表面微加工加速度計 MEMS 加速度計 人機介面 個人導航 ADI

遵循物理定律 加速度計應用潛力無窮

2010-12-22
雖然加速度計可以偵測物體運動的訊號,但並不表示其適用於所有應用範疇且均可一一實現。仍須視加速度計的特性,分析是否可完全適用於所思考的應用概念中,才能真正利用加速度計的特性,並進一步落實其創意。
微機電系統(MEMS)感測器被消費性電子廣為使用後,聲勢持續不墜,並廣泛用到各式應用中。而隨著亞德諾(ADI)低成本、重力敏感型iMEMS加速度計已被許多應用支持工程師用於產品設計中,MEMS供應商有機會聽到許多有關如何運用加速度計的創意想法,但有些想法違背物理定律,因此廠商依據實現這些想法的可能性,非正式地對其中一些予以評定。

這些評定分為三種,包括現實、幻想與想入非非,現實所指的是切實可行,並已經實現的實際應用;幻想是若有更先進的技術就可能實現的應用;想入非非則為所能想到的任何實際實施方案將會違背物理定律。

分析應用實際實現可能性

依據上述三種評斷標準,MEMS廠商針對目前一些加速度計的應用構思,進行分析。

洗衣機高速旋轉時,負荷不平衡將導致洗衣機劇烈搖晃,如果不加以限制,洗衣機甚至能在地板上「走動」起來。利用加速度計檢測旋轉期間的加速度,若存在不平衡,洗衣機將來回抖動滾筒,以重新分布負荷,直至負荷達到平衡為止。

負荷平衡更佳時,洗衣機旋轉速度可以更快,從而將更多水從衣服中甩出,使甩乾過程效能更高,還有一個好處是滾筒運動減震所需的機械部件將更少,使得整體系統更輕,成本更低。若實施得當,馬達的峰值負荷更低,傳動和軸承系統的使用壽命將得以延長,這項應用已經實現。

加速度計成低成本軸承維護應用首選

許多行業按照預防性維修日程計畫更換或徹底檢修機械設備,尤其人們無法容忍無計畫的停機,因此,許多行業經常過早地花費巨資改造尚有很長使用壽命的機械。將加速度計嵌入軸承或其他旋轉設備中,就可以延長其使用壽命,而不用擔心突發故障。亦即加速度計透過檢測軸承或其他旋轉設備的振動,確定其工作狀況。

利用軸承的振動特徵確定其狀況是業界公認且成熟的設備維護方法,但為了獲得精確結果,需要較寬的測量頻寬。在廠商的ADXL001加速度計推出前,加速度計和相關訊號調理設備的成本非常高。現在,具有22kHz寬頻寬和內部訊號調理功能的加速度計已成為低成本軸承維護應用的理想之選。

部分自動校平應用已實現

加速度計測量大型機器或活動房屋等物體的絕對傾斜度,微控制器(MCU)利用該傾斜訊息自動校平物體,此應用介於現實和幻想之間,原因在於,自動校平是一項要求極高的應用,要求絕對精確。表面微加工加速度計具有極高的分辨率,但高精度(優於1 傾斜度)的絕對傾斜度測量對溫度穩定性和遲滯性能的要求極高,採用當今的表面微加工加速度計無法實現。

對於溫度範圍適中的應用,高穩定性加速度計可以勝任,對於寬溫度範圍、絕對精度要求在±5 以內的應用,這些加速度計也能處理。但是,要在寬溫度範圍內實現更精確的校平,則需要外部溫度補償,即使利用外部溫度補償,仍然難以實現優於 ±0.5 傾斜度的絕對精度,不過,有些應用目前已實現。

微控制器借助加速度計識別用戶手勢,從而實現對移動設備的單手控制,這項應用目前已經實現。手機螢幕占用控制區域的大部分可用面積,手機製造商可將加速度計用於用戶介面功能,以便增加「無按鈕」特性,例如單振/雙振(模擬滑鼠單擊/雙擊)、螢幕旋轉、傾斜控制的滾動,以及基於方向的振鈴控制等。此外,手機製造商可利用加速度計改善導航功能的精度和使用性能開發其他新應用。

利用加速度計可檢測汽車是否被頂起或被拖車抓起,如果是則自動報警。最常見的偷車手法之一是直接用拖車拖走,傳統的汽車報警對此無能為力,且衝擊檢測器無法測量傾斜度的變化,點火禁用系統也起不了作用。

本應用利用加速度計的高分辨率能力,若加速度計測量到傾斜度變化超過每分鐘0.5 ,汽車就發出警報,這需要良好的溫度穩定性,沒有人希望自己的汽車因為天氣變化而發出警報,因此高度穩定的加速度計可謂理想選擇。這項應用目前已在原始設計製造商(OEM)和售後汽車防盜系統中實現。

加速度計測量滑雪板總衝擊能量和特徵,確定是否應當鬆開固定器,此應用目前仍為幻想階段。機械式滑雪板固定器已具高度先進特性,但性能受限,若能測量滑雪者所感受到的實際衝擊力,就能精確判定是否應當鬆開固定器。

智能系統可考慮每個人的能力和生理狀況,這是一項實用的加速度計應用,但目前的電池技術尚不敷所需,等到將來開發出小而輕,且在低溫下保持良好性能的電池時,這項應用就能變成現實。

加速度計補強GPS服務

本應用透過航位推算法確定位置,亦即利用加速度對時間的二重積分確定實際位置。加速度測量結果中的小誤差日積月累,將導致長期積分結果出現較大誤差,而二重積分將加劇誤差(t2),若非不時地重新設定實際位置,誤差將變得十分巨大。

這與簡單地將電容放在運算放大器上構建積分器類似,即使將來加速度計的精度能夠比現在高出十倍或百倍,最終仍然會產生巨大誤差,只是所需時間長一點。

加速度計可以結合全球衛星定位系統(GPS)使用,在GPS訊號短暫、不可用時提供服務。較短的積分週期(1分鐘左右)可獲得令人滿意的結果,而且巧妙的算法可利用替代方法提供良好的精度,例如在步行時,每走一步,身體都會上下運動。加速度計可以用來製作高度精確的計步器,其測量步行距離的精度可達±1%以內。

將加速度計安裝在重低音喇叭上,以便提供位置反饋,進而透過伺服方法消除失真,目前市場上已有多種帶伺服控制的有源重低音音箱。伺服控制可以大大降低諧波失真和功率壓縮。伺服控制也可透過電子方式降低揚聲器/音箱系統的Q,從而允許使用更小的音箱,加速度計尺寸小而重量輕,加到揚聲器喇叭上後,並不會顯著改變整體聲學特徵。

加速度計實現神經肌肉刺激器

本應用可在適當的時候刺激肌肉,以幫助對小腿肌肉失去控制的人走路。走路時,一般先抬腳,使腿部前移,然後落下,向後推腿部,將加速度計戴在小腿或腳上的某個位置,以便檢測腿的位置,然後通過電子方式刺激適當的肌肉,使腳根據需要而屈伸。

此應用是微加工加速度計使一項產品切實可行的範例。早期使用液體傾斜感測器或活動滾珠軸承(用作開關)確定腿的位置,液體傾斜感測器的問題在於液體會晃動,因此只能慢速步行,且在山路上行走時,很容易迷惑滾珠軸承開關。

加速度計則是測量腿後移與腿前移之間的差別,因此山路無法愚弄該系統,而且也不存在液體晃動問題。另外,加速度計功耗很低,系統可採用小型鋰電池工作,使得最終封裝產品並不顯眼。

汽車噪聲消除

加速度計檢測車廂內的低頻振動,消除噪音系統利用立體聲系統中的揚聲器消除該振動,此項應用無法實現。原因在於,雖然加速度計可毫無困難地拾取車廂內的振動,但消除噪音在很大程度上取決於相位,即使可消除某個位置的噪音,例如駕駛員頭部周圍,但其他位置的噪音可能會增加。

加速度計創新應用超出想像空間

表面微加工加速度計具有高靈敏度、小尺寸、低成本、封裝結實等特點,能夠測量靜態和動態加速力,因而使眾多新型應用得以實現,不過,其中有許多應用並不屬於加速度計的傳統應用範圍,超出人們的預期。現在看來,設計人員的想像力似乎才是潛在應用範圍的限制因素,但有時候,設計人員也會想像過頭,性能的不斷改進將催生越來越多的應用,但對那些違背物理定律的所謂解決方案最好敬而遠之。

(本文作者任職於亞德諾)

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