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    [導讀]對于MEMS加速度計而言,低功耗的追求尚未達到止境。尤其是在某些對于功耗敏感的應用上,幾十、幾百nW的功耗水平提升,帶來的可能是系統體驗的巨大升級。

    對于MEMS加速度計而言,低功耗的追求尚未達到止境。尤其是在某些對于功耗敏感的應用上,幾十、幾百nW的功耗水平提升,帶來的可能是系統體驗的巨大升級。

    ADI最新的MEMS加速度計的表現來看,在傳感器監測模式下,其電流消耗已經低于一個普通紐扣電池的自放電,可以實現143年的連續監測,相比人的平均壽命而言,實現了“永久在線”。

    近日ADI在北京召開了MEMS加速度計新品發布會,ADI亞太區微機電產品線總監趙延輝向記者分享了最新的MEMS產品動向。


    ADXL367的自我超越:更低功耗、更小體積

    早在2012年,ADI就發布了以超低噪聲和超低功耗為特色的加速度計——ADXL362,該器件獲得了非常好的市場反饋,十年來也給ADI帶來了可觀的財務回報。雖然已經發布了近十年,但目前市場上能夠和ADXL362的功耗水平比肩的加速度計產品,仍然是少之又少。

    雖然ADXL362仍具有強勢的市場競爭力,但長期以來作為MEMS技術領先者,ADI已經將目光投向更遠方。如下表所示,最新發布的ADXL367相比ADXL362實現了更高的性能突破。首先是尺寸上更??;超低功耗模式電流消耗和供電電壓優化實現了更好的功耗表現;數字分辨率從12-bit提高到了14-bit,噪聲密度也有顯著提升;數字接口上也根據客戶需求添加了I2C。

    【1.1V低壓拓展的意義】

    雖然ADXL362的1.6V供電電壓已經很低了,但ADXL367的“1.1V”為低功耗系統應用賦予了更多的可能。

    不同類型的電池有著不同的放電曲線特性,有的電池在快沒電時會突然從3V降至1V或零點幾伏,有的電池電壓則會緩慢下降,對于某些待機和功耗敏感的應用而言,希望傳感器即便在電池低壓的驅動下,也能夠正常工作。例如助聽器中的鋅空電池要求在1.1V情況下還能夠工作,甚至在某些極端情況下希望0.9V也能夠正常工作?!翱梢韵胂褚幌?,如果傳感器在電池低壓的時候持續工作,相當于在無形中把系統的使用時間進行了非常強有力的放大?!壁w延輝分享到,“所以說基于這樣的應用場景考量,ADI把ADXL367的工作電壓做到了在1.1V的時候依然可以正常地工作?!?

    【噪聲密度降低】

    相比ADXL362,ADXL367在噪聲密度上實現了非常大的改觀。ADXL362由于MEMS結構上的變化,Z軸上的噪聲密度相比X和Y軸會大得多,而在ADXL367上X、Y、Z三個軸的噪聲密度表現是一致的。尤其是低功耗模式下,X、Y、Z三個軸都做到了375μg/√Hz的水平。

    超低噪聲對于醫療場景而言更具意義,像在心臟起搏器或心臟條件監測的應用中,傳感器的噪聲更低就可以捕捉到更微小的心臟變化;在呼吸檢測場景中,傳感器噪聲更低就意味著更容易捕捉到呼吸信號,從而對設備佩戴位置的要求不再那么嚴苛。

    【I2C的回歸】

    在ADXL362中出于低功耗的考慮,并未提供I2C的接口,只提供了SPI的接口。這是因為I2C的連接必然要增加一個上拉電阻,上拉電阻也會產生一定的功耗,甚至可能消耗的電能比傳感器本身還要多,從系統設計角度來看,選擇SPI接口就可以節省掉這一個上拉電阻所帶來的功耗。

    但不少客戶反饋:他們的系統設計中亟需I2C接口來外掛不同類型的傳感器。為此,ADXL367上專門增加了I2C接口來大幅降低了客戶系統設計的復雜度。這時候一個I2C上拉電阻的功耗消耗從系統角度來看就不那么明顯了。當然,對于某些簡單的系統而言,選擇SPI接口仍是更好的選擇,功耗降低會更顯著。

    【豐富數字特性】

    像TWS耳機和助聽器等可穿戴設備,需要觸摸、點按一類的人機交互功能,同時又對設備整體外型尺寸非常敏感,所以客戶會希望加速度計本身就具備一定的數字特性來滿足這些人機交互的功能。

    因此ADXL367內部集成了單擊和雙擊、墜落、活動檢測等功能,不需要用戶再通過主處理器針對輸出波形做算法分析進行判斷,從而降低了主機微處理器的計算需求,進而達到系統整體功耗優化和相應提升的效果,也降低了系統的設計復雜度。除了以上特性外,ADXL367還集成了自檢(self test)、溫度傳感器等功能。

    【超低功耗的意義】

    在某些功耗敏感的應用上,小幅度的功耗降低也可以展現出巨大的體驗提升,而這正是ADI在MEMS傳感器上持續追求低功耗的意義。ADXL367在低功耗的測量模式下,器件整體功耗大概只有970nW,超低噪聲模式下也在2000nW以內。使用一顆紐扣電池為ADXL367供電,在低功耗模式下,提供100Hz的數據輸出速率,可以連續工作29年;在監測模式下,傳感器的消耗甚至低于電池自放電,可以達到143年的連續監測時間。

    在醫療領域,尤其是植入式醫療,傳感器的低功耗對于系統的意義重大。更低的功耗意味著更長的電池壽命,像心臟起搏器這種設備而言,即意味著病人可以減少開刀更換設備的次數。在工業領域和某些物聯網場景中,像山體滑坡監測、井蓋監測等,進行電池更換也并不容易,像ADXL367這樣的超長待機,就可以免除電池更換的煩惱。


    滿足胎壓和電池碰撞監測——ADXL314

    針對新興的汽車市場應用,ADI還推出了一款車規級低功耗低噪聲大量程的三軸加速度計——ADXL314。

    對于電動汽車而言,碰撞后的電池安全問題非常關鍵,需要對電池進行實時的狀態監測。電池廠商希望能夠獲取足夠多的碰撞時電池信息,根據電池的受沖擊和受損情況,系統能及時提供相應的保護措施。雖然電池中有BMS,但BMS的監測周期和對數據的采樣頻率并不高,BMS的監測都需要在主處理器上去進行處理,而當前和BMS相連的大部分主處理器的頻率僅是幾百M的水平,并不能夠應對突然碰撞事件的高頻處理需求,對于電流和電壓的監測并不能夠做到實時反饋。

    ADXL314集成相對運動、絕對運動,或是靜止的檢測中斷,內置32級的FIFO,可以集成進電池包中進行碰撞檢測。當碰撞發生時,傳感器可以將碰撞前發生的32級FIFO保存的數據全部傳輸給傳感器進行數據分析和處理。ADXL314本身的還具備重力檢測功能,可以判斷碰撞時是發生在平地還是斜坡;運動判斷功能,可以支持用戶獲取碰撞的加速度;全面的數據采集功能,可以方便用戶進行事故后的分析。

    趙延輝表示,“ADXL314可以在比較小的加速度情況下判斷沖擊到底是從哪個方向來的,而且對另外兩個軸線的影響有多大。再者,在積分算速度的時候,低噪聲可以給用戶相對準確的車速條件。以上都是ADXL314相較于市場上已有產品的突出優勢?!?

    ADXL314在汽車上的另一個典型的應用場景是胎壓檢測。不同于傳統的簡單壓力傳感的胎壓監測方案,當前大部分胎壓監測中集成了加速度計。加速度計一是可以作為整個系統工作的開關,當檢測到加速度的時候讓壓力傳感開始工作;二是可以將行駛過程中采集到的加速度積分成速度信息,配合給出胎壓信息更多的場景判斷。

    作為汽車場景的應用,ADXL314滿足AEC-Q100車規認證標準。另外ADI還專門針對“耐沖擊”特性進行了設計,保證傳感器在10000g加速度沖擊下,無論是帶電還是不帶電的情況下,傳感器都可以正常地存活下來。


    客戶導向,高性價比——ADXL359

    在2017年ADI發布了低噪聲中等量程MEMS加速度計ADXL356和ADXL357,在農業自動化、無人機和振動領域獲得非常好的市場反響。從這部分目標客戶的反饋來看,對于加速度計的長期穩定性、振動特性和噪聲表現非常滿意,但并不太關心長期零點的精準性,同時希望產品成本可以進一步降低。針對這些客戶的需求,ADI發布了ADXL359,在維持振動特性和噪聲性能的同時,實現了成本優化。

    ADXL359有兩個典型應用場景,一個是CBM應用,即條件狀態監測;一個是在無人機上進行飛行狀態檢測。

    據悉,CBM應用的振動分析有三個最主要指標,分別是帶寬、量程和噪聲密度。帶寬是保證能夠檢測到多少次諧波,ADXL359滿足ISO10816、ISO20816的標準帶寬要求;噪聲密度上ADXL359的三個軸大概都做到了80μg/√Hz;同時可以提供高至40g的量程?!皩τ谡駝臃治?,中量程(比如說10g到20g)滿足ISO10816、20816的產品,市場上少之又少?!壁w延輝介紹道,“我們為了填補這樣的市場空白,推出了ADXL359來做符合ISO10816、20816的CBM類需求?!?

    在無人機的應用中,某些客戶希望加速度計和陀螺儀可以分開放置,雖然是一個IMU也需要分開放置,這時ADXL359就非常適合這類客戶。

    此外,為了避免振動帶來的影響,無人機的傳感器會通過減震材料連接到機架上,這是通過物理方式進行振動減少;在電路設計中還會添加低通濾波器進行振動噪聲濾除。但減震材料隨著時間的推移會逐漸老化;遇到更大的振動時,低通濾波器之后的輸出也會出現漂移。ADXL359有著非常優秀的振動整流誤差性能,因此即便在振動場景中,也能夠進行準確的姿態和位置捕捉。


    總結

    MEMS傳感器的技術門檻較高,稱得上是一門交叉學科。從材料、機械、電路和封裝形式上都要有所考慮。ADI是第一家將MEMS加速度計實現商用化的廠商,更是第一個做出了汽車安全囊傳感器。隨著從高可靠的汽車市場走向了消費應用市場,ADI已在汽車和消費類市場上贏得了堅定的客戶支持。近年來,ADI持續在MEMS傳感器創新上自我突破,同時堅持以客戶需求為導向,成為其在該市場上成功的關鍵。

    據悉ADI的IMU相關新品,也有望于近期發布。

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