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    擁抱Hot級應用場景,ADI這樣玩轉MEMS傳感器

    52RD.com 2020年2月25日 我愛研發網            參與:5人 我來說兩句
      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實生活,讓大眾對其有了新的認識,而不再是傳統觀念里相對簡單的“玩具”。究其原因,其飛行能力顯著提高,使其更安全、更穩定、更易于控制這一改進的關鍵因素之一便是使用了高性能微機電系統(MEMS)傳感器。
      
      事實上,近些年隨著AI在物聯網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點,正逐漸成為微型傳感器的主力軍,大有取代傳統機械傳感器的趨勢。
    ADI亞太區微機電產品線總監趙延輝在ADI中國25周年媒體技術日發表演講
      
      “MEMS技術無處不在,其應用已經覆蓋了機器人、智慧城市、醫療設備、狀態監測、智慧農業、自動駕駛等生活的各個領域!盇DI亞太區微機電產品線總監趙延輝指出,專業調研機構的數據也驗證了趙延輝的觀點,據Yole Développement統計,2018年全球MEMS市場達到116億美元,預計到2024年將以8.2%的年復合增長率(CAGR)持續增長。其中消費類應用將占MEMS市場的60%,汽車應用則占20%,其余的20%包括電信、醫療、工業和航空等應用。MEMS傳感器優勢明顯,趙延輝就用當下熱門的三大應用為例詳細介紹了MEMS傳感器在新興市場中的巨大應用前景。
      
      拒絕干擾,基于MEMS傳感器的IMU充當自動駕駛“最后一道屏障”
      
      在物聯網時代,大多數的應用或多或少都與位置服務相關聯,尤其是對于移動物體,定位需求更為明顯。據趙延輝提及,中國移動近日投資超3.36億元采購4400套高精度衛星定位基準站,加緊部署物聯網,說明了通信運營商進軍高精度位置服務已經進入了實施階段。
      
      作為高精度位置服務的典型應用場景,自動駕駛也在爭議中不斷發展,其涉及的關鍵技術環節多、產業鏈長,加速自動駕駛的商業化落地離不開所有相關產業和技術的并駕齊驅。
      
      因此,自動駕駛領域的導航系統精度無法只通過高精度衛星來保障,基于MEMS傳感器技術的慣性測量單元(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,還是衛星導航定位,都會受到外部環境的影響,只有基于IMU的慣性導航能夠完全不受外界環境的影響地為自動駕駛系統提供連續、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是最早在此領域進行研究的技術提供商之一,在乘用車自動駕駛技術走進大眾視線之前,ADI IMU就已經廣泛用在農業自動化中,也就相當于低速的L4級自動駕駛。
      
      ADI的IMU應用與產品線也非常廣泛,自2007年推出了首款IMU產品以來,經過十多年的創新發展,其IMU產品在性能持續提升的同時,尺寸也越來越小。據趙延輝透露,去年11月,ADI推出了最新量產的IMU產品ADIS1650x系列,更注重工業“運動物聯網”的需求及其對精準地理定位的需求,其性能能夠令系統精確地表征運動,不受湍流、振動、風、溫度和其他環境干擾,從而實現更精準的導航和引導!半m然ADIS1650x體積減小很多,但依然采用了差分結構,實現了非常好的振動抑制特性!壁w延輝強調道:“ADIS1650x系列IMU與其他同類高精度產品相比,擁有5倍寬的動態范圍,用以適應極端情況;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!
      
      工控安全,檢測先行,基于條件檢測的ADI工業控制解決方案
      
      新制造作為新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力,正在中國大地掀起創新熱潮。在智能化工業生產中,MEMS傳感器正在讓冰冷的機器與我們“對話”,例如實現振動分析和診斷、潤滑分析、紅外熱成像、超聲波測試等。趙延輝表示,現階段,工業設備普遍實現了數字化和互聯互通,且正在助力生產工具變革。使用IIoT(工業物聯網)監測機器的健康狀態有助于實現預測性維護,讓行業人員能夠預測故障,從而大幅節省運營成本。在可測物理量中,振動頻譜測量能夠針對旋轉機器中的問題的根源提供最多信息,已被可靠地應用于各種工業應用中的最關鍵設備。
      
      從2018年起,ADI接連收購OtoSense與Test Motors ,計劃將 OtoSense 的軟件與 Test Motors 的監控功能相結合來創建解決方案,通過捕獲更廣泛的潛在故障為機器提供更先進、全面的健康狀況監測。事實上,ADI的狀態監控方案已經能夠為客戶提供具備完整的早期異常檢測功能的系統了,其中各類精準的MEMS傳感器也在其中發揮了舉足輕重的作用。
      
      支持結構健康監測的高級特性對于狀態監控和結構健康監測,測量范圍是一個重要參數。趙延輝舉例道:“ADXL100x系列MEMS加速度計可實現高分辨率振動測量,適用于工業條件大多數故障(滑動軸承損壞,不平衡,摩擦,松動,齒輪缺陷,軸承磨損和氣蝕)監測應用。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品的設計!
      
      同時為了簡化設計,ADI越來越多提供從元器件到完整功能模塊產品,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,可以即時安裝在旋轉機器上。該產品的全尺寸為±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用中捕捉振動特征。
      
      需要指出的是,無論條件監控的類型如何,即使采用最智能的監控概念,都不能100%保證不會出現意外停機、故障或安全等風險,但這些努力足以減少風險的出現。正因為如此,越來越多的基于狀態的監測正在成為工業界的一個關鍵話題,被視為未來生產設施可持續成功的明確先決條件。
      
      “網紅”應用——地震預警系統背后的關鍵指標
      
      MEMS傳感器在工業和基礎設施市場創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“網紅”應用——地震預警系統!癕EMS加速度計和大數據技術的發展正是這一‘網紅’應用的主要推動力。低密度專業地震監測設備配置高密度輔助地震監測設備(MEMS加速度計),可以增加地震提前預測的時間,實現更早的預警!壁w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產生的混合波破壞力巨大,地震系統就是利用縱波傳輸速度最快,檢測到縱波以后,利用通信網絡的高速傳輸發出預警。
      
      因此,地震預警系統里的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,畢竟地震發生的時間不確定,所以必須要MEMS加速度計自鋪設開始便一直保持正常工作狀態!叭绻Y合這兩個特性,那么ADXL355絕對是市場第一!壁w延輝補充道,“當然,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,而功耗則決定了產品的監測時間!
      
      此外,地震監測還有進一步的應用拓展,在地震多發地區,需要監測地震發生時的震級,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,阻止二次災害的發生。ADI MEMS加速度計也在其中得到了一些應用。
      
      對于此類靈敏應用而言,傳感器的長期穩定性也是需要考慮的主要因素,這是因為傳感器會受熱應力和機械應力的影響。想要改善這個問題,就要注意系統設計和芯片選型,如果系統結構很難做到熱應力和機械應力隔絕的話,最好優先考慮陶瓷封裝的器件。
      
      見證MEMS產業最好的時代
      
      物聯網的快速發展給MEMS傳感器帶來了許多新的機遇,例如智能家居、可穿戴設備、智慧工業、智慧醫療、智慧交通等。在趙延輝看來, MEMS產業漫漫發展歷程中,ADI多次以創新的里程碑式產品彰顯了自身的技術實力:ADI從1987年開始投入MEMS傳感器的研發,也是業界最早從事MEMS研發的公司;1991年,ADI發布了業界第一顆高g值MEMS加速度計,聚焦汽車安全氣囊碰撞監測應用,引領了幾乎十年的MEMS傳感器研究方向;1996年,發布了業界第一顆Low-g MEMS傳感器,聚焦人體運動監測應用……歷經30余載的經驗積淀,ADI用一個又一個“業界首款”成為當今MEMS行業的領頭羊,也正在見證MEMS產業最好的時代!52RD.com  微博關注:http://weibo.com/52rd  微信關注:admin_52RD
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