對于MEMS加速度計而言，低功耗的追求尚未達到止境。尤其是在某些對于功耗敏感的應(yīng)用上，幾十、幾百nW的功耗水平提升，帶來的可能是系統(tǒng)體驗的巨大升級。

從ADI最新的MEMS加速度計的表現(xiàn)來看，在傳感器監(jiān)測模式下，其電流消耗已經(jīng)低于一個普通紐扣電池的自放電，可以實現(xiàn)143年的連續(xù)監(jiān)測，相比人的平均壽命而言，實現(xiàn)了“永久在線”。

近日ADI在北京召開了MEMS加速度計新品發(fā)布會，ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝向記者分享了最新的MEMS產(chǎn)品動向。

ADXL367的自我超越：更低功耗、更小體積

早在2012年，ADI就發(fā)布了以超低噪聲和超低功耗為特色的加速度計——ADXL362，該器件獲得了非常好的市場反饋，十年來也給ADI帶來了可觀的財務(wù)回報。雖然已經(jīng)發(fā)布了近十年，但目前市場上能夠和ADXL362的功耗水平比肩的加速度計產(chǎn)品，仍然是少之又少。

雖然ADXL362仍具有強勢的市場競爭力，但長期以來作為MEMS技術(shù)領(lǐng)先者，ADI已經(jīng)將目光投向更遠(yuǎn)方。如下表所示，最新發(fā)布的ADXL367相比ADXL362實現(xiàn)了更高的性能突破。首先是尺寸上更小；超低功耗模式電流消耗和供電電壓優(yōu)化實現(xiàn)了更好的功耗表現(xiàn)；數(shù)字分辨率從12-bit提高到了14-bit，噪聲密度也有顯著提升；數(shù)字接口上也根據(jù)客戶需求添加了I²C。

【1.1V低壓拓展的意義】

雖然ADXL362的1.6V供電電壓已經(jīng)很低了，但ADXL367的“1.1V”為低功耗系統(tǒng)應(yīng)用賦予了更多的可能。

不同類型的電池有著不同的放電曲線特性，有的電池在快沒電時會突然從3V降至1V或零點幾伏，有的電池電壓則會緩慢下降，對于某些待機和功耗敏感的應(yīng)用而言，希望傳感器即便在電池低壓的驅(qū)動下，也能夠正常工作。例如助聽器中的鋅空電池要求在1.1V情況下還能夠工作，甚至在某些極端情況下希望0.9V也能夠正常工作。“可以想像一下，如果傳感器在電池低壓的時候持續(xù)工作，相當(dāng)于在無形中把系統(tǒng)的使用時間進行了非常強有力的放大。”趙延輝分享到，“所以說基于這樣的應(yīng)用場景考量，ADI把ADXL367的工作電壓做到了在1.1V的時候依然可以正常地工作。”

【噪聲密度降低】

相比ADXL362，ADXL367在噪聲密度上實現(xiàn)了非常大的改觀。ADXL362由于MEMS結(jié)構(gòu)上的變化，Z軸上的噪聲密度相比X和Y軸會大得多，而在ADXL367上X、Y、Z三個軸的噪聲密度表現(xiàn)是一致的。尤其是低功耗模式下，X、Y、Z三個軸都做到了375μg/√Hz的水平。

超低噪聲對于醫(yī)療場景而言更具意義，像在心臟起搏器或心臟條件監(jiān)測的應(yīng)用中，傳感器的噪聲更低就可以捕捉到更微小的心臟變化；在呼吸檢測場景中，傳感器噪聲更低就意味著更容易捕捉到呼吸信號，從而對設(shè)備佩戴位置的要求不再那么嚴(yán)苛。

【I²C的回歸】

在ADXL362中出于低功耗的考慮，并未提供I²C的接口，只提供了SPI的接口。這是因為I2C的連接必然要增加一個上拉電阻，上拉電阻也會產(chǎn)生一定的功耗，甚至可能消耗的電能比傳感器本身還要多，從系統(tǒng)設(shè)計角度來看，選擇SPI接口就可以節(jié)省掉這一個上拉電阻所帶來的功耗。

但不少客戶反饋：他們的系統(tǒng)設(shè)計中亟需I2C接口來外掛不同類型的傳感器。為此，ADXL367上專門增加了I²C接口來大幅降低了客戶系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。這時候一個I²C上拉電阻的功耗消耗從系統(tǒng)角度來看就不那么明顯了。當(dāng)然，對于某些簡單的系統(tǒng)而言，選擇SPI接口仍是更好的選擇，功耗降低會更顯著。

【豐富數(shù)字特性】

像TWS耳機和助聽器等可穿戴設(shè)備，需要觸摸、點按一類的人機交互功能，同時又對設(shè)備整體外型尺寸非常敏感，所以客戶會希望加速度計本身就具備一定的數(shù)字特性來滿足這些人機交互的功能。

因此ADXL367內(nèi)部集成了單擊和雙擊、墜落、活動檢測等功能，不需要用戶再通過主處理器針對輸出波形做算法分析進行判斷，從而降低了主機微處理器的計算需求，進而達到系統(tǒng)整體功耗優(yōu)化和相應(yīng)提升的效果，也降低了系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜度。除了以上特性外，ADXL367還集成了自檢（self test）、溫度傳感器等功能。

【超低功耗的意義】

在某些功耗敏感的應(yīng)用上，小幅度的功耗降低也可以展現(xiàn)出巨大的體驗提升，而這正是ADI在MEMS傳感器上持續(xù)追求低功耗的意義。ADXL367在低功耗的測量模式下，器件整體功耗大概只有970nW，超低噪聲模式下也在2000nW以內(nèi)。使用一顆紐扣電池為ADXL367供電，在低功耗模式下，提供100Hz的數(shù)據(jù)輸出速率，可以連續(xù)工作29年；在監(jiān)測模式下，傳感器的消耗甚至低于電池自放電，可以達到143年的連續(xù)監(jiān)測時間。

在醫(yī)療領(lǐng)域，尤其是植入式醫(yī)療，傳感器的低功耗對于系統(tǒng)的意義重大。更低的功耗意味著更長的電池壽命，像心臟起搏器這種設(shè)備而言，即意味著病人可以減少開刀更換設(shè)備的次數(shù)。在工業(yè)領(lǐng)域和某些物聯(lián)網(wǎng)場景中，像山體滑坡監(jiān)測、井蓋監(jiān)測等，進行電池更換也并不容易，像ADXL367這樣的超長待機，就可以免除電池更換的煩惱。

滿足胎壓和電池碰撞監(jiān)測——ADXL314

針對新興的汽車市場應(yīng)用，ADI還推出了一款車規(guī)級低功耗低噪聲大量程的三軸加速度計——ADXL314。

對于電動汽車而言，碰撞后的電池安全問題非常關(guān)鍵，需要對電池進行實時的狀態(tài)監(jiān)測。電池廠商希望能夠獲取足夠多的碰撞時電池信息，根據(jù)電池的受沖擊和受損情況，系統(tǒng)能及時提供相應(yīng)的保護措施。雖然電池中有BMS，但BMS的監(jiān)測周期和對數(shù)據(jù)的采樣頻率并不高，BMS的監(jiān)測都需要在主處理器上去進行處理，而當(dāng)前和BMS相連的大部分主處理器的頻率僅是幾百M的水平，并不能夠應(yīng)對突然碰撞事件的高頻處理需求，對于電流和電壓的監(jiān)測并不能夠做到實時反饋。

ADXL314集成相對運動、絕對運動，或是靜止的檢測中斷，內(nèi)置32級的FIFO，可以集成進電池包中進行碰撞檢測。當(dāng)碰撞發(fā)生時，傳感器可以將碰撞前發(fā)生的32級FIFO保存的數(shù)據(jù)全部傳輸給傳感器進行數(shù)據(jù)分析和處理。ADXL314本身的還具備重力檢測功能，可以判斷碰撞時是發(fā)生在平地還是斜坡；運動判斷功能，可以支持用戶獲取碰撞的加速度；全面的數(shù)據(jù)采集功能，可以方便用戶進行事故后的分析。

趙延輝表示，“ADXL314可以在比較小的加速度情況下判斷沖擊到底是從哪個方向來的，而且對另外兩個軸線的影響有多大。再者，在積分算速度的時候，低噪聲可以給用戶相對準(zhǔn)確的車速條件。以上都是ADXL314相較于市場上已有產(chǎn)品的突出優(yōu)勢。”

ADXL314在汽車上的另一個典型的應(yīng)用場景是胎壓檢測。不同于傳統(tǒng)的簡單壓力傳感的胎壓監(jiān)測方案，當(dāng)前大部分胎壓監(jiān)測中集成了加速度計。加速度計一是可以作為整個系統(tǒng)工作的開關(guān)，當(dāng)檢測到加速度的時候讓壓力傳感開始工作；二是可以將行駛過程中采集到的加速度積分成速度信息，配合給出胎壓信息更多的場景判斷。

作為汽車場景的應(yīng)用，ADXL314滿足AEC-Q100車規(guī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。另外ADI還專門針對“耐沖擊”特性進行了設(shè)計，保證傳感器在10000g加速度沖擊下，無論是帶電還是不帶電的情況下，傳感器都可以正常地存活下來。

客戶導(dǎo)向，高性價比——ADXL359

在2017年ADI發(fā)布了低噪聲中等量程MEMS加速度計ADXL356和ADXL357，在農(nóng)業(yè)自動化、無人機和振動領(lǐng)域獲得非常好的市場反響。從這部分目標(biāo)客戶的反饋來看，對于加速度計的長期穩(wěn)定性、振動特性和噪聲表現(xiàn)非常滿意，但并不太關(guān)心長期零點的精準(zhǔn)性，同時希望產(chǎn)品成本可以進一步降低。針對這些客戶的需求，ADI發(fā)布了ADXL359，在維持振動特性和噪聲性能的同時，實現(xiàn)了成本優(yōu)化。

ADXL359有兩個典型應(yīng)用場景，一個是CBM應(yīng)用，即條件狀態(tài)監(jiān)測；一個是在無人機上進行飛行狀態(tài)檢測。

據(jù)悉，CBM應(yīng)用的振動分析有三個最主要指標(biāo)，分別是帶寬、量程和噪聲密度。帶寬是保證能夠檢測到多少次諧波，ADXL359滿足ISO10816、ISO20816的標(biāo)準(zhǔn)帶寬要求；噪聲密度上ADXL359的三個軸大概都做到了80μg/√Hz；同時可以提供高至40g的量程?！皩τ谡駝臃治?，中量程（比如說10g到20g）滿足ISO10816、20816的產(chǎn)品，市場上少之又少?！壁w延輝介紹道，“我們?yōu)榱颂钛a這樣的市場空白，推出了ADXL359來做符合ISO10816、20816的CBM類需求。”

在無人機的應(yīng)用中，某些客戶希望加速度計和陀螺儀可以分開放置，雖然是一個IMU也需要分開放置，這時ADXL359就非常適合這類客戶。

此外，為了避免振動帶來的影響，無人機的傳感器會通過減震材料連接到機架上，這是通過物理方式進行振動減少；在電路設(shè)計中還會添加低通濾波器進行振動噪聲濾除。但減震材料隨著時間的推移會逐漸老化；遇到更大的振動時，低通濾波器之后的輸出也會出現(xiàn)漂移。ADXL359有著非常優(yōu)秀的振動整流誤差性能，因此即便在振動場景中，也能夠進行準(zhǔn)確的姿態(tài)和位置捕捉。

總結(jié)

MEMS傳感器的技術(shù)門檻較高，稱得上是一門交叉學(xué)科。從材料、機械、電路和封裝形式上都要有所考慮。ADI是第一家將MEMS加速度計實現(xiàn)商用化的廠商，更是第一個做出了汽車安全囊傳感器。隨著從高可靠的汽車市場走向了消費應(yīng)用市場，ADI已在汽車和消費類市場上贏得了堅定的客戶支持。近年來，ADI持續(xù)在MEMS傳感器創(chuàng)新上自我突破，同時堅持以客戶需求為導(dǎo)向，成為其在該市場上成功的關(guān)鍵。

據(jù)悉ADI的IMU相關(guān)新品，也有望于近期發(fā)布。