù)警系統(tǒng)里的MEMS加速度計(jì)最重要的兩個(gè)特性就是低噪聲和低功耗。地震有不同的等級(jí)，等級(jí)越低，振幅越小，要求加速度計(jì)必須具備夠低的噪聲辨識(shí)。同時(shí)低功耗也很重要，畢竟地震發(fā)生的時(shí)間不確定，所以必須要MEMS加速度計(jì)自鋪設(shè)開(kāi)始便一直保持正常工作狀態(tài)。“如果結(jié)合這兩個(gè)特性，那么ADXL355絕對(duì)是市場(chǎng)第一?！壁w延輝補(bǔ)充道，“當(dāng)然，ADI提供的ADXL362比ADXL355功耗低很多，但它的噪聲也很高，就僅適用于5級(jí)以上的地震，因?yàn)樵肼曋饕直娴卣鸬膹?qiáng)度，而功耗則決定了產(chǎn)品的監(jiān)測(cè)時(shí)間?！?

此外，地震監(jiān)測(cè)還有進(jìn)一步的應(yīng)用拓展，在地震多發(fā)地區(qū)，需要監(jiān)測(cè)地震發(fā)生時(shí)的震級(jí)，如果達(dá)到5級(jí)或5級(jí)以上地震，就要對(duì)某些潛在危險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)處理，例如自動(dòng)關(guān)斷家用燃?xì)庖苑榔溆捎趶?qiáng)震而造成泄露，進(jìn)而引起中毒或爆炸，阻止二次災(zāi)害的發(fā)生。ADI MEMS加速度計(jì)也在其中得到了一些應(yīng)用。

對(duì)于此類靈敏應(yīng)用而言，傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也是需要考慮的主要因素，這是因?yàn)閭鞲衅鲿?huì)受熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的影響。想要改善這個(gè)問(wèn)題，就要注意系統(tǒng)設(shè)計(jì)和芯片選型，如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難做到熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力隔絕的話，最好優(yōu)先考慮陶瓷封裝的器件。

見(jiàn)證MEMS產(chǎn)業(yè)最好的時(shí)代

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展給MEMS傳感器帶來(lái)了許多新的機(jī)遇，例如智能家居、可穿戴設(shè)備、智慧工業(yè)、智慧醫(yī)療、智慧交通等。在趙延輝看來(lái)， MEMS產(chǎn)業(yè)漫漫發(fā)展歷程中，ADI多次以創(chuàng)新的里程碑式產(chǎn)品彰顯了自身的技術(shù)實(shí)力：ADI從1987年開(kāi)始投入MEMS傳感器的研發(fā)，也是業(yè)界最早從事MEMS研發(fā)的公司;1991年，ADI發(fā)布了業(yè)界第一顆高g值MEMS加速度計(jì)，聚焦汽車安全氣囊碰撞監(jiān)測(cè)應(yīng)用，引領(lǐng)了幾乎十年的MEMS傳感器研究方向;1996年，發(fā)布了業(yè)界第一顆Low-g MEMS傳感器，聚焦人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用……歷經(jīng)30余載的經(jīng)驗(yàn)積淀，ADI用一個(gè)又一個(gè)“業(yè)界首款”成為當(dāng)今MEMS行業(yè)的領(lǐng)頭羊，也正在見(jiàn)證MEMS產(chǎn)業(yè)最好的時(shí)代!