超低功耗MEMS加速度計如何實現(xiàn)造福人類生活的應(yīng)用

MEMS(微機電)是如今炙手可熱的一種傳感器技術(shù)。在個人消費電子設(shè)備方面，它可幫助延伸人體的感官和體驗，衍生出多種有趣應(yīng)用;而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、航空、軍事等行業(yè)，MEMS也得到越來越多的使用，可幫助實現(xiàn)許多造福人類生活的應(yīng)用。

隨著ADI公司一款突破性MEMS加速度計的問世，更多改變人類生活的應(yīng)用將會成為現(xiàn)實。因為它的極低功耗，使得很多需要數(shù)月甚至數(shù)年電池壽命的應(yīng)用得以成真，此類應(yīng)用中更換電池可能不切實際或者對設(shè)備或操作人員有危險。

這款產(chǎn)品就是目前市場上功耗最低的3軸數(shù)字MEMS加速度計ADXL362，在全速測量模式下，數(shù)據(jù)速率為100 Hz時，該器件的功耗為2μA，比相同頻率下工作的競爭MEMS加速度計低80%!

什么應(yīng)用需要“低功耗”加速度計?

那么超低功耗的ADXL362產(chǎn)品究竟可具體在什么應(yīng)用中找到用武之地呢?答案有很多，不勝枚舉，這里我們列舉了在工業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域某些比較典型的應(yīng)用例子(如圖1所示)。

圖1.哪些應(yīng)用需要“超低功耗”MEMS加速度計?

1. 家用燃?xì)獗?需要數(shù)年的電池壽命或上門服務(wù)更換成本高昂)。

例如在地震多發(fā)區(qū)，假設(shè)當(dāng)實際的地震等級超過五級時切斷燃?xì)猓苑乐篂?zāi)害加劇或發(fā)生二次災(zāi)害。那么，這個家用燃?xì)獗砭托枰獌?nèi)置一個加速度計，用來檢測實際發(fā)生地震時的震動波形。但用戶和燃?xì)夤径疾豢赡茈S意就更換這個燃?xì)獗砘螂姵兀詿o論從成本還是方便性角度來考慮，這都是不現(xiàn)實的。所以具有檢測地震功能的燃?xì)獗?，希望其壽命可以達(dá)到十年甚至更長，這樣可以節(jié)省燃?xì)夤镜某杀?，也能提升用戶體驗。這是它在工業(yè)類的一個典型應(yīng)用。

2. 大型畜牧業(yè)農(nóng)場(需要大量替換)。

在大型農(nóng)場中，每一頭牛的身上也要戴一個傳感器。因為在正常狀態(tài)下，牛是有一定的活動規(guī)律的，比如牛在吃草、走步、歡快跳躍的時候，都有一定的頻率，而一旦牛生病了，它的運動行為就會發(fā)生變化。這時就需要檢測牛的運動行為，一旦發(fā)現(xiàn)有變化，就要對它進(jìn)行“隔離審查”，看是否真的有問題。如果這個事件發(fā)現(xiàn)得比較晚，那在牛與牛之間可能已經(jīng)傳染了，所以牧場主一定要及時發(fā)現(xiàn)，否則病情一旦傳播到幾百上千只的話，經(jīng)濟(jì)方面的損失會非常大。牛配戴的傳感器在有問題的時候會通過無線的方式把數(shù)據(jù)發(fā)送到處理中心。所以這個傳感器也是每天要實時工作的。如果每個月都需要給大量的牛更換電池來進(jìn)行監(jiān)測的話，那從成本、人的勞動強度、勞動時間上來說，也都是不可行的。對于需要大量替換的場合，也一定是需要低功耗的解決方案。即使這個低功耗產(chǎn)品只能延長一個月的替換時間，對于用戶體驗及成本節(jié)省，都是非常有幫助的。

3. DARPA Blast Gauge沖擊檢測系統(tǒng)采用ADI MEMS技術(shù)(密閉環(huán)境)。

ADXL362將集成到DARPA第二代Blast Gauge中，該器件由美國羅切斯特理工大學(xué)開發(fā)，并由BlackBox Biometrics公司轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品，用于保護(hù)美國軍隊武裝人員。Blast Gauge既可用作醫(yī)療人員的篩選工具，執(zhí)行爆炸事故后的驗傷分類，也可為研究機構(gòu)提供詳細(xì)數(shù)據(jù)，幫助分析顱腦損傷(TBI)的原因。第一代Blast Gauge使用ADI公司的ADXL345傳感器，已在數(shù)千名赴阿富汗美軍士兵身上配備了一年。BlackBox Biometrics公司首席技術(shù)官David Borkholder表示：“借助ADI公司的高性能MEMS傳感器，Blast Gauge經(jīng)過驗證能夠可靠地檢測我軍人員遭受的震蕩沖擊。由于這些密封器件使用非充電電池，ADXL362大幅延長了其電池壽命。”

4. 運動監(jiān)測產(chǎn)品(更換電池在財務(wù)方面不現(xiàn)實)。

在某些條件下，產(chǎn)品也可以更換電池，但從成本的角度考慮并不合理。比如老年人、殘疾人使用的運動監(jiān)測產(chǎn)品。目前市場上常見的老人手機，可以檢測老人是否有跌倒的情況，如果跌倒后的一段時間內(nèi)，老人沒有任何活動，這就表示摔得比較嚴(yán)重，它會自動通過手機以GPS或GPRS的方式把信息傳到急救中心或老人的兒女。對于這種老年人應(yīng)用的運動監(jiān)測產(chǎn)品，老人可能并不知道何時需要更換電池，在不能使用以后，老人需要求助醫(yī)務(wù)人員或家人來解決。對于這類醫(yī)療應(yīng)用的產(chǎn)品，總是希望產(chǎn)品的工作時間越長越好。這就需要一顆低功耗的運動監(jiān)測產(chǎn)品來幫助解決這個問題。

5. 工業(yè)油氣管道(偏遠(yuǎn)或危險區(qū)域)。

當(dāng)傳輸管道上有漏油或漏氣發(fā)生時，就需要準(zhǔn)確定位整個傳輸管道的哪一段有洞，以便及時安排維修。在如此長的管道上，不可能每天安排人去不停地巡查。因此在工業(yè)油氣管道上，就需要鋪設(shè)大量的傳感器來檢測泄漏，同時實時檢測是否有外力對管道進(jìn)行沖擊、破壞。鋪設(shè)完成后，也不可能經(jīng)常去更換大量傳感器的電池，所以傳感器的電池壽命越久越好。

ADXL362如何體現(xiàn)業(yè)界功耗最低?

現(xiàn)在來看看我們的主角ADXL362究竟在超低功耗方面有何突出亮點。這里有3個關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)可以說明問題，即：

1. 測量電流最低(2 μA)：最大程度降低滿負(fù)荷工作時的電池消耗;

2. 喚醒模式電流最低(300 nA)：優(yōu)化電池壽命;

3. 休眠電流最低(10nA)：優(yōu)化電池壽命。

目前市面上的很多其它的產(chǎn)品也標(biāo)稱是2μA的功耗，甚至是更低。但是這種所謂的低功耗，一般都只是在極低的采樣率比如1Hz(一秒鐘只采一個點)的情況下測量的，此時，雖然器件也工作了，但是一秒鐘一個采樣點，對于前文所提到的應(yīng)用例子，如需要實時檢測是否有沖擊，是否有地震發(fā)生、老人是否跌倒等，1Hz的數(shù)據(jù)采樣率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而ADXL362在100Hz的采樣率下，測量模式典型的電流也只有2μA。所以ADXL362是真正實現(xiàn)了超低功耗，可以最大程度地降低產(chǎn)品滿負(fù)荷工作時的電池消耗，可以采用紐扣電池供電。

在運動檢測喚醒模式下功耗僅為300nA，與最接近的競爭傳感器相比，相同模式下的功耗要低60%。這里所謂的喚醒模式，即假設(shè)物體是靜止的，那么整個系統(tǒng)都可以自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，包括ADXL362器件本身。ADXL362可以自動檢測系統(tǒng)是運動的還是靜止的，并根據(jù)靜止?fàn)顟B(tài)自動進(jìn)入休眠狀態(tài)。而當(dāng)物體是運動的，那么ADXL362器件本身會先把自已喚醒，同時它還可以喚醒整個系統(tǒng)，讓它高速運行，這時，即使在其高速運行的時候，功耗也只有2μA。在這種切換模式下，系統(tǒng)的最低工作電流只有300 nA。