慣性MEMS：從提升生活品質到拯救生命

作者：Bob Scannell，ADI公司MEMS和傳感器技術部業(yè)務開發(fā)經理

運動是生命中不可或缺的重要組成部分。能夠移動的人似乎在一刻不停地運動著，而不能移動的人則可能需要借助某種形式的機械助力來幫助實現運動。因此，不難想象，能夠測量這種運動的慣性傳感器在提供有關我們自身的有用信息方面具有重大價值。如今的音頻（麥克風）或光學（相機）傳感器就是這樣。

討論MEMS與生活品質的關系時，定義如下的不同程度或階段可能會有用：從測量、提升到保障。慣性傳感器能夠測量、捕捉或估計人體的輸出/健康狀況，因而與音頻和光學檢測一樣，很容易確定其應用。例如，計步器使用加速度計來檢測步伐，提供健身活動的測量結果。另外，假肢中為改善平衡和控制而嵌入的運動檢測器可以增強殘障人士的移動能力，而檢測坐姿與臥姿的加速度計則可以用于監(jiān)護病人以拯救生命，這些都是顯而易見的。本文從測量、增強、保障生活品質三方面，探討運動傳感器的技術挑戰(zhàn)和復雜程度。

傳感器性能

慣性MEMS傳感器在汽車和消費電子市場的成功，使傳感器的多方面性能有了迅速提高，但現有應用與新興醫(yī)療生活品質應用的性能要求仍然存在很大差異。為了研究不同應用的電路板級需求，我們可以比較功耗、尺寸、可靠性、環(huán)境魯棒性、性能和性能漂移方面的要求。在這些特性中，功耗和尺寸可能是唯一已經被消費電子應用推到極致水平的特性。面向汽車應用而開發(fā)的傳感器通常要求高水平的可靠性和環(huán)境穩(wěn)健性。

單傳感器應用

低功耗、小尺寸傳感器對運動監(jiān)護儀等生活品質測量應用有利，但這些應用還要求高水平的環(huán)境魯棒性，以便將希望測量的實際運動與其它隨機影響區(qū)分開來。生活品質增強工具可以分為兩類：一是穿戴式設備，如假肢等；一是手術或診斷設備，如機器人手術工具或便攜式超聲設備等。無論何種情況，由于測量設備主動控制相對于被動監(jiān)控的水平提高，性能和可靠性要求越來越高。在生活品質保障方面，包括微型遠程手術和其它生命攸關的監(jiān)護儀，不僅要求高性能，而且要求非常低的時間漂移，對環(huán)境影響的靈敏度也應保持最小。

表1. 不同生活品質應用的相對特性要求比較

表1通過一些相對品質因數來比較不同類型生活品質應用的各種特性的復雜度。即便是要求相對較低的測量設備，超低功耗、小尺寸和溫度/沖擊/振動影響抑制能力的組合，也使得這些應用的需求遠遠高于消費電子驅動的簡單傳感器需求。

多傳感器應用

到目前為止，討論集中于單個傳感器的特性，應用也許是測量線性運動（單軸加速度計）或角向運動（單軸陀螺儀）。但在現實生活中，運動僅限于單傳感器類型或單軸（或可通過其辨識）的情形相對較少。為了捕捉最精確的運動特征，或者為了能在不受限條件（安裝位置或運動范圍）下使用，通常要求將多個傳感器巧妙地合為一體，并將這些傳感器與應用參考系精密對齊。因此，除了基本的傳感器元件以外，機械和傳感器/信號處理要求也大不相同。當我們從測量轉向增強乃至保障時，復雜度隨之提高。

一個有意思的例子是在手術室使用慣性傳感器，使人工關節(jié)（膝或髖關節(jié)）能夠與病人獨特的骨骼結構更精確地對準。該生活品質增強應用的目標是讓植入體與患者自然軸的對準誤差小于1º，而當今使用純機械對準方法的誤差為3º或更大。其可能的好處包括：減少對病人身體的介入、縮短手術時間、大幅增強病人術后舒適感以及使關節(jié)置換效果更持久。