作為連接現(xiàn)實世界與數(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)實世界中的數(shù)據(jù)。傳感器種類多種多樣,其中又以MEMS(微機電系統(tǒng))最為特殊,MEMS是機械和電子結(jié)合的產(chǎn)物,在設(shè)計、材料、流片、加工等各個環(huán)節(jié),都有其特殊要求。也正因此,中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會將MEMS類作為與集成電路類、集成電路設(shè)計類、封裝與測試類、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,MEMS可分為包括壓力、陀螺儀、加速度計、射頻等等多種類型的傳感器,以滿足不同種類的物理量測量。同時,根據(jù)Yole的這份報告預(yù)測,2020至2026年間,MEMS的市場總?cè)萘繉?21億美元增長至182億美元,年化平均增長率達(dá)7.2%。并已廣泛應(yīng)用于包括消費、工業(yè)、通信、汽車、醫(yī)療、國防和航空航天等領(lǐng)域。
而MEMS火熱的同時,也帶來了價格壓力的不斷激增,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)計數(shù)據(jù),MEMS產(chǎn)品的平均售價逐年下滑,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售價并沒有明顯下滑,但長期而言,激烈競爭、利潤率下滑等是MEMS市場的主要挑戰(zhàn)之一。
那么留給MEMS的只剩紅海了嗎?答案是絕對不會。一方面,包括工業(yè)、汽車、醫(yī)療等新興市場中,MEMS的需求與日俱增,用戶對價格的接受度也更高。同時,即便是價格敏感的消費電子,也有著品質(zhì)升級的需求。而歸根結(jié)底,唯有創(chuàng)新的產(chǎn)品和方案,才能徹底避開低價競爭陷阱。
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,已在競爭激烈的MEMS市場找出一條屬于自己的差異化之路。日前,ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝結(jié)合公司新推出的三款MEMS加速度計新品,展現(xiàn)了如何擺脫低價紅海競爭的方法。
進入納瓦時代的加速度計
2012年,ADI發(fā)布了超低噪聲超低功耗加速度計ADXL362,并廣泛應(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,數(shù)字分辨率也由12位提高到了14位,進一步提高了產(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入到納瓦時代,在100Hz輸出速率下,功耗僅為880nA。
趙延輝舉了幾個實際例子來形象表述ADXL367的低功耗特性,在200nW的低功耗監(jiān)測模式下,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)用可覆蓋包括消費類、醫(yī)療、植入式醫(yī)療、工業(yè)以及汽車等各行業(yè)。實際上其前代ADXL362便已經(jīng)廣泛應(yīng)用于上述領(lǐng)域,而為了進一步延長產(chǎn)品的電池壽命,以上客戶均表現(xiàn)出強烈的升級意愿。
比如Tunstall利用ADXL362實現(xiàn)的跌倒監(jiān)測產(chǎn)品,可持續(xù)工作1年以上,如果更換成ADXL367,持續(xù)工作時間將得到進一步延長。
尤其是對于心臟起搏器等植入類醫(yī)療器械而言,多延長一些待機時間,就意味著進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可以實現(xiàn)完美支持。
ADXL367支持多種工作模式,可針對應(yīng)用靈活配置,從而實現(xiàn)更好的功耗與性能體驗。例如其支持的瞬間啟動模式,通過內(nèi)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之外,還集成了敲擊檢測功能,可減少CPU的處理負(fù)擔(dān)。這種新型的人機交互方式,非常適合包括TWS、助聽器等尺寸受限的場景,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,ADXL367也實現(xiàn)了噪聲的降低,相比ADXL462降低一倍,尤其是通過對Z軸的優(yōu)化,實現(xiàn)了三個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。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(jiān)測的準(zhǔn)確度。他舉例道,以往佩戴一些生命體征監(jiān)測產(chǎn)品需要嚴(yán)格按照位置進行佩戴,比如要緊貼胸部或腹部才可準(zhǔn)確監(jiān)測呼吸頻率,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)對傳感器融合的新需求。對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。
為新興市場開發(fā)ADXL314
如果說ADXL367是通過降低功耗,從而為進入潛在市場提供更多可能的話,那么ADXL314則是完全面向新興市場所進行優(yōu)化設(shè)計的產(chǎn)品。ADXL314是一款車規(guī)級低功耗大量程加速度計,非常適合于胎壓監(jiān)測,電動車電池監(jiān)測,以及碰撞、EDR(事件數(shù)據(jù)記錄)等事件監(jiān)測。
趙延輝特別提到了電動車的電池碰撞檢測功能,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)進行安全監(jiān)測,但BMS較難檢測碰撞瞬間,因此需要結(jié)合碰撞和煙感檢測,來確保電池系統(tǒng)的可靠性,對于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的三項附加功能,包括集成相對/絕對的運動/靜止檢測中斷、以及32級FIFO。他特別強調(diào),這些特性都是基于實際調(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(shù)據(jù)都可儲存至32級FIFO中,便于處理器進行后續(xù)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為了實現(xiàn)更好的精度,特別采用了三軸加速度計,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)級要求,經(jīng)過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。
以客戶為導(dǎo)向的高性價比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(nóng)業(yè)自動化、無人機、振動監(jiān)測CbM等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。趙延輝表示,客戶希望可以進行成本優(yōu)化,因此ADI仔細(xì)考量了此類監(jiān)測場景需求,對于長期零點的準(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,以及針對振動校正誤差(VRE)的抑制能力,并繼續(xù)填補中量程市場的空白。
《為應(yīng)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(shù)據(jù)手冊上并不會顯示對振動校正誤差(VRE)的抑制能力,因為這些參數(shù)可能暴露產(chǎn)品性能較低。VRE是加速度計對交流振動(被整流為直流)的響應(yīng)。這些直流整流的振動可能會使加速度計失調(diào)發(fā)生偏移,引起嚴(yán)重誤差,尤其是在目標(biāo)信號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)級誤差。VRE不是設(shè)計人員的重要關(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)用或振動頻繁的特定環(huán)境中,對VRE的抑制能力可能是設(shè)計人員的重點關(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性。這些諧振會放大振動,放大倍數(shù)等于諧振的Q因數(shù),而在較高頻率時會抑制振動,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,振動幅度越大,其VRE也就越大。較大測量帶寬會將高頻帶內(nèi)振動包含在內(nèi),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,可以避免很多振動相關(guān)問題。
趙延輝舉例道,實際上很多剛買回來的無人機懸停、航拍的操控性非常好,過段時間懸停效果就會變差,主要原因就是減震材料老化帶來的振動誤差。
另外,在有振動的動態(tài)環(huán)境中(例如農(nóng)用設(shè)備或無人機)進行傾斜測量,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重力場中,或者是發(fā)生上升時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(diào),在動態(tài)應(yīng)用中提供更好的傾斜精度。也正因此,在IMU市場,中量程的加速度計更為適用。
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(zhuǎn)、航向等信息,客戶可根據(jù)自身需求和設(shè)計能力,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,對產(chǎn)品不斷細(xì)分化,無論是在機械結(jié)構(gòu)、信號調(diào)理以及ASIC算法等方面進行自我超越,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)的時代,需要知道所有物體的運動信息,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),將有著更廣闊的空間。