據麥姆斯諮詢報導，2019年12月12日，Analog Devices, Inc.（ADI）中國25周年媒體技術日活動隆重舉行，全國數十家電子和半導體行業知名媒體齊聚鵬城，共同聆聽ADI的發展之聲——敢想敢為，攜手超越一切可能！本次活動中，ADI亞太區微機電（MEMS）產品線總監趙延輝發表了題為「不可或缺的ADI MEMS」的主題演講。
物聯網的快速發展給各種MEMS和傳感器帶來了新機遇，例如智能家居、可穿戴設備、智慧工業、智慧醫療、智慧交通等。在趙延輝看來，在MEMS產業漫漫發展歷程中，ADI多次以創新的里程碑式產品彰顯了自身的技術實力。如今，MEMS無處不在，每個人每天都會接觸到很多MEMS產品，例如智慧型手機利用MEMS加速度計實現轉屏功能，汽車利用MEMS加速度計和陀螺儀實現慣性導航功能。隨後，他從高精度位置服務、智能製造與地震檢測等最近的三大熱點新聞領域分別進行了詳細說明。
高精度位置服務
首先，趙延輝給出近期熱點新聞：中國移動近日投資超3.36億元採購4400套高精度衛星定位基準站，加緊部署物聯網。中國移動大規模採購高精度衛星定位基站就說明了通信運營商進軍精準位置服務已經進入了實施階段。由此，他引出高精度位置服務的十大應用場景：自動駕駛、手機定位、車輛監管、精準農業、城市停車、測量測繪、機場站坪、橋樑監測、港口裝卸、邊坡監測。
高精度位置服務特別是在自動駕駛領域需要使導航系統達到極高的精度水平，而慣性測量單元（IMU）無疑是保障自動駕駛的最後一道屏障！因為，不論是攝像頭、毫米波雷達、雷射雷達，還是衛星導航定位，都會受到外部環境的影響。例如攝像頭會受到雨雪霧霾等惡劣天氣的影響，衛星導航定位在隧道、地下停車場等場景下丟失信號……但是，基於IMU的慣性導航能夠完全不受外界環境的影響地為自動駕駛系統提供連續的、高精度、高可靠的車輛位置、方向、速度等多種維度的信息，保障車輛的安全行駛。
此外，相比衛星導航定位，IMU還能夠提供更快的數據輸出速率（ODR）。通常，衛星導航定位是每秒更新一次位置信息，即便在一些高端應用領域，ODR最多也只能達到每秒幾百次，遠遠達不到連續導航的水平——ODR需要達到每秒幾千次。尤其是在車速較快時，衛星導航定位就會有響應滯後的問題。而IMU則完全沒有這些問題，其能夠輕鬆地做到連續定位。當然，IMU也存在一些問題，單獨依靠IMU進行導航定位的偏差會隨著時間積累而逐漸增大。這就需要用戶根據應用場景需求，選擇合適精度的IMU。
ADI的MEMS慣性測量單元 (IMU) 傳感器以多軸方式組合陀螺儀、加速度計、磁力計和壓力傳感器。IMU即便是在極為複雜的應用和動態環境下，ADI的技術也能可靠地檢測並處理多個自由度（DoF）。這些即插即用型解決方案包括完整的出廠校準、嵌入式補償和傳感器處理以及簡單的可編程接口。
雖然，目前在高精度定位導航領域，除了MEMS慣性導航之外，還有採用光纖組件和雷射組件的慣性導航方案，但是相比之下，MEMS慣性導航具有體積更小、價格更低、測量範圍更大、使用更方便的優點，適合汽車ADAS和自動駕駛應用。
現在，ADI的IMU應用非常廣泛，從傳統的工業控制到新興的自動駕駛。自從2007年ADI推出了首款IMU產品以來，經過十多年的創新發展，其IMU產品在性能持續提升的同時，尺寸也越來越小。今年11月，ADI還推出了最新量產的IMU產品——ADIS1650x系列。ADIS1650x注重工業「運動物聯網」的需求及其對精準地理定位的需求。該系列IMU的性能令系統能精確地表征運動，不受湍流、振動、風、溫度和其他環境干擾，從而實現更精準的導航和引導和/或儀器穩定度。
ADIS1650x系列IMU採用標準表貼組件，在最小尺寸內提供卓越的性能改善，並針對多種應用場景（如導航、穩定和儀器儀表、無人和自動駕駛車輛、智能農業和建築機械、工廠/工業自動化、機器人、虛擬/增強現實等），實現了業界領先的MEMS技術與信號調理技術的完美結合，可提供優化的動態性能。
從內部結構來看，ADIS1650x系列IMU與之前產品並沒有什麼區別，都有傳感器晶片（加速度計和陀螺儀）、信號調理，以及溫度補償/校準等處理。雖然ADIS1650x體積減小很多，但依然採用了差分結構，實現了非常好的振動抑制特性。趙延輝表示：「ADIS1650x系列IMU與友商的高精度產品相比，擁有5倍寬的動態範圍，用以適應極端情況；2倍寬的帶寬，用以捕捉急速變化；10倍以上的振動抑制特性改良；10倍以上的低噪聲加速度傳感器改良。」
新製造——智能製造
2019年5月，人民日報發表了「新製造，讓生產更加智能化」的時評文章。新製造作為新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力，正在中國大地掀起創新熱潮。在智能化工業生產中，傳感器讓冰冷的機器跟我們「對話」，例如振動分析和診斷、潤滑分析、紅外熱成像、超聲波測試……
趙延輝表示，現階段，工業設備普遍實現了數字化和互聯互通，「工業4.0」得以實現，且正在助力生產工具變革。使用IIoT（工業物聯網）監測機器的健康狀態有助於實現預測性維護，讓行業人員能夠預測故障，從而大幅節省運營成本。在可測物理量中，振動頻譜測量能夠針對旋轉機器中的問題的根源提供最多信息，已被可靠地應用於各種工業應用中的最關鍵設備。
振動測量可以利用加速度計來實現，業界通常採用兩種類型：（1）壓電式（PZT），（2）MEMS，但後者更具優勢——不僅可以在低頻率下提供更好的直流響應，而且耐衝擊、體積小巧、成本低。「只有低噪聲、高帶寬加速度計（例如ADXL100x系列產品），才能很好地測量與首個故障信號相對應的頻譜線，使其能夠在大量應用中捕捉振動特徵，更好地完成預測性維護。」趙延輝強調說。
ADXL100x系列MEMS加速度計可實現高解析度振動測量，適用於工業條件監測應用。這些加速度計的滿量程範圍為±100g（ADXL1001）、±50g（ADXL1002）和±500g（ADXL1004），在較寬的頻率範圍內具有25μg/√Hz至125μg/√Hz的超低噪聲密度。ADXL100x系列具有穩定和可重複的靈敏度，不受高達10000g外部衝擊的影響。此外，這些加速度計具有集成的全靜電自檢（ST）功能和超範圍（OR）指示特性，採用3.3V至5.25V單電源供電，功耗低，還有助於無線傳感產品的設計。
以滾珠軸承故障監測為例，每次滾珠碰觸到開裂處或者觸碰到內環或外環的缺陷位置，就會發生撞擊，引起振動，甚至導致旋轉軸輕微移位。撞擊發生的頻率由轉動速度，以及滾珠的數量和直徑決定。一旦滾珠軸承的故障出現，前面提到的撞擊有時候會產生可以聽見的聲音，即衝擊波，表現為低能量譜分量和相對較高的頻率，通常大於5kHz，而且總是遠遠超過基本的旋轉頻率。因此，只有低噪聲、高帶寬加速度計才能測量與首個故障信號相對應的頻譜線。
儘管諸如ADXL100x系列MEMS加速度計具有寬頻寬和低噪聲特點。但是，它們採用單軸測量，需要配備相關的處理電子設備。為了簡化設計，ADI越來越多提供從元器件到完整功能模塊產品。例如ADI提供了一套完整的解決方案，採用ADcmXL3021型號實施三軸測量。這款3.3 V電源電壓產品包括3個基於ADXL1002的測量鏈、1個溫度傳感器、1個處理器和1個FIFO（先入先出）。上述所有元器件封裝在一個鋁殼（23.7mm x 26.7mm x 12mm）模組內，可以即時安裝在旋轉機器上。該產品的全尺寸為±50g，具有僅25μg/√Hz的極低噪聲水平和10kHz帶寬，這些特點使其能夠在大量應用中捕捉振動特徵。
信號處理模塊不僅包括一個具有32個係數的可配置FIR（有限衝擊響應）濾波器，還包括一個每軸2048個節點的FFT（快速傅立葉變換）函數，用於對振動進行頻譜分析。再將用這種方法計算得出的頻譜的每個頻率級別與可配置的報警閾值（每軸6個）進行對比。如果頻譜組件過於密集，就會生成警報。該產品還可以通過SPI（串行外設接口）與主機處理器進行交互，提供訪問內部寄存器以及一組用戶可配置的函數的權限，包括先進的數學函數，例如計算平均值、標準偏差、最大值、波峰因素和峰度（四階動力矩，支持測量振動的銳度）。利用這些機器健康狀況的深入見解，可以提高生產力和效率，最大限度地延長正常運行時間，加速實現智能製造。
地震預警
2019年6月17日22時55分，距成都240公里，距西昌260多公里外，四川省宜賓市長寧縣雙河鎮發生6級地震，震源深度16千米，川渝多地有震感。這次地震一個引人注目的事件是地震預警系統的使用，借用這個系統，距震中34公里的宜賓市，提前10秒獲得預警，距震中240公里的成都市，提前61秒獲得預警。
地震波按傳播方式分為三種類型：縱波（P波）、橫波（S波）、面波（L波）。P波是推進波，地殼中傳播速度為5.5~7千米/秒，最先到達震中，它使地面發生上下振動，破壞性較弱。S波是剪切波：在地殼中的傳播速度為3.2～4.0千米/秒，第二個到達震中，它使地面發生前後、左右抖動，破壞性較強。L波，是由P波與S波在地表相遇後激發產生的混合波，其波長大、振幅強，只能沿地表面傳播，是造成建築物強烈破壞的主要因素。
由於P波傳播速度比S波快，且網絡通信速度（300000千米/秒）遠快於S波，因此可以先監測P波，然後利用網絡通信將地震預警發布出去，從而讓人們在S波達到前做好應急響應。例如在震中即時監測到P波，理論上距震中100千米的地方可以在S波到達前約25秒收到地震預警。
隨著監測手段不斷升級，國內地震自動速報平均用時從2017年的3分鐘縮短到2分鐘，正式測報平均用時從2017年的15分鐘縮短到10分鐘。在江蘇，地震速報時間甚至縮至1分鐘。「究其原因是由於MEMS加速度計在地震振動監控中獲得廣泛應用——高密度輔助地震監測，而這種加速度計最重要的兩個特性『低噪聲』和『低功耗』一個也不能少，如何對這兩個互補的特性進行綜合考量，ADXL354和ADXL355便是ADI提供的答案，而ADXL362則可以更突出低功耗的特性。」趙延輝解釋說。
ADXL354和ADXL355屬於低噪聲密度、0g低失調漂移、低功耗、3軸MEMS加速度計，在溫度範圍內提供業界領先的噪聲、失調漂移和長期穩定性，可實現校準工作量極小和極低功耗的精密應用。因此，它們能以極低的噪聲執行高解析度地震監測：25µ/Hz低噪聲密度，而功耗不足200µA。此外，密封封裝還可確保最終產品出廠很久以後還能符合可重複性與穩定性規範。
在地震多發地區，需要監測地震發生時的震級，如果達到5級或5級以上地震，即要對某些潛在危險進行及時處理，比如及時關斷家用燃氣防止其由於強震而造成泄露，進而引起中毒或爆炸。由於地震何時發生是沒有辦法預測的，所以需要24小時監測，而燃氣表都是通過電池供電的，且要求其工作時間要達到1年甚至是10年以上，這樣對監測地震的MEMS加速度計功耗提出了極高的要求。ADXL362在監測是否有振動發生時的功耗僅為270nA，受振動喚醒後，連續高速採集數據再分析振動波形時的功耗僅為3uA左右，在400Hz輸出數據速率條件下。這也是燃氣表客戶選擇ADXL362做類似應用的原因。
與使用功率占空比來實現低功耗的MEMS加速度計不同，ADXL362沒有通過欠採樣混疊輸入信號；它採用全數據速率對傳感器的整個帶寬進行採樣。除了超低功耗以外，ADXL362還具有許多特性來實現真正的系統級節能。該器件包含了一個深度多模式輸出FIFO、一個內置微功耗溫度傳感器和幾個運動檢測模式，其中包括可調闕值的睡眠和喚醒工作模式，在該模式下測量速率為6Hz（大約值）時功耗低至270nA。
小結
ADI從1987年開始投入MEMS傳感器的研發，也是業界最早從事MEMS研發的公司。1991年，ADI發布了業界第一顆高g值MEMS加速度計，聚焦汽車安全氣囊碰撞監測應用，引領了幾乎十年的MEMS傳感器研究方向……歷經了30餘載的經驗積澱，ADI用一個又一個「業界首款」成就了當今MEMS行業的領頭羊，見證了MEMS產業的最好時代！