最近，無人機又火了！無論是無人機噴灑消毒水，或是無人機配送，甚至是無人機“喊話”戴口罩，都走進了更廣泛的現(xiàn)實生活，讓大眾對其有了新的認識，而不再是傳統(tǒng)觀念里相對簡單的“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的關(guān)鍵因素之一便是使用了高性能微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器。

事實上，近些年隨著AI在物聯(lián)網(wǎng)的滲透和邊緣計算能力的增強，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，正逐漸成為微型傳感器的主力軍，大有取代傳統(tǒng)機械傳感器的趨勢。

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

“MEMS技術(shù)無處不在，其應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了機器人、智慧城市、醫(yī)療設(shè)備、狀態(tài)監(jiān)測、智慧農(nóng)業(yè)、自動駕駛等生活的各個領(lǐng)域?！盇DI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝指出，專業(yè)調(diào)研機構(gòu)的數(shù)據(jù)也驗證了趙延輝的觀點，據(jù)Yole Développement統(tǒng)計，2018年全球MEMS市場達到116億美元，預(yù)計到2024年將以8.2%的年復(fù)合增長率（CAGR）持續(xù)增長。其中消費類應(yīng)用將占MEMS市場的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)勢明顯，趙延輝就用當(dāng)下熱門的三大應(yīng)用為例詳細介紹了MEMS傳感器在新興市場中的巨大應(yīng)用前景。

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

在物聯(lián)網(wǎng)時代，大多數(shù)的應(yīng)用或多或少都與位置服務(wù)相關(guān)聯(lián)，尤其是對于移動物體，定位需求更為明顯。據(jù)趙延輝提及，中國移動近日投資超3.36億元采購4400套高精度衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站，加緊部署物聯(lián)網(wǎng)，說明了通信運營商進軍高精度位置服務(wù)已經(jīng)進入了實施階段。

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

因此，自動駕駛領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)精度無法只通過高精度衛(wèi)星來保障，基于MEMS傳感器技術(shù)的慣性測量單元（IMU）才是保障自動駕駛的最后一道屏障。因為無論是攝像頭、毫米波雷達、激光雷達，還是衛(wèi)星導(dǎo)航定位，都會受到外部環(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)域進行研究的技術(shù)提供商之一，在乘用車自動駕駛技術(shù)走進大眾視線之前，ADI IMU就已經(jīng)廣泛用在農(nóng)業(yè)自動化中，也就相當(dāng)于低速的L4級自動駕駛。

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，經(jīng)過十多年的創(chuàng)新發(fā)展，其IMU產(chǎn)品在性能持續(xù)提升的同時，尺寸也越來越小。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)“運動物聯(lián)網(wǎng)”的需求及其對精準(zhǔn)地理定位的需求，其性能能夠令系統(tǒng)精確地表征運動，不受湍流、振動、風(fēng)、溫度和其他環(huán)境干擾，從而實現(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)，實現(xiàn)了非常好的振動抑制特性?！壁w延輝強調(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倍以上的振動抑制特性改良與10倍以上的低噪聲加速度傳感器改良?！?/p>

工控安全，檢測先行，基于條件檢測的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)動力，正在中國大地掀起創(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器與我們“對話”，例如實現(xiàn)振動分析和診斷、潤滑分析、紅外熱成像、超聲波測試等。趙延輝表示，現(xiàn)階段，工業(yè)設(shè)備普遍實現(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)測機器的健康狀態(tài)有助于實現(xiàn)預(yù)測性維護，讓行業(yè)人員能夠預(yù)測故障，從而大幅節(jié)省運營成本。在可測物理量中，振動頻譜測量能夠針對旋轉(zhuǎn)機器中的問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OtoSense與Test Motors ，計劃將 OtoSense 的軟件與 Test Motors 的監(jiān)控功能相結(jié)合來創(chuàng)建解決方案，通過捕獲更廣泛的潛在故障為機器提供更先進、全面的健康狀況監(jiān)測。事實上，ADI的狀態(tài)監(jiān)控方案已經(jīng)能夠為客戶提供具備完整的早期異常檢測功能的系統(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)測的高級特性對于狀態(tài)監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，測量范圍是一個重要參數(shù)。趙延輝舉例道：“ADXL100x系列MEMS加速度計可實現(xiàn)高分辨率振動測量，適用于工業(yè)條件大多數(shù)故障（滑動軸承損壞，不平衡，摩擦，松動，齒輪缺陷，軸承磨損和氣蝕）監(jiān)測應(yīng)用。這些加速度計的滿量程范圍為±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，還有助于無線傳感產(chǎn)品的設(shè)計?！?/p>

同時為了簡化設(shè)計，ADI越來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型號實施三軸測量。這款3.3 V電源電壓產(chǎn)品包括3個基于ADXL1002的測量鏈、1個溫度傳感器、1個處理器和1個FIFO。上述所有元器件封裝在一個鋁殼（23.7mm x 26.7mm x 12mm）模組內(nèi)，可以即時安裝在旋轉(zhuǎn)機器上。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，這些特點使其能夠在大量應(yīng)用中捕捉振動特征。

需要指出的是，無論條件監(jiān)控的類型如何，即使采用最智能的監(jiān)控概念，都不能100％保證不會出現(xiàn)意外停機、故障或安全等風(fēng)險，但這些努力足以減少風(fēng)險的出現(xiàn)。正因為如此，越來越多的基于狀態(tài)的監(jiān)測正在成為工業(yè)界的一個關(guān)鍵話題，被視為未來生產(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)施市場創(chuàng)造的新機遇遠不止于此，例如還有最近開始逐漸走進普通人生活中的“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)用的主要推動力。低密度專業(yè)地震監(jiān)測設(shè)備配置高密度輔助地震監(jiān)測設(shè)備（MEMS加速度計），可以增加地震提前預(yù)測的時間，實現(xiàn)更早的預(yù)警。”趙延輝解釋說。

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加速度計最重要的兩個特性就是低噪聲和低功耗。地震有不同的等級，等級越低，振幅越小，要求加速度計必須具備夠低的噪聲辨識。同時低功耗也很重要，畢竟地震發(fā)生的時間不確定，所以必須要MEMS加速度計自鋪設(shè)開始便一直保持正常工作狀態(tài)?！叭绻Y(jié)合這兩個特性，那么ADXL355絕對是市場第一。”趙延輝補充道，“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級以上的地震，因為噪聲主要分辨地震的強度，而功耗則決定了產(chǎn)品的監(jiān)測時間?！?/p>

此外，地震監(jiān)測還有進一步的應(yīng)用拓展，在地震多發(fā)地區(qū)，需要監(jiān)測地震發(fā)生時的震級，如果達到5級或5級以上地震，就要對某些潛在危險進行及時處理，例如自動關(guān)斷家用燃氣以防其由于強震而造成泄露，進而引起中毒或爆炸，阻止二次災(zāi)害的發(fā)生。ADI MEMS加速度計也在其中得到了一些應(yīng)用。

對于此類靈敏應(yīng)用而言，傳感器的長期穩(wěn)定性也是需要考慮的主要因素，這是因為傳感器會受熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的影響。想要改善這個問題，就要注意系統(tǒng)設(shè)計和芯片選型，如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難做到熱應(yīng)力和機械應(yīng)力隔絕的話，最好優(yōu)先考慮陶瓷封裝的器件。

見證MEMS產(chǎn)業(yè)最好的時代

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展給MEMS傳感器帶來了許多新的機遇，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， 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)實力：ADI從1987年開始投入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，聚焦汽車安全氣囊碰撞監(jiān)測應(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，聚焦人體運動監(jiān)測應(yīng)用……歷經(jīng)30余載的經(jīng)驗積淀，ADI用一個又一個“業(yè)界首款”成為當(dāng)今MEMS行業(yè)的領(lǐng)頭羊，也正在見證MEMS產(chǎn)業(yè)最好的時代！