多軸傳感器受追捧 MEMS加速挺進(jìn)醫(yī)療設(shè)計(jì)

多軸慣性傳感器已日益受到醫(yī)療應(yīng)用市場青睞。融合多軸感測功能的慣性MEMS元件，不論尺寸、功耗、精準(zhǔn)度與可靠性均有優(yōu)異表現(xiàn)，可符合醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的嚴(yán)苛要求，如手術(shù)導(dǎo)航工具等精密醫(yī)療儀器，皆已開始大量導(dǎo)入。

　　導(dǎo)航與汽車、卡車、飛機(jī)、輪船及人相關(guān)。然而，它也開始在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，精密手術(shù)儀器和機(jī)器人即須使用導(dǎo)航。手術(shù)導(dǎo)航工具的設(shè)計(jì)要求與傳統(tǒng)的車輛導(dǎo)航具有廣泛的共同點(diǎn)，但前者也提出一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)，如在室內(nèi)使用，無法獲得全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）支援，因而需要更高性能。

　　本文將研究醫(yī)療導(dǎo)航應(yīng)用的獨(dú)特挑戰(zhàn)，并探討從感測器機(jī)制到系統(tǒng)特性可能的解決方案，并介紹增強(qiáng)感測性能的方法，如采用卡爾曼濾波等。

　　多軸MEMS傳感器轉(zhuǎn)化醫(yī)療資訊

　　微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）已成為大多數(shù)人每天都會碰到的成熟技術(shù)，它使汽車更安全、增強(qiáng)手機(jī)可用性，并能優(yōu)化工具及運(yùn)動(dòng)設(shè)備的性能，從而提高對病人的醫(yī)療護(hù)理水準(zhǔn)。

　　用于線性運(yùn)動(dòng)檢測的MEMS元件通常是基于一個(gè)微加工的多晶矽表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形成于矽晶圓之上，通過多晶矽彈簧懸掛在晶圓的表面上，提供對加速度力的阻力。在加速度下，MEMS軸的偏轉(zhuǎn)由一個(gè)差分電容測量，該差分電容由獨(dú)立固定板和活動(dòng)品質(zhì)連接板組成。如此一來，運(yùn)動(dòng)使差分電容失衡，導(dǎo)致感測器輸出的幅度與加速度成正比。

　　例如汽車因碰撞而突然急劇減速時(shí)，安全氣囊感測器中的MEMS軸會產(chǎn)生同樣的運(yùn)動(dòng)，使得電容失衡，最終產(chǎn)生訊號觸發(fā)安全氣囊打開。此一基本加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并增加資料處理功能后，可以精確地指示傾斜度、速度甚至位置。另有一種技術(shù)上相關(guān)的結(jié)構(gòu)是陀螺儀，它能檢測旋轉(zhuǎn)速率，輸出形式為度/秒。

　　透過一個(gè)耗電量極低的微型元件，以精確檢測和測量運(yùn)動(dòng)的能力，幾乎對任何涉及運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用都具價(jià)值，表1即按運(yùn)動(dòng)類型列出基本醫(yī)療應(yīng)用。

　　盡管簡單的運(yùn)動(dòng)檢測有價(jià)值，如一個(gè)軸上的線性運(yùn)動(dòng)，但多數(shù)應(yīng)用皆涉及到多個(gè)軸上的多種類型運(yùn)動(dòng)。捕捉這種多維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不僅能帶來新的好處，且能在軸外擾動(dòng)可能影響單主軸運(yùn)動(dòng)測量的情況下，保持精度。

　　為精確測量物件所經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)，必須將多種類型（如線性和旋轉(zhuǎn)）的感測器結(jié)合起來，如加速度計(jì)對地球的重力敏感，可用來確定傾角。換言之，讓一個(gè)MEMS加速度計(jì)在一個(gè)±1g重力場中旋轉(zhuǎn)時(shí)（±90度），它能夠?qū)⒃撨\(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為角度表示。

　　然而，加速度計(jì)無法區(qū)分靜態(tài)加速度（重力）與動(dòng)態(tài)加速度。因此，加速度計(jì)可與陀螺儀結(jié)合，利用組合元件的附加資料處理能力，可分辨線性加速度與傾斜（即當(dāng)陀螺儀的輸出顯示旋轉(zhuǎn)與加速度計(jì)記錄的明顯傾斜重合時(shí)）。隨著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)程度（運(yùn)動(dòng)的軸數(shù)和運(yùn)動(dòng)自由度）增加，感測器融合過程會變得更加復(fù)雜。

　　了解環(huán)境對感測器精度的影響也很重要。顯而易見的一個(gè)因素是溫度，可對其進(jìn)行校準(zhǔn)。事實(shí)上，高精度感測器可以重新校準(zhǔn)，并自身進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。另一個(gè)不那么明顯的考慮因素是潛在的振動(dòng)，即使很輕微的振動(dòng)也會使旋轉(zhuǎn)速率感測器的精度發(fā)生偏移，這種效應(yīng)稱為線性加速度效應(yīng)和振動(dòng)校正，其影響可能很嚴(yán)重，具體取決于陀螺儀的品質(zhì)。在此種情況下，感測器融合同樣能夠提高性能，即利用加速度計(jì)來檢測線性加速度，然后利用此資訊和陀螺儀線性加速度靈敏度的校準(zhǔn)資訊進(jìn)行校正。

慣性感測器助陣醫(yī)療導(dǎo)航嶄露頭角

　　許多應(yīng)用要求多自由度的運(yùn)動(dòng)檢測，如六軸自由度慣性感測器能夠同時(shí)檢測x、y、z軸上的線性加速度和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（也稱為滾動(dòng)、俯仰和