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很多年前，智能手機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)屏功能讓不少人感嘆，手機(jī)開始開始變得人性化了。但大部分人應(yīng)該沒有思考過是什么樣的組件將物理世界旋轉(zhuǎn)的信號(hào)轉(zhuǎn)化成了數(shù)字世界的轉(zhuǎn)屏信號(hào)，這其實(shí)靠的是MEMS傳感器。
如今，MEMS不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高精度導(dǎo)航，讓你的導(dǎo)航更加精準(zhǔn)，也是導(dǎo)航安全的最后一道屏障。還能實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警，減小地震帶來的損失。
MEMS是如何實(shí)現(xiàn)的？
高精度導(dǎo)航安全的最后一道屏障
MEMS（Microelectromechanical Systems），中文可譯為微機(jī)電系統(tǒng)，是將微電子技術(shù)與機(jī)械工程融合的一種工業(yè)技術(shù)，它的操作范圍在微米范圍內(nèi)。自1964年西屋公司制造出了第一批微機(jī)電設(shè)備，MEMS如今已經(jīng)無處不在，如手機(jī)的轉(zhuǎn)屏功能的實(shí)現(xiàn)，汽車的車身平穩(wěn)控制、高鐵的安全監(jiān)測(cè)、無人機(jī)的懸停都使用了MEMS。
當(dāng)下熱門的高精度定位也缺少不了MEMS，并且還是最后一道安全屏障。高精度定位和高精度導(dǎo)航被普通消費(fèi)者熟知得益于自動(dòng)駕駛，隨著5G的商用，高精度定位也有更多需求。可以看到，運(yùn)營商也投入資源將提供高精度定位服務(wù)，今年10月，有報(bào)道稱中國移動(dòng)擬采購4400套高精度衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站設(shè)備，項(xiàng)目總預(yù)算超過3.36億元。
衛(wèi)星導(dǎo)航是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫墓δ埽蟛糠秩藨?yīng)該都遇到過這樣的情況，開車進(jìn)入隧道或者停車場(chǎng)的時(shí)候，導(dǎo)航位置更新的速度很慢甚至不更新。或者在高速公路上，地圖上的定位突然來了個(gè)“漂移”。
這有多方面的原因，一方面，衛(wèi)星從軌道上把信號(hào)傳輸回地面，需要穿過電離層對(duì)流層，這些干擾以及折射等，讓衛(wèi)星傳回來了信號(hào)產(chǎn)生了多路徑效應(yīng)，產(chǎn)生了誤差，使其精度在2.5-5米。這種精度可能會(huì)導(dǎo)致使用者在城市里走錯(cuò)路或者在高速公路錯(cuò)過出口，尚可接受。
但應(yīng)用在自動(dòng)駕駛，這樣的精度將會(huì)帶來致命的危險(xiǎn)。如果汽車進(jìn)入隧道（或沒有衛(wèi)星信號(hào)的場(chǎng)景），想要讓汽車在不超過車道線20厘米的范圍內(nèi)安全行駛，其他導(dǎo)航技術(shù)將發(fā)揮作用，比如雷達(dá)、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。但這些技術(shù)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，非常依賴外部環(huán)境。雷達(dá)可能因?yàn)橛辍㈧F、霾而失效，視覺導(dǎo)航同樣會(huì)因?yàn)楣饩€變化而失效。
ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝認(rèn)為，此時(shí)，慣性導(dǎo)航就成為了高精度高行定位的最后一道屏障。
所謂慣性導(dǎo)航，就是不依賴外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。它是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，并且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。
如果使用MEMS技術(shù)的慣性測(cè)量單元 (IMU)，就能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的導(dǎo)航。趙延輝表示，衛(wèi)星導(dǎo)航一般可以做到幾十赫茲，也就是一秒更新幾十次，高端應(yīng)用可以做到幾百赫茲的級(jí)別，但還達(dá)不到毫秒級(jí)別的連續(xù)導(dǎo)航需求，而IMU就可以輕松做到。
但他也表示，要依靠IMU的時(shí)間越長(zhǎng)，IMU的精度就要越高。高精度IMU要求內(nèi)核傳感器、震動(dòng)抑制特性都非常好。其中涉及到校準(zhǔn)、信號(hào)調(diào)理、溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)等，需要有專業(yè)的人和專業(yè)的設(shè)備，投入非常巨大。
雷鋒網(wǎng)了解到，高精度、小尺寸IMU的抑制特性能夠還能幫助無人機(jī)實(shí)現(xiàn)很好地懸停特性，無人機(jī)上幾乎99%的IMU都采用ADI的產(chǎn)品。
MEMS幫助實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警
高精度導(dǎo)航或許現(xiàn)在還不是所有人都需要的功能，但地震預(yù)警關(guān)乎每個(gè)人的安全。2019年6月17日22時(shí)55分，四川省宜賓市長(zhǎng)寧縣雙河鎮(zhèn)發(fā)生6級(jí)地震，震源深度16千米。260多公里之外的西昌俊波外國語學(xué)校提前60秒收到預(yù)警，4000多名師生順利疏散到室外。
這個(gè)地震系統(tǒng)也讓距震中34公里的宜賓市，提前10秒獲得預(yù)警，距震中240公里的成都市，提前61秒獲得預(yù)警。
要解釋地震預(yù)警系統(tǒng)的原理，首先要了解地震波。地震波（seismic wave）按傳播方式可分為縱波（P波，屬于體波）、橫波（S波，屬于體波）和面波（L波）三種，
縱波（P波）是推進(jìn)波，地殼中傳播速度為5.5~7千米/秒，在所有地震波中傳播最快，能在固體也液體中傳播，它使地面發(fā)生上下震動(dòng)，破壞性較弱。
橫波（S波）是剪切波，地殼中的傳播速度為3.2～4.0千米/秒，使地面發(fā)生前后、左右抖動(dòng)，破壞性較強(qiáng)。
面波（L波）由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波，其波長(zhǎng)大、振幅強(qiáng)，只能沿地表面?zhèn)鞑ィ瑢?duì)建筑物造成強(qiáng)烈破壞。
地震系統(tǒng)就是利用縱波傳輸速度最快，檢測(cè)到縱波以后，利用通信網(wǎng)絡(luò)（300000千米/秒）的高速傳輸發(fā)出預(yù)警。也就是說，如果距離震中100公里以上，就可以提前大概25秒收到預(yù)警信息，這對(duì)于破壞性極大的地震意義更為重大。
原理看上去不算復(fù)雜，但要做到準(zhǔn)備預(yù)警還需要應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析。這時(shí)候MEMS就發(fā)揮重要作用，趙延輝介紹，此前地震監(jiān)測(cè)設(shè)備都是低密度布置（每個(gè)節(jié)點(diǎn)距離至少80公里以上），現(xiàn)在的做法是低密度專業(yè)地震設(shè)備加上高密度輔助地震設(shè)備的方式。高密度輔助地震設(shè)備通過MEMS加速度計(jì)，監(jiān)測(cè)各種各樣的震動(dòng)。
高密度意味著，一個(gè)地區(qū)可能會(huì)布幾萬甚至十萬個(gè)輔助設(shè)備，這就要求MEMS加速度計(jì)必須要低噪聲和低功耗。之所以要低噪聲，是因?yàn)槿绻卣鸬牡燃?jí)比較低，要分辨出到比較小的振幅的地震就需要低噪聲的MEMS，而低功耗的要求是因?yàn)榈卣鸩荒茴A(yù)測(cè)，高密度的節(jié)點(diǎn)需要24小時(shí)監(jiān)測(cè)，這些節(jié)點(diǎn)需要持續(xù)工作1年甚至10年。
趙延輝表示，地震監(jiān)測(cè)還有進(jìn)一步的應(yīng)用拓展。比如在地震多發(fā)地區(qū)，需要監(jiān)測(cè)地震發(fā)生時(shí)的震級(jí)，如果達(dá)到5級(jí)或5級(jí)以上地震，就要對(duì)某些潛在危險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)處理，比如及時(shí)關(guān)斷家用燃?xì)夥乐蛊溆捎趶?qiáng)震而造成泄露，進(jìn)而引起中毒或爆炸，這已經(jīng)得到了一些應(yīng)用。
除了高精度導(dǎo)航和地震預(yù)警，在新制造中，超低噪聲、更高頻率運(yùn)行、更高動(dòng)態(tài)范圍的MEMS加速度計(jì)通過檢測(cè)高頻信號(hào)，能夠盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題。相比傳統(tǒng)的壓電傳感器，MEMS加速度計(jì)無論是成本還是性能都更好。
作為業(yè)界最早將MEMS技術(shù)商用的公司，ADI在1987年就投入了MEMS技術(shù)的研究，1991年實(shí)現(xiàn)了MEMS替代傳統(tǒng)氣泡解決方案，將MEMS應(yīng)用到安全氣囊，2019年有發(fā)明了CLHP IMU。
雷鋒網(wǎng)小結(jié)
MEMS技術(shù)只是推動(dòng)技術(shù)和科技進(jìn)步的其中一個(gè)，也是大眾關(guān)注度沒那么高的模擬技術(shù)。簡(jiǎn)單來說，模擬技術(shù)就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)精度的數(shù)字信號(hào)，比如MEMS加速度計(jì)把震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，ToF傳感器把感知信息的維度從二維升級(jí)到三維，以及把心率、血氧這些生物信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，通過這些數(shù)字信息實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的分析和理解。
而ADI想要充當(dāng)?shù)慕巧褪俏锢硎澜绾蛿?shù)字世界的橋梁，通過模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，把它轉(zhuǎn)化到數(shù)字域。其產(chǎn)品已經(jīng)被應(yīng)用于航空航天、汽車、通信、消費(fèi)類電子、能源、醫(yī)療、電源及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。雷鋒網(wǎng)
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