当前位置:首页 > 原创 > 刘岩轩
[导读]对于MEMS加速度计而言,低功耗的追求尚未达到止境。尤其是在某些对于功耗敏感的应用上,几十、几百nW的功耗水平提升,带来的可能是系统体验的巨大升级。

对于MEMS加速度计而言,低功耗的追求尚未达到止境。尤其是在某些对于功耗敏感的应用上,几十、几百nW的功耗水平提升,带来的可能是系统体验的巨大升级。

ADI最新的MEMS加速度计的表现来看,在传感器监测模式下,其电流消耗已经低于一个普通纽扣电池的自放电,可以实现143年的连续监测,相比人的平均寿命而言,实现了“永久在线”。

近日ADI在北京召开了MEMS加速度计新品发布会,ADI亚太区微机电产品线总监赵延辉向记者分享了最新的MEMS产品动向。


ADXL367的自我超越:更低功耗、更小体积

早在2012年,ADI就发布了以超低噪声和超低功耗为特色的加速度计——ADXL362,该器件获得了非常好的市场反馈,十年来也给ADI带来了可观的财务回报。虽然已经发布了近十年,但目前市场上能够和ADXL362的功耗水平比肩的加速度计产品,仍然是少之又少。

虽然ADXL362仍具有强势的市场竞争力,但长期以来作为MEMS技术领先者,ADI已经将目光投向更远方。如下表所示,最新发布的ADXL367相比ADXL362实现了更高的性能突破。首先是尺寸上更小;超低功耗模式电流消耗和供电电压优化实现了更好的功耗表现;数字分辨率从12-bit提高到了14-bit,噪声密度也有显著提升;数字接口上也根据客户需求添加了I2C。

【1.1V低压拓展的意义】

虽然ADXL362的1.6V供电电压已经很低了,但ADXL367的“1.1V”为低功耗系统应用赋予了更多的可能。

不同类型的电池有着不同的放电曲线特性,有的电池在快没电时会突然从3V降至1V或零点几伏,有的电池电压则会缓慢下降,对于某些待机和功耗敏感的应用而言,希望传感器即便在电池低压的驱动下,也能够正常工作。例如助听器中的锌空电池要求在1.1V情况下还能够工作,甚至在某些极端情况下希望0.9V也能够正常工作。“可以想像一下,如果传感器在电池低压的时候持续工作,相当于在无形中把系统的使用时间进行了非常强有力的放大。”赵延辉分享到,“所以说基于这样的应用场景考量,ADI把ADXL367的工作电压做到了在1.1V的时候依然可以正常地工作。”

【噪声密度降低】

相比ADXL362,ADXL367在噪声密度上实现了非常大的改观。ADXL362由于MEMS结构上的变化,Z轴上的噪声密度相比X和Y轴会大得多,而在ADXL367上X、Y、Z三个轴的噪声密度表现是一致的。尤其是低功耗模式下,X、Y、Z三个轴都做到了375µg/√Hz的水平。

超低噪声对于医疗场景而言更具意义,像在心脏起搏器或心脏条件监测的应用中,传感器的噪声更低就可以捕捉到更微小的心脏变化;在呼吸检测场景中,传感器噪声更低就意味着更容易捕捉到呼吸信号,从而对设备佩戴位置的要求不再那么严苛。

【I2C的回归】

在ADXL362中出于低功耗的考虑,并未提供I2C的接口,只提供了SPI的接口。这是因为I2C的连接必然要增加一个上拉电阻,上拉电阻也会产生一定的功耗,甚至可能消耗的电能比传感器本身还要多,从系统设计角度来看,选择SPI接口就可以节省掉这一个上拉电阻所带来的功耗。

但不少客户反馈:他们的系统设计中亟需I2C接口来外挂不同类型的传感器。为此,ADXL367上专门增加了I2C接口来大幅降低了客户系统设计的复杂度。这时候一个I2C上拉电阻的功耗消耗从系统角度来看就不那么明显了。当然,对于某些简单的系统而言,选择SPI接口仍是更好的选择,功耗降低会更显著。

【丰富数字特性】

像TWS耳机和助听器等可穿戴设备,需要触摸、点按一类的人机交互功能,同时又对设备整体外型尺寸非常敏感,所以客户会希望加速度计本身就具备一定的数字特性来满足这些人机交互的功能。

因此ADXL367内部集成了单击和双击、坠落、活动检测等功能,不需要用户再通过主处理器针对输出波形做算法分析进行判断,从而降低了主机微处理器的计算需求,进而达到系统整体功耗优化和相应提升的效果,也降低了系统的设计复杂度。除了以上特性外,ADXL367还集成了自检(self test)、温度传感器等功能。

【超低功耗的意义】

在某些功耗敏感的应用上,小幅度的功耗降低也可以展现出巨大的体验提升,而这正是ADI在MEMS传感器上持续追求低功耗的意义。ADXL367在低功耗的测量模式下,器件整体功耗大概只有970nW,超低噪声模式下也在2000nW以内。使用一颗纽扣电池为ADXL367供电,在低功耗模式下,提供100Hz的数据输出速率,可以连续工作29年;在监测模式下,传感器的消耗甚至低于电池自放电,可以达到143年的连续监测时间。

在医疗领域,尤其是植入式医疗,传感器的低功耗对于系统的意义重大。更低的功耗意味着更长的电池寿命,像心脏起搏器这种设备而言,即意味着病人可以减少开刀更换设备的次数。在工业领域和某些物联网场景中,像山体滑坡监测、井盖监测等,进行电池更换也并不容易,像ADXL367这样的超长待机,就可以免除电池更换的烦恼。


满足胎压和电池碰撞监测——ADXL314

针对新兴的汽车市场应用,ADI还推出了一款车规级低功耗低噪声大量程的三轴加速度计——ADXL314。

对于电动汽车而言,碰撞后的电池安全问题非常关键,需要对电池进行实时的状态监测。电池厂商希望能够获取足够多的碰撞时电池信息,根据电池的受冲击和受损情况,系统能及时提供相应的保护措施。虽然电池中有BMS,但BMS的监测周期和对数据的采样频率并不高,BMS的监测都需要在主处理器上去进行处理,而当前和BMS相连的大部分主处理器的频率仅是几百M的水平,并不能够应对突然碰撞事件的高频处理需求,对于电流和电压的监测并不能够做到实时反馈。

ADXL314集成相对运动、绝对运动,或是静止的检测中断,内置32级的FIFO,可以集成进电池包中进行碰撞检测。当碰撞发生时,传感器可以将碰撞前发生的32级FIFO保存的数据全部传输给传感器进行数据分析和处理。ADXL314本身的还具备重力检测功能,可以判断碰撞时是发生在平地还是斜坡;运动判断功能,可以支持用户获取碰撞的加速度;全面的数据采集功能,可以方便用户进行事故后的分析。

赵延辉表示,“ADXL314可以在比较小的加速度情况下判断冲击到底是从哪个方向来的,而且对另外两个轴线的影响有多大。再者,在积分算速度的时候,低噪声可以给用户相对准确的车速条件。以上都是ADXL314相较于市场上已有产品的突出优势。”

ADXL314在汽车上的另一个典型的应用场景是胎压检测。不同于传统的简单压力传感的胎压监测方案,当前大部分胎压监测中集成了加速度计。加速度计一是可以作为整个系统工作的开关,当检测到加速度的时候让压力传感开始工作;二是可以将行驶过程中采集到的加速度积分成速度信息,配合给出胎压信息更多的场景判断。

作为汽车场景的应用,ADXL314满足AEC-Q100车规认证标准。另外ADI还专门针对“耐冲击”特性进行了设计,保证传感器在10000g加速度冲击下,无论是带电还是不带电的情况下,传感器都可以正常地存活下来。


客户导向,高性价比——ADXL359

在2017年ADI发布了低噪声中等量程MEMS加速度计ADXL356和ADXL357,在农业自动化、无人机和振动领域获得非常好的市场反响。从这部分目标客户的反馈来看,对于加速度计的长期稳定性、振动特性和噪声表现非常满意,但并不太关心长期零点的精准性,同时希望产品成本可以进一步降低。针对这些客户的需求,ADI发布了ADXL359,在维持振动特性和噪声性能的同时,实现了成本优化。

ADXL359有两个典型应用场景,一个是CBM应用,即条件状态监测;一个是在无人机上进行飞行状态检测。

据悉,CBM应用的振动分析有三个最主要指标,分别是带宽、量程和噪声密度。带宽是保证能够检测到多少次谐波,ADXL359满足ISO10816、ISO20816的标准带宽要求;噪声密度上ADXL359的三个轴大概都做到了80µg/√Hz;同时可以提供高至40g的量程。“对于振动分析,中量程(比如说10g到20g)满足ISO10816、20816的产品,市场上少之又少。”赵延辉介绍道,“我们为了填补这样的市场空白,推出了ADXL359来做符合ISO10816、20816的CBM类需求。”

在无人机的应用中,某些客户希望加速度计和陀螺仪可以分开放置,虽然是一个IMU也需要分开放置,这时ADXL359就非常适合这类客户。

此外,为了避免振动带来的影响,无人机的传感器会通过减震材料连接到机架上,这是通过物理方式进行振动减少;在电路设计中还会添加低通滤波器进行振动噪声滤除。但减震材料随着时间的推移会逐渐老化;遇到更大的振动时,低通滤波器之后的输出也会出现漂移。ADXL359有着非常优秀的振动整流误差性能,因此即便在振动场景中,也能够进行准确的姿态和位置捕捉。


总结

MEMS传感器的技术门槛较高,称得上是一门交叉学科。从材料、机械、电路和封装形式上都要有所考虑。ADI是第一家将MEMS加速度计实现商用化的厂商,更是第一个做出了汽车安全囊传感器。随着从高可靠的汽车市场走向了消费应用市场,ADI已在汽车和消费类市场上赢得了坚定的客户支持。近年来,ADI持续在MEMS传感器创新上自我突破,同时坚持以客户需求为导向,成为其在该市场上成功的关键。

据悉ADI的IMU相关新品,也有望于近期发布。

声明:该篇文章为本站原创,未经授权不予转载,侵权必究。
换一批
延伸阅读

输入/输出缓冲器信息规范(IBIS)是一种行为模型,作为生成器件模型的标准格式而在全球受到欢迎。器件模型的精度取决于行业提供的IBIS模型的质量。因此,为信号完整性仿真提供高质量、可靠的IBIS模型是对客户的坚定承诺。

关键字: ADI IBIS

为增进大家对物联网的认识,本文将对物联网中的几个重要技术予以介绍。

关键字: 物联网 指数 MEMS

为了不断减小尺寸、重量、功率和成本,同时提高或保持性能,RF系统设计人员有必要评估信号链中的每个组件,并寻找创新机会。由于通常滤波器会占用大量的电路板空间,因此这是考虑减小尺寸时寻求突破的重点领域。

关键字: ADI 数字可调谐滤波器

过去十年来,蜂窝网络和手机的普及导致对支持移动通信基础设施的电子产品需求呈指数级增长。同时对更高带宽的需求也在推动网络提供商不断扩大覆盖范围,同时增加蜂窝密度;反过来,这也促进了对基础设施硬件的需求。

关键字: ADI AISG v3.0

本文延续之前的一系列短文,旨在为非RF工程师讲解RF的奥秘。其中一些RF文章如下:“RF揭秘——了解波反射”,探讨了波反射;“如何轻松选择正确的频率产生器件”,探讨了RF信号链中发挥作用的频率产生器件的主要类型。

关键字: ADI 散射参数

LED不同于传统的带有灯丝或气体成分的电灯。利用特定的半导体结,LED制造商可以生成整个可见光范围的特定颜色的光,以及红外线和紫外线。在汽车应用中,LED可以提高白天和夜间驾驶的安全性。效率的提高可以延长电动汽车的电池寿...

关键字: ADI 汽车LED驱动器

在如今的车辆之中,高级驾驶员辅助系统(ADAS)的重要性与日俱增。它们可以帮助尽可能减少人为操作错误,提升驾驶员和道路安全。早期的ADAS只包含单个自动驾驶员辅助功能,例如使用一个雷达传感器的自适应巡航控制功能。

关键字: ADI ADAS 开关电源

特斯拉对电池“超级工厂”的巨额投资,以及大众汽车计划到2030年在欧洲建设6座专用电池生产厂,均表明电池已成为汽车行业最具战略意义的组成部分。

关键字: ADI wBMS

智芯传感锚定对标高端进口MEMS压力传感器产品,投入大量研发资金,利用其雄厚的技术科研实力,获得了多项自主研发专利,并掌握了包括传感器产品的设计、生产、封装、标定及模组的核心流程工艺在内的六大核心技术。

关键字: 智芯传感 传感器 MEMS

与电动汽车(EV)车厂的早期对话中,无线电池管理系统(wBMS)在技术和商务方面的挑战似乎令人生畏,但回报却非常丰厚,不容忽视。无线连接相对于有线/电缆架构的许多固有优势已经在无数商业应用中得到证明,BMS是又一个明确要...

关键字: ADI 电动汽车 无线电池管理系统

编辑精选

技术子站

关闭