作為連接現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間的橋梁，傳感器在其中起到了關(guān)鍵作用，負(fù)責(zé)收集現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)。傳感器種類多種多樣，其中又以MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）最為特殊，MEMS是機(jī)械和電子結(jié)合的產(chǎn)物，在設(shè)計(jì)、材料、流片、加工等各個(gè)環(huán)節(jié)，都有其特殊要求。也正因此，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)將MEMS類作為與集成電路類、集成電路設(shè)計(jì)類、封裝與測(cè)試類、半導(dǎo)體分立器件類和半導(dǎo)體支撐類并列的六大分類之一，彰顯了其重要之處。
根據(jù)Yole Developpement的統(tǒng)計(jì)，MEMS可分為包括壓力、陀螺儀、加速度計(jì)、射頻等等多種類型的傳感器，以滿足不同種類的物理量測(cè)量。同時(shí)，根據(jù)Yole的這份報(bào)告預(yù)測(cè)，2020至2026年間，MEMS的市場(chǎng)總?cè)萘繉?21億美元增長(zhǎng)至182億美元，年化平均增長(zhǎng)率達(dá)7.2%。并已廣泛應(yīng)用于包括消費(fèi)、工業(yè)、通信、汽車、醫(yī)療、國(guó)防和航空航天等領(lǐng)域。
而MEMS火熱的同時(shí)，也帶來了價(jià)格壓力的不斷激增，這也和摩爾定律的發(fā)展相一致。IC Insights 2018年曾給出過一組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，MEMS產(chǎn)品的平均售價(jià)逐年下滑，2007年為2.57美元，2012年為1.24美元，2017年為0.97美元，并預(yù)計(jì)2022年將降為0.88美元。盡管由于新冠疫情等原因，近兩年MEMS售價(jià)并沒有明顯下滑，但長(zhǎng)期而言，激烈競(jìng)爭(zhēng)、利潤(rùn)率下滑等是MEMS市場(chǎng)的主要挑戰(zhàn)之一。
那么留給MEMS的只剩紅海了嗎？答案是絕對(duì)不會(huì)。一方面，包括工業(yè)、汽車、醫(yī)療等新興市場(chǎng)中，MEMS的需求與日俱增，用戶對(duì)價(jià)格的接受度也更高。同時(shí)，即便是價(jià)格敏感的消費(fèi)電子，也有著品質(zhì)升級(jí)的需求。而歸根結(jié)底，唯有創(chuàng)新的產(chǎn)品和方案，才能徹底避開低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)陷阱。
作為以技術(shù)為主導(dǎo)的ADI，在MEMS領(lǐng)域已經(jīng)深耕30余年，其正是通過不斷追求創(chuàng)新，已在競(jìng)爭(zhēng)激烈的MEMS市場(chǎng)找出一條屬于自己的差異化之路。日前，ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝結(jié)合公司新推出的三款MEMS加速度計(jì)新品，展現(xiàn)了如何擺脫低價(jià)紅海競(jìng)爭(zhēng)的方法。
進(jìn)入納瓦時(shí)代的加速度計(jì)
2012年，ADI發(fā)布了超低噪聲超低功耗加速度計(jì)ADXL362，并廣泛應(yīng)用于包括智能可穿戴、智能家居、醫(yī)療保健、畜牧業(yè)監(jiān)測(cè)甚至儀表等行業(yè)中，截至目前其功耗水平依然處于業(yè)界領(lǐng)先水平。不過為了滿足未來需求，ADI選擇超越自己，推出ADXL367，相比362，實(shí)現(xiàn)了面積低一半、功耗低一半以及噪聲低一半的指標(biāo)，高度也降低了20%。同時(shí)，數(shù)字分辨率也由12位提高到了14位，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品性能。并且還增強(qiáng)了一些額外特性，讓加速度計(jì)傳感器真正進(jìn)入到納瓦時(shí)代，在100Hz輸出速率下，功耗僅為880nA。
趙延輝舉了幾個(gè)實(shí)際例子來形象表述ADXL367的低功耗特性，在200nW的低功耗監(jiān)測(cè)模式下，一顆CR2032 225mAh紐扣電池可為ADXL367持續(xù)供電143年，已經(jīng)遠(yuǎn)小于電池固有的1%自放電功率損失。而對(duì)于1.2V 2500mAh的AA充電電池而言，在400Hz輸出速率下可持續(xù)工作68年，100Hz下更是長(zhǎng)達(dá)324年。
依托低功耗特性，ADXL367可為諸如敲擊開關(guān)、7/24不間斷在線監(jiān)測(cè)以及更多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供器件支撐。
如圖所示，ADXL367潛在應(yīng)用可覆蓋包括消費(fèi)類、醫(yī)療、植入式醫(yī)療、工業(yè)以及汽車等各行業(yè)。實(shí)際上其前代ADXL362便已經(jīng)廣泛應(yīng)用于上述領(lǐng)域，而為了進(jìn)一步延長(zhǎng)產(chǎn)品的電池壽命，以上客戶均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的升級(jí)意愿。
比如Tunstall利用ADXL362實(shí)現(xiàn)的跌倒監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，可持續(xù)工作1年以上，如果更換成ADXL367，持續(xù)工作時(shí)間將得到進(jìn)一步延長(zhǎng)。
尤其是對(duì)于心臟起搏器等植入類醫(yī)療器械而言，多延長(zhǎng)一些待機(jī)時(shí)間，就意味著進(jìn)一步減少患者更換電池頻率，減輕患者的痛苦。
此外，最低供電電壓從1.6V降至1.1V，則可更大限度的利用電池，比如助聽器常用的鋅空電池典型電壓值為1.1V到1.4V，ADXL367可以實(shí)現(xiàn)完美支持。
ADXL367支持多種工作模式，可針對(duì)應(yīng)用靈活配置，從而實(shí)現(xiàn)更好的功耗與性能體驗(yàn)。例如其支持的瞬間啟動(dòng)模式，通過內(nèi)置模擬比較器可以檢測(cè)環(huán)境沖擊事件，因此可以在沖擊發(fā)生前保持深度睡眠模式，從而實(shí)現(xiàn)了更低的系統(tǒng)功耗。
此外，相比ADXL362，除了原有的集成自檢及溫度檢測(cè)之外，還集成了敲擊檢測(cè)功能，可減少CPU的處理負(fù)擔(dān)。這種新型的人機(jī)交互方式，非常適合包括TWS、助聽器等尺寸受限的場(chǎng)景，也可以充當(dāng)開關(guān)，為一些密封類產(chǎn)品或者諸如汽車鑰匙、行車記錄儀、智能門鎖等提供低功耗喚醒或功能開啟等模式。
在降低功耗的同時(shí)，ADXL367也實(shí)現(xiàn)了噪聲的降低，相比ADXL462降低一倍，尤其是通過對(duì)Z軸的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)維度同樣的噪聲水準(zhǔn)。和低功耗一樣，低噪聲也可以極大改善用戶體驗(yàn)。趙延輝表示，超低噪聲可以捕捉更為微小的信號(hào)，這有助于提高心率或呼吸監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。他舉例道，以往佩戴一些生命體征監(jiān)測(cè)產(chǎn)品需要嚴(yán)格按照位置進(jìn)行佩戴，比如要緊貼胸部或腹部才可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)呼吸頻率，而采用低噪聲的ADXL367后，佩戴位置無需特別約束，這可以顯著增加用戶的使用場(chǎng)景。
在接口方面，除了SPI之外，也增加了I2C總線，可在有限的處理器接口下支持更多的傳感器，以應(yīng)對(duì)傳感器融合的新需求。對(duì)于無需多傳感器融合的應(yīng)用而言，趙延輝建議還是使用SPI，能更節(jié)省功耗。
為新興市場(chǎng)開發(fā)ADXL314
如果說ADXL367是通過降低功耗，從而為進(jìn)入潛在市場(chǎng)提供更多可能的話，那么ADXL314則是完全面向新興市場(chǎng)所進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。ADXL314是一款車規(guī)級(jí)低功耗大量程加速度計(jì)，非常適合于胎壓監(jiān)測(cè)，電動(dòng)車電池監(jiān)測(cè)，以及碰撞、EDR（事件數(shù)據(jù)記錄）等事件監(jiān)測(cè)。
趙延輝特別提到了電動(dòng)車的電池碰撞檢測(cè)功能，這是隨著新能源車的流行開始誕生出來的新需求。此前，電池都是依靠BMS系統(tǒng)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，但BMS較難檢測(cè)碰撞瞬間，因此需要結(jié)合碰撞和煙感檢測(cè)，來確保電池系統(tǒng)的可靠性，對(duì)于EDR等也有類似需求。ADXL314的最高輸出速率為3200Hz，足夠高的帶寬可以準(zhǔn)確捕獲脈沖信息，并將碰撞信息傳輸至處理器分析處理。
趙延輝提到了ADXL314的三項(xiàng)附加功能，包括集成相對(duì)/絕對(duì)的運(yùn)動(dòng)/靜止檢測(cè)中斷、以及32級(jí)FIFO。他特別強(qiáng)調(diào)，這些特性都是基于實(shí)際調(diào)研走訪客戶獲得的需求而制定的。比如，客戶的BMS處理器處理頻率往往只有數(shù)百Hz，無法及時(shí)處理3200Hz的瞬間突發(fā)事件，為此ADI集成的檢測(cè)中斷可以直接連接CPU，并且碰撞前后的數(shù)據(jù)都可儲(chǔ)存至32級(jí)FIFO中，便于處理器進(jìn)行后續(xù)處理。
趙延輝表示，理論上雙軸加速度計(jì)就可以完成沖擊檢測(cè)，但ADXL314為了實(shí)現(xiàn)更好的精度，特別采用了三軸加速度計(jì)，從而提供最為準(zhǔn)確的沖擊信息。
另外，ADXL314同樣具備了低噪聲特性，非常適合胎壓監(jiān)測(cè)應(yīng)用，可以更加準(zhǔn)確地提供車輛速度信息。
ADXL314嚴(yán)格符合車規(guī)級(jí)要求，經(jīng)過AEC-Q100 驗(yàn)證，并具有–40°C到+125°C的拓展溫度范圍，更具有可耐10,000g加速度沖擊的堅(jiān)固特性。
以客戶為導(dǎo)向的高性價(jià)比ADXL359
ADXL359是ADI新推出的低噪聲、低漂移、低功耗3軸MEMS加速度計(jì)，市場(chǎng)定位是ADXL356/357等中等量程MEMS產(chǎn)品的升級(jí)。此前，這兩款產(chǎn)品已經(jīng)在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、無人機(jī)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)CbM等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。趙延輝表示，客戶希望可以進(jìn)行成本優(yōu)化，因此ADI仔細(xì)考量了此類監(jiān)測(cè)場(chǎng)景需求，對(duì)于長(zhǎng)期零點(diǎn)的準(zhǔn)確度要求不高，因此ADXL359特別注重在量程、帶寬和噪聲密度方面的優(yōu)化，以及針對(duì)振動(dòng)校正誤差(VRE)的抑制能力，并繼續(xù)填補(bǔ)中量程市場(chǎng)的空白。
《為應(yīng)用選擇最合適的MEMS加速度計(jì)——第一部分》一文中指出，很多加速度計(jì)數(shù)據(jù)手冊(cè)上并不會(huì)顯示對(duì)振動(dòng)校正誤差(VRE)的抑制能力，因?yàn)檫@些參數(shù)可能暴露產(chǎn)品性能較低。VRE是加速度計(jì)對(duì)交流振動(dòng)（被整流為直流）的響應(yīng)。這些直流整流的振動(dòng)可能會(huì)使加速度計(jì)失調(diào)發(fā)生偏移，引起嚴(yán)重誤差，尤其是在目標(biāo)信號(hào)為直流輸出的傾斜應(yīng)用中。直流失調(diào)的任何小變化都可能被解釋為傾角變化，導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)誤差。VRE不是設(shè)計(jì)人員的重要關(guān)注參數(shù)，然而，在慣性導(dǎo)航（IMU）等高要求應(yīng)用、傾斜應(yīng)用或振動(dòng)頻繁的特定環(huán)境中，對(duì)VRE的抑制能力可能是設(shè)計(jì)人員的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。
各種諧振和加速度計(jì)中的濾波器均可能引起VRE，因?yàn)閂RE對(duì)頻率有很強(qiáng)的依賴性。這些諧振會(huì)放大振動(dòng)，放大倍數(shù)等于諧振的Q因數(shù)，而在較高頻率時(shí)會(huì)抑制振動(dòng)，原因是諧振器存在二階偶極子響應(yīng)。傳感器的諧振品質(zhì)因數(shù)越高，振動(dòng)幅度越大，其VRE也就越大。較大測(cè)量帶寬會(huì)將高頻帶內(nèi)振動(dòng)包含在內(nèi)，引起較高的VRE。為加速度計(jì)選擇合適的帶寬以抑制高頻振動(dòng)，可以避免很多振動(dòng)相關(guān)問題。
趙延輝舉例道，實(shí)際上很多剛買回來的無人機(jī)懸停、航拍的操控性非常好，過段時(shí)間懸停效果就會(huì)變差，主要原因就是減震材料老化帶來的振動(dòng)誤差。
另外，在有振動(dòng)的動(dòng)態(tài)環(huán)境中（例如農(nóng)用設(shè)備或無人機(jī)）進(jìn)行傾斜測(cè)量，需要g值范圍較高的加速度計(jì)，有限g值范圍的加速度計(jì)測(cè)量可能會(huì)削波，導(dǎo)致輸出失調(diào)增加。引起削波的原因可能是靈敏軸在1g重力場(chǎng)中，或者是發(fā)生上升時(shí)間快但衰減慢的沖擊。較高的g值范圍可減少加速度計(jì)削波，從而降低失調(diào)，在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中提供更好的傾斜精度。也正因此，在IMU市場(chǎng)，中量程的加速度計(jì)更為適用。
趙延輝表示，ADI始終貼近用戶需求，以IMU應(yīng)用為例，ADI除了基礎(chǔ)的MEMS加速度計(jì)之外，也提供了集成加速度計(jì)、陀螺儀以及其他硬件和算法的更完整的IMU芯片，直接輸出俯仰、滾轉(zhuǎn)、航向等信息，客戶可根據(jù)自身需求和設(shè)計(jì)能力，靈活選擇。
總結(jié)
從ADI新推出的三類具有不同量程、不同特色、不同應(yīng)用的傳感器，我們不難看出ADI在加速度計(jì)上的成功秘訣。作為技術(shù)先導(dǎo)者，ADI始終緊貼客戶和應(yīng)用需求，對(duì)產(chǎn)品不斷細(xì)分化，無論是在機(jī)械結(jié)構(gòu)、信號(hào)調(diào)理以及ASIC算法等方面進(jìn)行自我超越，依靠創(chuàng)新的力量改善傳感器性能，來滿足智能世界所需。
未來，在萬物互聯(lián)的時(shí)代，需要知道所有物體的運(yùn)動(dòng)信息，即便是靜止情況，也需要了解其所處狀態(tài)。也正因此，加速度計(jì)傳感器作為狀態(tài)指示，以及人機(jī)交互的重要一環(huán)，將有著更廣闊的空間。
