電流消耗低于電池自放電，ADI MEMS加速度計(jì)讓監(jiān)測(cè)“永久在線”

對(duì)于MEMS加速度計(jì)而言，低功耗的追求尚未達(dá)到止境。尤其是在某些對(duì)于功耗敏感的應(yīng)用上，幾十、幾百nW的功耗水平提升，帶來(lái)的可能是系統(tǒng)體驗(yàn)的巨大升級(jí)。

從ADI最新的MEMS加速度計(jì)的表現(xiàn)來(lái)看，在傳感器監(jiān)測(cè)模式下，其電流消耗已經(jīng)低于一個(gè)普通紐扣電池的自放電，可以實(shí)現(xiàn)143年的連續(xù)監(jiān)測(cè)，相比人的平均壽命而言，實(shí)現(xiàn)了“永久在線”。

近日ADI在北京召開(kāi)了MEMS加速度計(jì)新品發(fā)布會(huì)，ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝向記者分享了最新的MEMS產(chǎn)品動(dòng)向。

ADXL367的自我超越：更低功耗、更小體積

早在2012年，ADI就發(fā)布了以超低噪聲和超低功耗為特色的加速度計(jì)——ADXL362，該器件獲得了非常好的市場(chǎng)反饋，十年來(lái)也給ADI帶來(lái)了可觀的財(cái)務(wù)回報(bào)。雖然已經(jīng)發(fā)布了近十年，但目前市場(chǎng)上能夠和ADXL362的功耗水平比肩的加速度計(jì)產(chǎn)品，仍然是少之又少。

雖然ADXL362仍具有強(qiáng)勢(shì)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，但長(zhǎng)期以來(lái)作為MEMS技術(shù)領(lǐng)先者，ADI已經(jīng)將目光投向更遠(yuǎn)方。如下表所示，最新發(fā)布的ADXL367相比ADXL362實(shí)現(xiàn)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(yōu)化實(shí)現(xiàn)了更好的功耗表現(xiàn)；數(shù)字分辨率從12-bit提高到了14-bit，噪聲密度也有顯著提升；數(shù)字接口上也根據(jù)客戶(hù)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(jīng)很低了，但ADXL367的“1.1V”為低功耗系統(tǒng)應(yīng)用賦予了更多的可能。

不同類(lèi)型的電池有著不同的放電曲線特性，有的電池在快沒(méi)電時(shí)會(huì)突然從3V降至1V或零點(diǎn)幾伏，有的電池電壓則會(huì)緩慢下降，對(duì)于某些待機(jī)和功耗敏感的應(yīng)用而言，希望傳感器即便在電池低壓的驅(qū)動(dòng)下，也能夠正常工作。例如助聽(tīng)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?！翱梢韵胂褚幌拢绻麄鞲衅髟陔姵氐蛪旱臅r(shí)候持續(xù)工作，相當(dāng)于在無(wú)形中把系統(tǒng)的使用時(shí)間進(jìn)行了非常強(qiáng)有力的放大?！壁w延輝分享到，“所以說(shuō)基于這樣的應(yīng)用場(chǎng)景考量，ADI把ADXL367的工作電壓做到了在1.1V的時(shí)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(shí)現(xiàn)了非常大的改觀。ADXL362由于MEMS結(jié)構(gòu)上的變化，Z軸上的噪聲密度相比X和Y軸會(huì)大得多，而在ADXL367上X、Y、Z三個(gè)軸的噪聲密度表現(xiàn)是一致的。尤其是低功耗模式下，X、Y、Z三個(gè)軸都做到了375μg/√Hz的水平。

超低噪聲對(duì)于醫(yī)療場(chǎng)景而言更具意義，像在心臟起搏器或心臟條件監(jiān)測(cè)的應(yīng)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(cè)場(chǎng)景中，傳感器噪聲更低就意味著更容易捕捉到呼吸信號(hào)，從而對(duì)設(shè)備佩戴位置的要求不再那么嚴(yán)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?yàn)镮2C的連接必然要增加一個(gè)上拉電阻，上拉電阻也會(huì)產(chǎn)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(tǒng)設(shè)計(jì)角度來(lái)看，選擇SPI接口就可以節(jié)省掉這一個(gè)上拉電阻所帶來(lái)的功耗。

但不少客戶(hù)反饋：他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中亟需I2C接口來(lái)外掛不同類(lèi)型的傳感器。為此，ADXL367上專(zhuān)門(mén)增加了I²C接口來(lái)大幅降低了客戶(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。這時(shí)候一個(gè)I²C上拉電阻的功耗消耗從系統(tǒng)角度來(lái)看就不那么明顯了。當(dāng)然，對(duì)于某些簡(jiǎn)單的系統(tǒng)而言，選擇SPI接口仍是更好的選擇，功耗降低會(huì)更顯著。

【豐富數(shù)字特性】

像TWS耳機(jī)和助聽(tīng)器等可穿戴設(shè)備，需要觸摸、點(diǎn)按一類(lèi)的人機(jī)交互功能，同時(shí)又對(duì)設(shè)備整體外型尺寸非常敏感，所以客戶(hù)會(huì)希望加速度計(jì)本身就具備一定的數(shù)字特性來(lái)滿(mǎn)足這些人機(jī)交互的功能。

因此ADXL367內(nèi)部集成了單擊和雙擊、墜落、活動(dòng)檢測(cè)等功能，不需要用戶(hù)再通過(guò)主處理器針對(duì)輸出波形做算法分析進(jìn)行判斷，從而降低了主機(jī)微處理器的計(jì)算需求，進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)整體功耗優(yōu)化和相應(yīng)提升的效果，也降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)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(yīng)用上，小幅度的功耗降低也可以展現(xiàn)出巨大的體驗(yàn)提升，而這正是ADI在MEMS傳感器上持續(xù)追求低功耗的意義。ADXL367在低功耗的測(cè)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?xún)?nèi)。使用一顆紐扣電池為ADXL367供電，在低功耗模式下，提供100Hz的數(shù)據(jù)輸出速率，可以連續(xù)工作29年；在監(jiān)測(cè)模式下，傳感器的消耗甚至低于電池自放電，可以達(dá)到143年的連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間。

在醫(yī)療領(lǐng)域，尤其是植入式醫(yī)療，傳感器的低功耗對(duì)于系統(tǒng)的意義重大。更低的功耗意味著更長(zhǎng)的電池壽命，像心臟起搏器這種設(shè)備而言，即意味著病人可以減少開(kāi)刀更換設(shè)備的次數(shù)。在工業(yè)領(lǐng)域和某些物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，像山體滑坡監(jiān)測(cè)、井蓋監(jiān)測(cè)等，進(jìn)行電池更換也并不容易，像ADXL367這樣的超長(zhǎng)待機(jī)，就可以免除電池更換的煩惱。

滿(mǎn)足胎壓和電池碰撞監(jiān)測(cè)——ADXL314

針對(duì)新興的汽車(chē)市場(chǎng)應(yīng)用，ADI還推出了一款車(chē)規(guī)級(jí)低功耗低噪聲大量程的三軸加速度計(jì)——ADXL314。

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言，碰撞后的電池安全問(wèn)題非常關(guān)鍵，需要對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。電池廠商希望能夠獲取足夠多的碰撞時(shí)電池信息，根據(jù)電池的受沖擊和受損情況，系統(tǒng)能及時(shí)提供相應(yīng)的保護(hù)措施。雖然電池中有BMS，但BMS的監(jiān)測(cè)周期和對(duì)數(shù)據(jù)的采樣頻率并不高，BMS的監(jiān)測(cè)都需要在主處理器上去進(jìn)行處理，而當(dāng)前和BMS相連的大部分主處理器的頻率僅是幾百M(fèi)的水平，并不能夠應(yīng)對(duì)突然碰撞事件的高頻處理需求，對(duì)于電流和電壓的監(jiān)測(cè)并不能夠做到實(shí)時(shí)反饋。

ADXL314集成相對(duì)運(yùn)動(dòng)、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，或是靜止的檢測(cè)中斷，內(nèi)置32級(jí)的FIFO，可以集成進(jìn)電池包中進(jìn)行碰撞檢測(cè)。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，傳感器可以將碰撞前發(fā)生的32級(jí)FIFO保存的數(shù)據(jù)全部傳輸給傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。ADXL314本身的還具備重力檢測(cè)功能，可以判斷碰撞時(shí)是發(fā)生在平地還是斜坡；運(yùn)動(dòng)判斷功能，可以支持用戶(hù)獲取碰撞的加速度；全面的數(shù)據(jù)采集功能，可以方便用戶(hù)進(jìn)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(gè)方向來(lái)的，而且對(duì)另外兩個(gè)軸線的影響有多大。再者，在積分算速度的時(shí)候，低噪聲可以給用戶(hù)相對(duì)準(zhǔn)確的車(chē)速條件。以上都是ADXL314相較于市場(chǎng)上已有產(chǎn)品的突出優(yōu)勢(shì)?！?

ADXL314在汽車(chē)上的另一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景是胎壓檢測(cè)。不同于傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單壓力傳感的胎壓監(jiān)測(cè)方案，當(dāng)前大部分胎壓監(jiān)測(cè)中集成了加速度計(jì)。加速度計(jì)一是可以作為整個(gè)系統(tǒng)工作的開(kāi)關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到加速度的時(shí)候讓壓力傳感開(kāi)始工作；二是可以將行駛過(guò)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(chǎng)景判斷。

作為汽車(chē)場(chǎng)景的應(yīng)用，ADXL314滿(mǎn)足AEC-Q100車(chē)規(guī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。另外ADI還專(zhuān)門(mén)針對(duì)“耐沖擊”特性進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保證傳感器在10000g加速度沖擊下，無(wú)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(lái)。

客戶(hù)導(dǎo)向，高性?xún)r(jià)比——ADXL359

在2017年ADI發(fā)布了低噪聲中等量程MEMS加速度計(jì)ADXL356和ADXL357，在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、無(wú)人機(jī)和振動(dòng)領(lǐng)域獲得非常好的市場(chǎng)反響。從這部分目標(biāo)客戶(hù)的反饋來(lái)看，對(duì)于加速度計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、振動(dòng)特性和噪聲表現(xiàn)非常滿(mǎn)意，但并不太關(guān)心長(zhǎng)期零點(diǎn)的精準(zhǔn)性，同時(shí)希望產(chǎn)品成本可以進(jìn)一步降低。針對(duì)這些客戶(hù)的需求，ADI發(fā)布了ADXL359，在維持振動(dòng)特性和噪聲性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了成本優(yōu)化。

ADXL359有兩個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景，一個(gè)是CBM應(yīng)用，即條件狀態(tài)監(jiān)測(cè)；一個(gè)是在無(wú)人機(jī)上進(jìn)行飛行狀態(tài)檢測(cè)。

據(jù)悉，CBM應(yīng)用的振動(dòng)分析有三個(gè)最主要指標(biāo)，分別是帶寬、量程和噪聲密度。帶寬是保證能夠檢測(cè)到多少次諧波，ADXL359滿(mǎn)足ISO10816、ISO20816的標(biāo)準(zhǔn)帶寬要求；噪聲密度上ADXL359的三個(gè)軸大概都做到了80μg/√Hz；同時(shí)可以提供高至40g的量程。“對(duì)于振動(dòng)分析，中量程（比如說(shuō)10g到20g）滿(mǎn)足ISO10816、20816的產(chǎn)品，市場(chǎng)上少之又少?！壁w延輝介紹道，“我們?yōu)榱颂钛a(bǔ)這樣的市場(chǎng)空白，推出了ADXL359來(lái)做符合ISO10816、20816的CBM類(lèi)需求?！?

在無(wú)人機(jī)的應(yīng)用中，某些客戶(hù)希望加速度計(jì)和陀螺儀可以分開(kāi)放置，雖然是一個(gè)IMU也需要分開(kāi)放置，這時(shí)ADXL359就非常適合這類(lèi)客戶(hù)。

此外，為了避免振動(dòng)帶來(lái)的影響，無(wú)人機(jī)的傳感器會(huì)通過(guò)減震材料連接到機(jī)架上，這是通過(guò)物理方式進(jìn)行振動(dòng)減少；在電路設(shè)計(jì)中還會(huì)添加低通濾波器進(jìn)行振動(dòng)噪聲濾除。但減震材料隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸老化；遇到更大的振動(dòng)時(shí)，低通濾波器之后的輸出也會(huì)出現(xiàn)漂移。ADXL359有著非常優(yōu)秀的振動(dòng)整流誤差性能，因此即便在振動(dòng)場(chǎng)景中，也能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的姿態(tài)和位置捕捉。

總結(jié)

MEMS傳感器的技術(shù)門(mén)檻較高，稱(chēng)得上是一門(mén)交叉學(xué)科。從材料、機(jī)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(jì)實(shí)現(xiàn)商用化的廠商，更是第一個(gè)做出了汽車(chē)安全囊傳感器。隨著從高可靠的汽車(chē)市場(chǎng)走向了消費(fèi)應(yīng)用市場(chǎng)，ADI已在汽車(chē)和消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)上贏得了堅(jiān)定的客戶(hù)支持。近年來(lái)，ADI持續(xù)在MEMS傳感器創(chuàng)新上自我突破，同時(shí)堅(jiān)持以客戶(hù)需求為導(dǎo)向，成為其在該市場(chǎng)上成功的關(guān)鍵。

據(jù)悉ADI的IMU相關(guān)新品，也有望于近期發(fā)布。