盡管MEMS（微機電系統）技術在安全氣囊部署和汽車壓力傳感器中已經使用了大約二十年，但任天堂Wii和蘋果iPhone中的運動感應用戶界面使人們對慣性傳感器的功能有了廣泛的認識。

盡管如此，在某種程度上，慣性傳感器僅在最終產品需要檢測加速和減速時才有用。從純粹的科學角度來看，這是正確的。然而，這可能會錯過MEMS加速度計和陀螺儀在醫療設備、工業設備、消費電子和汽車電子等領域的許多不斷擴大的應用。

研究五種運動傳感模式中每一種模式的可能性，極大地擴展了當今大批量MEMS應用之外的選擇。這五種模式是加速（包括位置和方向等平移運動）、振動、沖擊、傾斜和旋轉。

例如，具有活動檢測功能的加速度計可以在確定設備在沒有移動或振動的情況下處于非活動狀態時，通過告訴設備進入最低功耗模式來啟用電源管理技術。復雜的控件和物理按鈕正在被手指點擊控制的手勢識別界面所取代。在其他用例中，最終產品的操作變得更加精確，例如當指南針補償您手中握持的傾斜角度時。

本文提供了先進的商用MEMS加速度計和陀螺儀如何通過五種類型的運動傳感來改變各種終端產品的示例。

運動傳感和MEMS簡介

加速度、振動、沖擊、傾斜和旋轉——除了旋轉之外，實際上是不同時間段內加速度的不同表現形式。然而，作為人類，我們并不直觀地將這些運動感覺與加速/減速的變化聯系起來。單獨考慮每種模式有助于設想更多的可能性。

加速度（記住，包括平移運動）測量單位時間內速度的變化。速度以米/秒 （m/s） 表示，包括位移速率和運動方向。因此，加速度以米/秒平方（m/s）為單位2).負值的加速（想象一下當駕駛員踩剎車時汽車減速）稱為減速。

現在考慮不同時間段的加速。振動可以被認為是快速和周期性發生的加速和減速。

同樣，沖擊是瞬間發生的加速度。但與振動不同的是，沖擊是一種非周期性函數，通常只發生一次。

讓我們再次延長時間長度。當移動物體以改變其傾斜度或傾斜度時，涉及相對于重力的位置的一些變化。與振動和沖擊相比，這種運動往往發生得相當緩慢。

由于前四種運動傳感模式都涉及加速度的某個方面，因此它們通過重力（重力施加在地球上物體上的力單位）來測量（1 g等于9.8 m / s）。2).MEMS加速度計通過測量重力對加速度計軸的影響來檢測傾斜。在 3 軸加速度計的實例中，三個單獨的輸出測量沿 X、Y 和 Z 軸運動的加速度。

目前市場份額最大的加速度計使用差分電容器來測量g力，然后將其轉換為伏特或比特（在數字輸出加速度計的情況下），然后傳遞到微處理器以執行動作。最近的技術進步使得在低g和高g感應范圍內制造微型MEMS加速度計成為可能，其帶寬比以前寬得多，大大增加了潛在應用領域。低 g 感應范圍小于 20 g，處理人類可以產生的運動。高g對于感知與機器或車輛相關的運動很有用 - 本質上是人類無法創造的運動。

到目前為止，我們只討論了線性速率運動，即包括加速度、振動、沖擊和傾斜的運動類型。旋轉是角速率運動的量度。此模式與其他模式不同，因為旋轉可以在不改變加速度的情況下進行。要了解其工作原理，請想象一個 3 軸慣性傳感器。假設傳感器的 X 軸和 Y 軸平行于地球表面;Z 軸指向地球中心。在此位置，Z 軸測量 1 g;X 軸和 Y 軸寄存器 0 g。現在旋轉傳感器以僅繞 Z 軸移動。X 和 Y 平面只是旋轉，繼續測量 0 g，而 Z 軸仍測量 1 g。

MEMS陀螺儀用于感測這種旋轉運動。由于某些最終產品除了測量其他形式的運動外還必須測量旋轉，因此陀螺儀可以集成到嵌入多軸陀螺儀和多軸加速度計的IMU（慣性測量單元）中。

加速可用性和電源管理

早些時候我們觀察到加速度在檢測運動和位置方面發揮作用。這就有可能使用MEMS加速度計來通知器件何時被拾取和放下，當檢測到時，可以生成一個中斷，自動打開和關閉功能。各種功能組合可以保持活動狀態或進入盡可能低功耗的狀態。運動驅動的開/關功能是人性化的，因為它們消除了用戶的重復操作。更重要的是，它們支持電源管理，使設備在充電或更換電池之間運行更長時間。帶有背光LCD的智能遙控器是潛在的場景之一。

使用加速度計感知運動并產生中斷的另一種方法是在軍事或公共安全人員的無線電中。為了保證通信安全，當無線電停止佩戴或攜帶時，可能需要重新進行身份驗證才能允許用戶訪問。請注意，為了實用于便攜式或小型設計，上述兩個用例將取決于消耗很少電流的加速度計：最多幾微安（μA）。

運動傳感的另一個應用是醫療設備，如自動體外除顫器。通常，AED 旨在提供電擊，使患者的心臟再次跳動。當失敗時，必須進行手動心肺復蘇。經驗不足的施救者可能無法按壓患者的胸部以進行有效的心肺復蘇術。嵌入在 AED 胸墊中的加速度計可用于通過測量墊移動的距離，向救援人員提供適當壓縮量的反饋。

用于監控和節能的振動

振動的微小變化是軸承磨損、機械部件未對準以及機械（包括工業設備）中其他問題的領先指標。具有極寬帶寬的超小型MEMS加速度計是監測電機、風扇和壓縮機振動的理想選擇。能夠執行預測性維護使制造公司能夠避免損壞昂貴的設備，并防止導致代價高昂的生產力損失的故障。

測量設備振動特征的變化也可用于檢測機械是否調整為以節能方式運行。除非得到糾正，否則這種低效的運營可能會損害公司的綠色制造努力，并推高其電費或最終導致設備損壞。

沖擊、手勢識別等

許多筆記本電腦中的磁盤驅動器保護是迄今為止實施最廣泛的沖擊傳感應用之一。加速度計檢測到微小的g力，表明筆記本電腦正在掉落或掉落，這是電擊事件的前兆：撞到地板。在幾毫秒內，系統會命令將硬盤驅動器頭停放。在撞擊過程中，停放磁頭可防止與磁盤盤片接觸，從而防止損壞驅動器和由此造成的數據丟失。

手勢識別接口是此類慣性傳感的一個有前途的新用途。定義的手勢，如點擊、雙擊或搖晃，允許用戶激活不同的功能或調整操作模式。手勢識別使設備在難以操作物理按鈕和開關的地方更易于使用。無按鈕設計還可以降低整體系統成本，此外還可以提高水下攝像機等終端產品的耐用性，其中按鈕周圍的開口會讓水滲入相機機身。

小尺寸消費電子產品只是加速度計驅動的手勢識別正在找到一席之地的一個應用領域。得益于極小的低功耗MEMS加速度計，抽頭接口非常適合可穿戴和植入式醫療設備，如藥物輸送泵和助聽器。

用于精確操作的傾斜傳感

傾斜傳感在手勢識別界面中也具有巨大的潛力。例如，在建筑或工業檢測設備等應用中，單手操作可能更可取。不操作設備的手仍然可以自由控制操作員站立的鏟斗或平臺，或者為了安全起見，可以握住系繩。操作員可以簡單地“旋轉”探頭或設備來調整其設置。

在這種情況下，3軸加速度計會將旋轉感知為傾斜：測量存在重力的情況下傾斜的低速變化，檢測重力矢量的變化，并確定方向是順時針還是逆時針。傾斜檢測還可以與點擊（沖擊）識別相結合，讓操作員單手控制設備的更多功能。

補償設備的位置是傾斜測量有用的另一個重要領域。在GPS（全球定位系統）或手機中獲取電子羅盤。這里一個眾所周知的問題是指南針未完全平行于地球表面時產生的航向誤差。

工業秤是另一個例子。在此應用中，必須計算裝載的鏟斗相對于地球的傾斜度，以準確讀取重量。壓力傳感器，例如用于汽車和工業機械的壓力傳感器，同樣會受到重力的影響。這些傳感器包含隔膜，其偏轉根據傳感器的安裝位置而變化。在所有這些情況下，MEMS加速度計執行必要的傾斜檢測以補償誤差。

旋轉：陀螺儀和 IMU 在運行

如前所述，當旋轉與其他形式的慣性檢測相結合時，MEMS技術的實際應用將受益。在實踐中，這需要使用加速度計和陀螺儀。

已經引入了慣性測量單元，包括多軸加速度計、多軸陀螺儀，以及為了進一步提高航向精度而多軸磁力計。此外，IMU 可以提供完整的 6 個自由度 （6DoF）。這為醫療成像設備、手術器械、先進假肢和工業車輛自動引導等應用帶來了超精細分辨率。除了高精度操作外，選擇IMU的另一個優點是其多種功能可以由傳感器制造商進行預測試和預校準。

IMU在精度要求可能不那么明顯的情況下也被證明是有用的。其中一個例子是一個智能高爾夫球桿，它可以跟蹤和記錄揮桿的每一個動作，以便改進高爾夫球手的技術。球桿內的加速度計測量加速度和揮桿平面，而陀螺儀測量揮桿過程中的內旋或高爾夫球手的扭轉。高爾夫俱樂部記錄在比賽或練習期間收集的數據，以便以后在PC上進行分析。

信號處理的新浪潮

無論是需要用戶友好的功能、最大限度地降低功耗、消除物理按鈕和控制、補償重力和位置，還是更智能的操作，基于 MEMS 的慣性傳感都提供了豐富的選項，可以在所有五種運動感官中進行探索。

ADI公司等創新者，其i MEMS運動信號處理??產品組合，領導創建提供下一波信號處理所需的加速度計和陀螺儀。運動傳感應用范圍不斷擴大，將受益于這些IC解決方案提供的小尺寸、高分辨率、低功耗、高可靠性、信號調理電路和集成功能。

審核編輯：郭婷