MEMS在電子圈外也是一個(gè)受追捧的技術(shù)名詞，普及這個(gè)詞匯的最大功臣無(wú)疑是智能手機(jī)的動(dòng)作感應(yīng)功能，而背后扮演重要角色的是那些MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器。這些運(yùn)動(dòng)控制傳感器將非電量(如速度、壓力)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓浼夹g(shù)水平的發(fā)展促進(jìn)電子設(shè)備的運(yùn)動(dòng)感知能力愈來(lái)愈智能。

常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)傳感器包括陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)等，在運(yùn)動(dòng)跟蹤和絕對(duì)方向方面每種傳感器都有自己固有的強(qiáng)項(xiàng)和弱點(diǎn)，但通過(guò)融合的多軸傳感器組合、集成壓力傳感器/處理器/射頻單元等方式，測(cè)試精度的發(fā)展日新月異。

“求助：傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確?”

在我們的論壇求助上，如何獲取準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)一直是工程師在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所面臨的一大挑戰(zhàn)。針對(duì)此挑戰(zhàn)，博世傳感器發(fā)言人指出實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)，需要注意不同階段的設(shè)備設(shè)計(jì)：“階段一是傳感器硬件和軟件共同設(shè)計(jì)階段，在該階段我們定義了最優(yōu)初始參數(shù)例如噪聲和補(bǔ)償;第二階段是系統(tǒng)軟件層次上，提供最佳的傳感器數(shù)據(jù)融合庫(kù)(BSX);第三階段是對(duì)客戶(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的支持，比如針對(duì)磁力儀集成，我們?yōu)榭蛻?hù)的PCB上提供亥姆霍茲線圈測(cè)量。”要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的傳感器性能，傳感器和軟件必須恰當(dāng)匹配，并且傳感器供應(yīng)商能夠很好的支持OEM端傳感器硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于工程師所提到的“傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確”疑惑，Kionix中國(guó)區(qū)總經(jīng)理鄧川軍指出，傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確這個(gè)說(shuō)法不太準(zhǔn)確，因?yàn)閭鞲衅鲿?huì)如實(shí)地匯報(bào)原始數(shù)據(jù)，“但如何準(zhǔn)確地使用原始數(shù)據(jù)去聯(lián)系我們的應(yīng)用，這個(gè)需要很好的算法。”

Kionix這方面投入很大，在硅谷專(zhuān)門(mén)有個(gè)團(tuán)隊(duì)從事算法和應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，以提供給客戶(hù)比較好的用戶(hù)體驗(yàn)，鄧川軍表示。例如Kionix為加速度計(jì)提供的嵌入式算法包括輕擊檢測(cè)、屏幕旋轉(zhuǎn)、手勢(shì)識(shí)別及活動(dòng)監(jiān)測(cè)等，努力為客戶(hù)提供更多價(jià)值。”

Invensense也是如此，不僅在所有產(chǎn)品中通過(guò)提供“自我矯正輸出”功能來(lái)持續(xù)提供高性能檢測(cè)，同時(shí)也針對(duì)具體應(yīng)用提供一些自動(dòng)活動(dòng)識(shí)別(AAR)軟件庫(kù)，比如在其產(chǎn)品ICM-20655中的AAR就能為檢測(cè)步行、跑步、自行車(chē)、靜止和睡眠等不同狀態(tài)的手腕穿戴式產(chǎn)品提供“Always-On”的檢測(cè)功能。

“傳感器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度除了受制于器件本身之外，還涉及到焊接和裝配之后的校正，以及針對(duì)不同應(yīng)用的合適選型和配套的算法。”ADI微機(jī)械產(chǎn)品線高級(jí)應(yīng)用工程師趙延輝指出，他表示公司就在提高產(chǎn)品本身精度的同時(shí)也對(duì)客戶(hù)提供良好的技術(shù)支持，從而幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)者獲得滿(mǎn)意的系統(tǒng)精度。

“我們提供給客戶(hù)的MEMS傳感器硬件/軟件都是做好的產(chǎn)品，通過(guò)了嚴(yán)格的出廠測(cè)試校準(zhǔn)。”意法半導(dǎo)體MEMS和傳感器市場(chǎng)經(jīng)理許永剛指出，“甚至我們還會(huì)提供PCB設(shè)計(jì)指導(dǎo)。”

算法：多軸傳感器數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵

每一種MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，筆者把這些優(yōu)缺點(diǎn)整理在表一中。要達(dá)到精益求精的傳感數(shù)據(jù)，除了傳感器本身的精度之外，通過(guò)復(fù)雜的傳感器融合軟件將來(lái)自各種傳感器的輸入組合在一起，產(chǎn)生一個(gè)更加精確的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果十分必要。傳感器融合軟件將來(lái)自多種傳感器的數(shù)據(jù)融合，彌補(bǔ)了單個(gè)傳感器在計(jì)算準(zhǔn)確的位置和方向時(shí)的不足，從而實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，為手機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、游戲機(jī)等應(yīng)用創(chuàng)造更多新機(jī)會(huì)。此外，集成化的趨勢(shì)減少了電路板的整體空間和總成本，為進(jìn)入更多輕巧便攜電子設(shè)備/穿戴式產(chǎn)品帶來(lái)可能。

“我們的獨(dú)特性在于融合軟件BSX都是自行開(kāi)發(fā)的，這意味著不同方案都可以通過(guò)硬件和軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)完美匹配。”博世傳感器發(fā)言人表示。此外，其軟件是基于混合傳感器數(shù)據(jù)融合方法，這意味著緊密傳感器耦合與松散傳感器耦合能并行使用，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在傳感器數(shù)據(jù)處理能力(功耗)和整體感知準(zhǔn)確性之間的最佳折衷。

飛思卡爾市場(chǎng)經(jīng)理高小龍表示，情境感知的廣泛需求敦促傳感器廠商不單只提供硬件芯片，而且能夠針對(duì)客戶(hù)的應(yīng)用需求提供更加豐富的軟件方案及算法。Freescale能夠免費(fèi)提供6/9/10軸的傳感器數(shù)據(jù)融合算法及相關(guān)軟件，能夠提供給系統(tǒng)廠商豐富、準(zhǔn)確的軟件接口去開(kāi)發(fā)更多的定制化應(yīng)用。

意法半導(dǎo)體的iNEMO引擎則是基于卡爾曼濾波器(KalmanFilter)理論，采用一套自適應(yīng)預(yù)測(cè)和濾波算法，能夠識(shí)別由加速度計(jì)、陀螺儀、羅盤(pán)以及壓力傳感器組成的多個(gè)傳感器的輸入信息，并可自動(dòng)修正傳感器的測(cè)量失真、錯(cuò)誤以及干擾，從而大幅提升用戶(hù)體驗(yàn)以及感應(yīng)精度、分辨率、穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間。

如何很好地利用傳感器的原始數(shù)據(jù)去描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)就涉及到數(shù)據(jù)的融合，鄧川軍指出，“我們有很資深的團(tuán)隊(duì)從事這方面的工作，例如KMX61就通過(guò)自己的算法，在擁有加速度計(jì)和磁力計(jì)性能的前提下，可以擁有軟陀螺儀的功能，大大地減少了成本和功耗，功耗僅為550uA。”移動(dòng)設(shè)備中的許多應(yīng)用需要得益于陀螺儀功能，但不需要傳統(tǒng)陀螺儀的極致表現(xiàn)，選擇這種方案就非常合適。

這種通過(guò)軟件算法，以六軸產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)九軸功能的方案，博世傳感器認(rèn)為是非常有用的，“我們?cè)贠EM端第一次使用這種方案是在2011年，采用的是6軸電子羅盤(pán)(3軸加速度計(jì)+3軸磁傳感器)BMC050。現(xiàn)在有許多OEM廠商都采用這種方式，“磁力陀螺儀功能是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)功能，2年多前就在傳感器數(shù)據(jù)融合庫(kù)BSX提供。”發(fā)言人表示。

這種方案帶給用戶(hù)最大的好處就是功耗的降低和成本的降低，但它也有一定的局限性，趙延輝指出，“比如磁傳感器非常易受干擾等。”高小龍也認(rèn)為，如果使用電子羅盤(pán)+加速計(jì)模擬陀螺儀，在響應(yīng)速度和用戶(hù)體驗(yàn)上會(huì)有明顯的差距。

為不同應(yīng)用選擇合適的傳感器與恰當(dāng)?shù)男阅芎苤匾琁nvenSense營(yíng)銷(xiāo)及業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁AliFoughi持類(lèi)似觀點(diǎn)，“例如，使用羅盤(pán)+加速度計(jì)作為一個(gè)軟陀螺儀就不是一個(gè)好主意。這是因?yàn)橥勇輧x的優(yōu)勢(shì)是為運(yùn)動(dòng)跟蹤提供精度和速度，而軟陀螺儀被證實(shí)速度慢而且容易有誤差。事實(shí)上室內(nèi)的磁場(chǎng)干擾會(huì)使得軟陀螺儀無(wú)法使用。”

專(zhuān)用MCU運(yùn)行傳感器數(shù)據(jù)融合

我們看到一個(gè)明確的趨勢(shì)，那就是在智能手機(jī)中采用傳感器hub(用MCU運(yùn)行傳感器數(shù)據(jù)融合)。“背后的原因是，現(xiàn)在的傳感器總是開(kāi)機(jī)狀態(tài)，應(yīng)用處理器運(yùn)行的傳感器數(shù)據(jù)融合算法需要大量功耗。”博世傳感器發(fā)言人指出，“目前的解決方案主要是使用獨(dú)立微控制器和傳感器組合接口。我們的BSX傳感器數(shù)據(jù)融合軟件向所有主流MCU廠商提供方案。此外，我們的還提供集成的傳感器HubBNO055，這是個(gè)九軸解決方案，集成了基于ARMCortexM0+的微控制器，并預(yù)裝了BSX。這是首款單封裝、真正的即插即用9軸傳感器數(shù)據(jù)融合解決方案。”

除了手機(jī)里采用傳感器Hub，趙延輝認(rèn)為在其他領(lǐng)域中，如果在MCU里集成對(duì)MEMS傳感器的系統(tǒng)校正和處理算法，會(huì)省去客戶(hù)大部分的硬件建立時(shí)間，甚至是軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，那將非常受歡迎，就像ADI的iSensor系列產(chǎn)品ADIS16209、ADIS16229和ADIS16488A等。

高小龍認(rèn)為，多軸MEMS與MCU結(jié)合將很快成為市場(chǎng)的主流，應(yīng)用主要在智能手機(jī)的sensorhub及可穿戴產(chǎn)品。飛思卡爾最近推出的穿戴式產(chǎn)品的解決方案包括專(zhuān)業(yè)級(jí)計(jì)步器MMA9553，及MMA95000(MCU+加速度)。

主流廠商熱門(mén)產(chǎn)品

業(yè)界對(duì)整體傳感方案的簡(jiǎn)化需求推動(dòng)了今天多軸MEMS的發(fā)展。博世傳感器發(fā)言人認(rèn)為，目前主流的方案是6軸電子羅盤(pán)(加速度計(jì)+磁強(qiáng)計(jì)封裝在一起)和慣性傳感器IMU(加速度計(jì)+陀螺儀封裝在一起)。電子羅盤(pán)組合主要應(yīng)用于中/低端智能手機(jī)及廣泛的配件，IMU主要用于高端智能手機(jī)和HMI設(shè)備，而像9軸器件BMX055等則主要用于平板電腦和配件。而未來(lái)9軸設(shè)備市場(chǎng)將會(huì)增長(zhǎng)，且其解決方案將小于3x3mm——這樣才可能集成到智能手機(jī)。

同樣，高小龍也認(rèn)為在中國(guó)市場(chǎng)，陀螺儀+加速計(jì)將在今年迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)，而9軸組合的需求增長(zhǎng)可能要到下半年。他指出在中高度整合手機(jī)上，6+3的方案將更有優(yōu)勢(shì)一些。至于對(duì)MEMS傳感器與RF的集成需求則主要來(lái)自可穿戴產(chǎn)品，大規(guī)模的增長(zhǎng)可能要到明年年初。

同樣認(rèn)為Foughi也贊同表示可穿戴的市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)以及其對(duì)尺寸空間的限制，會(huì)促進(jìn)9軸傳感器有巨大的市場(chǎng)需求，“事實(shí)上已有很多客戶(hù)感興趣我們9軸解決方案。”

此外，Invensense前不久還推出來(lái)一款7軸方案ICM-20728，集成了一個(gè)壓力傳感器和加速度計(jì)、陀螺儀和數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器(DMP)。通過(guò)提供絕對(duì)和相對(duì)高程變化，集成的壓力傳感器使3D戶(hù)外/室內(nèi)3D導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)Always-On的定位功能，并能對(duì)健康和健身應(yīng)用提供更準(zhǔn)確的能量消耗。

在面對(duì)成本壓力方面，各廠商應(yīng)對(duì)方式也不同。博世傳感器認(rèn)為，想要應(yīng)對(duì)成本挑戰(zhàn)，一般的標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)就是通過(guò)減少元器件尺寸減少器件成本，同時(shí)增加集成。但事實(shí)上，縮小尺寸和更高集成超過(guò)一定水平時(shí)會(huì)犧牲總體傳感性能，導(dǎo)致行業(yè)尋求新方式。OEM廠商開(kāi)始考慮他們傳感器解決方案的TCO(總擁有成本)。隨著傳感器解決方案集成度的增加，TTM和NRE(非經(jīng)常性工程造價(jià))占去TCO的很大一部分。博世傳感器則試圖通過(guò)提供“plug&play”傳感器解決方案解決這個(gè)問(wèn)題。

“目前MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器在消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中的利潤(rùn)已經(jīng)非常低了。ADI著重會(huì)做一些差異化的產(chǎn)品以保證一定的利潤(rùn)，比如我們有業(yè)界最低功耗的MEMS加速度計(jì)ADXL362，最高溫度范圍的MEMS加速度計(jì)ADXL206，以及高端工業(yè)應(yīng)用的IMU等。”趙延輝表示。

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