高端MEMS助力位置服務(wù)、智能制造、地震預(yù)警

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器已發(fā)展了40余年，已滲透到汽車、工業(yè)和人們的日常生活中。例如手機(jī)里常用的麥克風(fēng)和加速器。手機(jī)里的MEMS麥克風(fēng)越來越多，以更好地拾音；手機(jī)加速器的精度越來越高，例如當(dāng)你用手機(jī)導(dǎo)航時(shí)，車開進(jìn)了隧道，手機(jī)依然可以導(dǎo)航，這時(shí)已經(jīng)不是靠衛(wèi)星導(dǎo)航了，而是靠手機(jī)里的MEMS芯片來實(shí)現(xiàn)的。

在交通工具方面，汽車安全氣囊、車身平穩(wěn)控制，或者高鐵上的一些安全監(jiān)測都會(huì)用到MEMS。

醫(yī)療方面，一個(gè)典型的案例是過去非常依賴醫(yī)生精準(zhǔn)的手術(shù)技術(shù)，現(xiàn)在用一些非常小的MEMS傳感器，可以對手術(shù)路徑做引導(dǎo)，讓一些不是那么專業(yè)的醫(yī)生依然可以做專業(yè)的手術(shù)。

不久前，ADI公司亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝先生向電子產(chǎn)品世界等媒體介紹了MEMS傳感器在位置服務(wù)、智能制造和地震監(jiān)測中的最新應(yīng)用動(dòng)向，以及ADI的部分領(lǐng)先產(chǎn)品。   

ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān) 趙延輝

1 高精度位置服務(wù)的剛需

1.1 位置服務(wù)的10大應(yīng)用場景

2019年10月底、11月初時(shí)，中國移動(dòng)投入了3億多元，購置了4千多個(gè)基站，這些基站不是通常意義上的手機(jī)通信的基站，而是用來提供高精度位置服務(wù)的。

為什么中國移動(dòng)要提供這種位置服務(wù)？因?yàn)楝F(xiàn)在5G時(shí)代正在到來，可以真正通過5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。萬物互聯(lián)之后，還需要知道“物”的準(zhǔn)確位置。下圖列出了公認(rèn)的需要高精度定位的10大應(yīng)用，包括自動(dòng)駕駛、手機(jī)定位等。

1.2 彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航的不足

我國的北斗三號衛(wèi)星在2020年可以完成全球布局，也會(huì)為國內(nèi)利用北斗實(shí)現(xiàn)高精度位置服務(wù)的市場帶來井噴式的發(fā)展。這和MEMS有什么相關(guān)性呢？實(shí)際上，海量的需求連到網(wǎng)絡(luò)里需要位置的信息，是離不開慣性導(dǎo)航的，因?yàn)橐韵?方面會(huì)帶來很大的定位精度的誤差。

1）現(xiàn)在北斗三號衛(wèi)星的誤差精度大約是2.5~5 m的精度，這對很多應(yīng)用還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)榧偃邕@時(shí)連著1個(gè)岔路口，導(dǎo)航有可能指引出錯(cuò)誤的方向。因此，一定需要一些輔助的手段來提高衛(wèi)星導(dǎo)航的精度。

2）俗話說：做衛(wèi)星導(dǎo)航是靠天吃飯的，因?yàn)樾l(wèi)星在外太空把信號傳過回來，首先要穿過大氣電離層和對流層，會(huì)有一定的折射誤差，因此手機(jī)及高精度的接收機(jī)都會(huì)收到一定的噪音。

3）能通過衛(wèi)星來定位，是因?yàn)槲覀儨?zhǔn)確地知道了衛(wèi)星的位置，但是衛(wèi)星也有軌道誤差。

4）在理論情況下，各種手機(jī)或接收機(jī)能夠接收到衛(wèi)星傳回來的信號。但很多人生活在城市峽谷里——不僅接收到衛(wèi)星直接傳回來的信號，還有衛(wèi)星信號打在建筑物上再折射回來的信號，它們會(huì)產(chǎn)生多路徑的效應(yīng)。

5）一些場景沒有衛(wèi)星信號。例如汽車開進(jìn)隧道或室內(nèi)停車場。這對于現(xiàn)在非?；鸨淖詣?dòng)駕駛概念是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樽詣?dòng)車行駛到隧道里，不能駛出車道線，一般行業(yè)要求精度不超過20 cm，這時(shí)候只能靠慣導(dǎo)了。慣導(dǎo)利用了MEMS技術(shù)。

1.3 MEMS慣導(dǎo)是定位安全的最后一到屏障

也許有人認(rèn)為有點(diǎn)危言聳聽，例如車進(jìn)入了隧道，還有很多其它技術(shù)，例如還有視覺和雷達(dá)的技術(shù)都是可以用的。但是有兩點(diǎn)理由。

1）所有的其它技術(shù)都非常依賴于外部的環(huán)境。例如衛(wèi)星導(dǎo)航必須得能看到衛(wèi)星，才能利用衛(wèi)星導(dǎo)航。關(guān)于雷達(dá)，由于霧霾等空氣質(zhì)量的影響，雷達(dá)有可能失效。關(guān)于視覺，也和人眼一樣，以隧道場景為例，假如白天外面非常明亮，從一個(gè)很亮的環(huán)境忽然行駛到很暗的環(huán)境里，就像人眼會(huì)瞬間致盲一樣，這時(shí)候視覺也提供不了準(zhǔn)確的位置判斷。還有在強(qiáng)光下，人會(huì)看不清東西，視覺也一樣。所以視覺受到太多的環(huán)境影響，包括車載里程計(jì)，車載路面打滑怎么辦？它們都太依靠外部的環(huán)境下。只有慣導(dǎo)IMU（慣性測量單元），不依賴于任何的外部環(huán)境。

2）在做導(dǎo)航定位的時(shí)候，感覺導(dǎo)航更新較慢，例如車速開得很快的時(shí)候，到一個(gè)路口，開過去了才說岔路右轉(zhuǎn)。這是因?yàn)楹芏嘈l(wèi)星導(dǎo)航或者視覺更新速度太慢了，例如衛(wèi)星導(dǎo)航，一般是1 s更新1次，現(xiàn)在最快可以做到幾十Hz，即1 s更新幾十次。對于高端的應(yīng)用，涉及到國防安全的應(yīng)用，盡管最多可達(dá)幾百Hz級，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到連續(xù)導(dǎo)航的水平。連續(xù)導(dǎo)航至少需要做到幾ms級，這是ADI IMU可以輕松做到的。

不過，IMU也并非十全十美，取決于多長時(shí)間，例如進(jìn)入隧道了，在其它傳感器都失效的情況下，希望車不出車道線20 cm的精度，要依靠IMU 10 s、1 h都能做得到嗎？這時(shí)，依賴IMU的時(shí)間越長，需要選擇的傳感器的精度就要越高，這意味著在做傳感器融合的時(shí)候，并不是傳感器越多越好，而不考慮傳感器的性能。如果選擇不當(dāng)，可能拿來的都是一些無用的數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位。