作為連接現實(shí)世界與數字世界之間的橋梁，傳感器在其中起到了關(guān)鍵作用，負責收集現實(shí)世界中的數據。傳感器種類(lèi)多種多樣，其中又以MEMS（微機電系統）最為特殊，MEMS是機械和電子結合的產(chǎn)物，在設計、材料、流片、加工等各個(gè)環(huán)節，都有其特殊要求。也正因此，中國半導體行業(yè)協(xié)會(huì )將MEMS類(lèi)作為與集成電路類(lèi)、集成電路設計類(lèi)、封裝與測試類(lèi)、半導體分立器件類(lèi)和半導體支撐類(lèi)并列的六大分類(lèi)之一，彰顯了其重要之處。
根據Yole Developpement的統計，MEMS可分為包括壓力、陀螺儀、加速度計、射頻等等多種類(lèi)型的傳感器，以滿(mǎn)足不同種類(lèi)的物理量測量。同時(shí)，根據Yole的這份報告預測，2020至2026年間，MEMS的市場(chǎng)總容量將從121億美元增長(cháng)至182億美元，年化平均增長(cháng)率達7.2%。并已廣泛應用于包括消費、工業(yè)、通信、汽車(chē)、醫療、國防和航空航天等領(lǐng)域。
而MEMS火熱的同時(shí)，也帶來(lái)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(guò)一組統計數據，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，并預計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(méi)有明顯下滑，但長(cháng)期而言，激烈競爭、利潤率下滑等是MEMS市場(chǎng)的主要挑戰之一。
那么留給MEMS的只剩紅海了嗎？答案是絕對不會(huì )。一方面，包括工業(yè)、汽車(chē)、醫療等新興市場(chǎng)中，MEMS的需求與日俱增，用戶(hù)對價(jià)格的接受度也更高。同時(shí)，即便是價(jià)格敏感的消費電子，也有著(zhù)品質(zhì)升級的需求。而歸根結底，唯有創(chuàng )新的產(chǎn)品和方案，才能徹底避開(kāi)低價(jià)競爭陷阱。
作為以技術(shù)為主導的ADI，在MEMS領(lǐng)域已經(jīng)深耕30余年，其正是通過(guò)不斷追求創(chuàng )新，已在競爭激烈的MEMS市場(chǎng)找出一條屬于自己的差異化之路。日前，ADI亞太區微機電產(chǎn)品線(xiàn)總監趙延輝結合公司新推出的三款MEMS加速度計新品，展現了如何擺脫低價(jià)紅海競爭的方法。
進(jìn)入納瓦時(shí)代的加速度計
2012年，ADI發(fā)布了超低噪聲超低功耗加速度計ADXL362，并廣泛應用于包括智能可穿戴、智能家居、醫療保健、畜牧業(yè)監測甚至儀表等行業(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(guò)為了滿(mǎn)足未來(lái)需求，ADI選擇超越自己，推出ADXL367，相比362，實(shí)現了面積低一半、功耗低一半以及噪聲低一半的指標，高度也降低了20%。同時(shí)，數字分辨率也由12位提高到了14位，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品性能。并且還增強了一些額外特性，讓加速度計傳感器真正進(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(lái)形象表述ADXL367的低功耗特性，在200nW的低功耗監測模式下，一顆CR2032 225mAh紐扣電池可為ADXL367持續供電143年，已經(jīng)遠小于電池固有的1%自放電功率損失。而對于1.2V 2500mAh的AA充電電池而言，在400Hz輸出速率下可持續工作68年，100Hz下更是長(cháng)達324年。
依托低功耗特性，ADXL367可為諸如敲擊開(kāi)關(guān)、7/24不間斷在線(xiàn)監測以及更多物聯(lián)網(wǎng)應用提供器件支撐。
如圖所示，ADXL367潛在應用可覆蓋包括消費類(lèi)、醫療、植入式醫療、工業(yè)以及汽車(chē)等各行業(yè)。實(shí)際上其前代ADXL362便已經(jīng)廣泛應用于上述領(lǐng)域，而為了進(jìn)一步延長(cháng)產(chǎn)品的電池壽命，以上客戶(hù)均表現出強烈的升級意愿。
比如Tunstall利用ADXL362實(shí)現的跌倒監測產(chǎn)品，可持續工作1年以上，如果更換成ADXL367，持續工作時(shí)間將得到進(jìn)一步延長(cháng)。
尤其是對于心臟起搏器等植入類(lèi)醫療器械而言，多延長(cháng)一些待機時(shí)間，就意味著(zhù)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(tīng)器常用的鋅空電池典型電壓值為1.1V到1.4V，ADXL367可以實(shí)現完美支持。
ADXL367支持多種工作模式，可針對應用靈活配置，從而實(shí)現更好的功耗與性能體驗。例如其支持的瞬間啟動(dòng)模式，通過(guò)內置模擬比較器可以檢測環(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)現了更低的系統功耗。
此外，相比ADXL362，除了原有的集成自檢及溫度檢測之外，還集成了敲擊檢測功能，可減少CPU的處理負擔。這種新型的人機交互方式，非常適合包括TWS、助聽(tīng)器等尺寸受限的場(chǎng)景，也可以充當開(kāi)關(guān)，為一些密封類(lèi)產(chǎn)品或者諸如汽車(chē)鑰匙、行車(chē)記錄儀、智能門(mén)鎖等提供低功耗喚醒或功能開(kāi)啟等模式。
在降低功耗的同時(shí)，ADXL367也實(shí)現了噪聲的降低，相比ADXL462降低一倍，尤其是通過(guò)對Z軸的優(yōu)化，實(shí)現了三個(gè)維度同樣的噪聲水準。和低功耗一樣，低噪聲也可以極大改善用戶(hù)體驗。趙延輝表示，超低噪聲可以捕捉更為微小的信號，這有助于提高心率或呼吸監測的準確度。他舉例道，以往佩戴一些生命體征監測產(chǎn)品需要嚴格按照位置進(jìn)行佩戴，比如要緊貼胸部或腹部才可準確監測呼吸頻率，而采用低噪聲的ADXL367后，佩戴位置無(wú)需特別約束，這可以顯著(zhù)增加用戶(hù)的使用場(chǎng)景。
在接口方面，除了SPI之外，也增加了I2C總線(xiàn)，可在有限的處理器接口下支持更多的傳感器，以應對傳感器融合的新需求。對于無(wú)需多傳感器融合的應用而言，趙延輝建議還是使用SPI，能更節省功耗。
為新興市場(chǎng)開(kāi)發(fā)ADXL314
如果說(shuō)ADXL367是通過(guò)降低功耗，從而為進(jìn)入潛在市場(chǎng)提供更多可能的話(huà)，那么ADXL314則是完全面向新興市場(chǎng)所進(jìn)行優(yōu)化設計的產(chǎn)品。ADXL314是一款車(chē)規級低功耗大量程加速度計，非常適合于胎壓監測，電動(dòng)車(chē)電池監測，以及碰撞、EDR（事件數據記錄）等事件監測。
趙延輝特別提到了電動(dòng)車(chē)的電池碰撞檢測功能，這是隨著(zhù)新能源車(chē)的流行開(kāi)始誕生出來(lái)的新需求。此前，電池都是依靠BMS系統進(jìn)行安全監測，但BMS較難檢測碰撞瞬間，因此需要結合碰撞和煙感檢測，來(lái)確保電池系統的可靠性，對于EDR等也有類(lèi)似需求。ADXL314的最高輸出速率為3200Hz，足夠高的帶寬可以準確捕獲脈沖信息，并將碰撞信息傳輸至處理器分析處理。
趙延輝提到了ADXL314的三項附加功能，包括集成相對/絕對的運動(dòng)/靜止檢測中斷、以及32級FIFO。他特別強調，這些特性都是基于實(shí)際調研走訪(fǎng)客戶(hù)獲得的需求而制定的。比如，客戶(hù)的BMS處理器處理頻率往往只有數百Hz，無(wú)法及時(shí)處理3200Hz的瞬間突發(fā)事件，為此ADI集成的檢測中斷可以直接連接CPU，并且碰撞前后的數據都可儲存至32級FIFO中，便于處理器進(jìn)行后續處理。
趙延輝表示，理論上雙軸加速度計就可以完成沖擊檢測，但ADXL314為了實(shí)現更好的精度，特別采用了三軸加速度計，從而提供最為準確的沖擊信息。
另外，ADXL314同樣具備了低噪聲特性，非常適合胎壓監測應用，可以更加準確地提供車(chē)輛速度信息。
ADXL314嚴格符合車(chē)規級要求，經(jīng)過(guò)AEC-Q100 驗證，并具有–40°C到+125°C的拓展溫度范圍，更具有可耐10,000g加速度沖擊的堅固特性。
以客戶(hù)為導向的高性?xún)r(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，市場(chǎng)定位是ADXL356/357等中等量程MEMS產(chǎn)品的升級。此前，這兩款產(chǎn)品已經(jīng)在農業(yè)自動(dòng)化、無(wú)人機、振動(dòng)監測CbM等領(lǐng)域得到了廣泛應用。趙延輝表示，客戶(hù)希望可以進(jìn)行成本優(yōu)化，因此ADI仔細考量了此類(lèi)監測場(chǎng)景需求，對于長(cháng)期零點(diǎn)的準確度要求不高，因此ADXL359特別注重在量程、帶寬和噪聲密度方面的優(yōu)化，以及針對振動(dòng)校正誤差(VRE)的抑制能力，并繼續填補中量程市場(chǎng)的空白。
《為應用選擇最合適的MEMS加速度計——第一部分》一文中指出，很多加速度計數據手冊上并不會(huì )顯示對振動(dòng)校正誤差(VRE)的抑制能力，因為這些參數可能暴露產(chǎn)品性能較低。VRE是加速度計對交流振動(dòng)（被整流為直流）的響應。這些直流整流的振動(dòng)可能會(huì )使加速度計失調發(fā)生偏移，引起嚴重誤差，尤其是在目標信號為直流輸出的傾斜應用中。直流失調的任何小變化都可能被解釋為傾角變化，導致系統級誤差。VRE不是設計人員的重要關(guān)注參數，然而，在慣性導航（IMU）等高要求應用、傾斜應用或振動(dòng)頻繁的特定環(huán)境中，對VRE的抑制能力可能是設計人員的重點(diǎn)關(guān)注對象。
各種諧振和加速度計中的濾波器均可能引起VRE，因為VRE對頻率有很強的依賴(lài)性。這些諧振會(huì )放大振動(dòng)，放大倍數等于諧振的Q因數，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。傳感器的諧振品質(zhì)因數越高，振動(dòng)幅度越大，其VRE也就越大。較大測量帶寬會(huì )將高頻帶內振動(dòng)包含在內，引起較高的VRE。為加速度計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(wèn)題。
趙延輝舉例道，實(shí)際上很多剛買(mǎi)回來(lái)的無(wú)人機懸停、航拍的操控性非常好，過(guò)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(lái)的振動(dòng)誤差。
另外，在有振動(dòng)的動(dòng)態(tài)環(huán)境中（例如農用設備或無(wú)人機）進(jìn)行傾斜測量，需要g值范圍較高的加速度計，有限g值范圍的加速度計測量可能會(huì )削波，導致輸出失調增加。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削波，從而降低失調，在動(dòng)態(tài)應用中提供更好的傾斜精度。也正因此，在IMU市場(chǎng)，中量程的加速度計更為適用。
趙延輝表示，ADI始終貼近用戶(hù)需求，以IMU應用為例，ADI除了基礎的MEMS加速度計之外，也提供了集成加速度計、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、航向等信息，客戶(hù)可根據自身需求和設計能力，靈活選擇。
總結
從ADI新推出的三類(lèi)具有不同量程、不同特色、不同應用的傳感器，我們不難看出ADI在加速度計上的成功秘訣。作為技術(shù)先導者，ADI始終緊貼客戶(hù)和應用需求，對產(chǎn)品不斷細分化，無(wú)論是在機械結構、信號調理以及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(lái)滿(mǎn)足智能世界所需。
未來(lái)，在萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，需要知道所有物體的運動(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，加速度計傳感器作為狀態(tài)指示，以及人機交互的重要一環(huán)，將有著(zhù)更廣闊的空間。
