超低功耗MEMS加速度計如何實現(xiàn)造福人類生活的應用

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用。

隨著ADI公司一款突破性MEMS加速度計的問世，更多改變?nèi)祟惿畹膽脤蔀楝F(xiàn)實。因為它的極低功耗，使得很多需要數(shù)月甚至數(shù)年電池壽命的應用得以成真，此類應用中更換電池可能不切實際或者對設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用例子(如圖1所示)。

圖1.哪些應用需要“超低功耗”MEMS加速度計?

1. 家用燃氣表(需要數(shù)年的電池壽命或上門服務更換成本高昂)。

例如在地震多發(fā)區(qū)，假設當實際的地震等級超過五級時切斷燃氣，以防止災害加劇或發(fā)生二次災害。那么，這個家用燃氣表就需要內(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。但用戶和燃氣公司都不可能隨意就更換這個燃氣表或電池，所以無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氣表，希望其壽命可以達到十年甚至更長，這樣可以節(jié)省燃氣公司的成本，也能提升用戶體驗。這是它在工業(yè)類的一個典型應用。

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開發(fā)，并由BlackBox Biometrics公司轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品，用于保護美國軍隊武裝人員。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)務人員或家人來解決。對于這類醫(yī)療應用的產(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(偏遠或危險區(qū)域)。

當傳輸管道上有漏油或漏氣發(fā)生時，就需要準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行沖擊、破壞。鋪設完成后，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)指標可以說明問題，即：

1. 測量電流最低(2 μA)：最大程度降低滿負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)采樣率是遠遠不夠的。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，即假設物體是靜止的，那么整個系統(tǒng)都可以自動進入休眠狀態(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)靜止狀態(tài)自動進入休眠狀態(tài)。而當物體是運動的，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。

判斷一個器件是否真的是低功耗，一定還要看它的休眠電流是否足夠低，休眠電流表示器件本身的設計是否能夠滿足漏電流足夠小。而ADXL362的漏電流僅為10nA，到目前為止，還沒有任何一個產(chǎn)品，包括ADI自己的產(chǎn)品也不能做到這么低的休眠電流。

輸出數(shù)據(jù)速率最高可達400Hz，采用2V的電源，在運動激活喚醒模式下，其功耗僅為300nA,采用2.5V電源時，競爭器件可使100Hz時的功耗降到了10μA(8bit分辨率)到20μA之間，使400Hz時的功耗降到了35μA(8bit分辨率)至80μA之間，而ADI把這兩種情況下的功耗分別降到了2μA和4μA(12bit分辨率)，如下圖2所示。

圖2. ADXL362與競爭器件的功耗指標比較圖

競爭器件在不進行測量時，即使在待機模式下，其功耗一般也有500nA，這比ADXL362在喚醒模式下以6Hz的有效速率檢測運動時的功耗要高60%。

更可實現(xiàn)系統(tǒng)級省電!

ADXL362器件不但擁有出色的功耗表現(xiàn)，同時還具備多種其他關(guān)鍵特性，可輕松實現(xiàn)系統(tǒng)級功效，ADXL362可以作為智能、連續(xù)運行運動開關(guān)的一部分，該器件有一個喚醒狀態(tài)引腳，可以自動觸發(fā)一個開關(guān)，該開關(guān)將打開系統(tǒng)功能，完全繞過處理器。

圖3. 傳統(tǒng)的MEMS加速度計解決方案

圖3所示為傳統(tǒng)的MEMS加速度計方案，當有運動時，系統(tǒng)將正常工作，沒有運動時，加速度計將給處理器發(fā)出非運動信號，處理器將使整個系統(tǒng)(包括它自己)進入待機狀態(tài)，待機電流仍然由系統(tǒng)消耗，在一個擁有多個元件的系統(tǒng)中，這點電流會變得很重要。

相反，ADXL362可以在處理器不干擾的情況下，自動驅(qū)動一個開關(guān)，控制是否向系統(tǒng)供電。圖4所示為采用ADXL362的低功耗加速度計解決方案。

圖4. 采用ADXL362的低功耗MEMS加速度計解決方案

當有運動時，系統(tǒng)將正常工作，當沒有運動時，系統(tǒng)絕對不消耗電流。ADXL362集成了一種增強型活動檢測功能，可以區(qū)分各種不同的運動，此功能可用來防止系統(tǒng)在不必要時打開，簡單而言，當系統(tǒng)應該關(guān)閉時，系統(tǒng)就是關(guān)閉的。

ADXL362 MEMS加速度計還嵌入了一個內(nèi)部FIFO存儲器模塊，使系統(tǒng)設計人員可記錄數(shù)據(jù)并輸出長數(shù)據(jù)流，從而降低處理器負載并節(jié)省額外系統(tǒng)功率。ADXL362有最深的FIFO深度。它的好處在于，當CPU休眠的時候，功耗很低，但器件喚醒它需要時間，而在喚醒的過程中，系統(tǒng)也想知道這時候的加速度計發(fā)生了什么，具體的物體運動狀態(tài)發(fā)生了什么變化，但CPU喚醒需要時間，而這個時候如果數(shù)據(jù)丟了該怎么辦?

ADXL362可以解決這樣的問題，因為深FIFO可以存儲大量的數(shù)據(jù)，可以給系統(tǒng)的CPU足夠的喚醒時間。而且同時保證所有的數(shù)據(jù)采集都是實時的，不會有數(shù)據(jù)點的丟失。

實驗室電路：超低功耗獨立運動開關(guān)的實現(xiàn)方法

ADI公司的實驗室電路由ADI工程師設計構(gòu)建，每個電路的設計和構(gòu)建都嚴格遵循標準工程規(guī)范，電路的功能和性能都在實驗室環(huán)境中以室溫條件進行了測試和驗證。這些實驗室電路解決了多種常見的模擬、RF/IF和混合信號設計挑戰(zhàn)并配有完備的文檔，易于學習、理解和集成。

ADI已開發(fā)出基于ADXL362和ADP195高端電源開關(guān)的超低功耗運動檢測開關(guān)實驗室電路 (CN0274)以及相應的評估板和軟件，其電路描述、評估與測試結(jié)果以及PCB布局布線考量等詳見：www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/CN0274/vc.html。

ADXL362的特性不再贅述。采用反向電流阻擋的邏輯控制型高端電源開關(guān) ADP195采用1.1 V至3.6 V電源供電，可防止電流反向從輸出端流向輸入端。該負載開關(guān)可提供電源域隔離，有助于擴大電源域隔離范圍。它內(nèi)置一個低導通電阻P溝道MOSFET，支持1.1A以上的連續(xù)負載電流，功率損耗極小。這兩種器件配套使用可提供業(yè)界領(lǐng)先的控制電源到負載的超低功耗獨立運動開關(guān)解決方案。

圖5：超低功耗獨立運動開關(guān)的簡化電氣原理圖