很多年前，智能手機的自動轉(zhuǎn)屏功能讓不少人感嘆，手機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)的信號轉(zhuǎn)化成了數(shù)字世界的轉(zhuǎn)屏信號，這其實靠的是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，也是導(dǎo)航安全的最后一道屏障。還能實現(xiàn)地震預(yù)警，減小地震帶來的損失。

MEMS是如何實現(xiàn)的？

高精度導(dǎo)航安全的最后一道屏障

MEMS（Microelectromechanical Systems），中文可譯為微機電系統(tǒng)，是將微電子技術(shù)與機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電設(shè)備，MEMS如今已經(jīng)無處不在，如手機的轉(zhuǎn)屏功能的實現(xiàn)，汽車的車身平穩(wěn)控制、高鐵的安全監(jiān)測、無人機的懸停都使用了MEMS。

當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)航被普通消費者熟知得益于自動駕駛，隨著5G的商用，高精度定位也有更多需求。可以看到，運營商也投入資源將提供高精度定位服務(wù)，今年10月，有報道稱中國移動擬采購4400套高精度衛(wèi)星定位基準站設(shè)備，項目總預(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?，但大部分人?yīng)該都遇到過這樣的情況，開車進入隧道或者停車場的時候，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“漂移”。

這有多方面的原因，一方面，衛(wèi)星從軌道上把信號傳輸回地面，需要穿過電離層對流層，這些干擾以及折射等，讓衛(wèi)星傳回來了信號產(chǎn)生了多路徑效應(yīng)，產(chǎn)生了誤差，使其精度在2.5-5米。這種精度可能會導(dǎo)致使用者在城市里走錯路或者在高速公路錯過出口，尚可接受。

但應(yīng)用在自動駕駛，這樣的精度將會帶來致命的危險。如果汽車進入隧道（或沒有衛(wèi)星信號的場景），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、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。但這些技術(shù)都有一個共同的特點，非常依賴外部環(huán)境。雷達可能因為雨、霧、霾而失效，視覺導(dǎo)航同樣會因為光線變化而失效。

ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝認為，此時，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)，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，并且把它變換到導(dǎo)航坐標系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標系中的速度、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別，但還達不到毫秒級別的連續(xù)導(dǎo)航需求，而IMU就可以輕松做到。

但他也表示，要依靠IMU的時間越長，IMU的精度就要越高。高精度IMU要求內(nèi)核傳感器、震動抑制特性都非常好。其中涉及到校準、信號調(diào)理、溫度補償校準等，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實現(xiàn)很好地懸停特性，無人機上幾乎99%的IMU都采用ADI的產(chǎn)品。

MEMS幫助實現(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)乎每個人的安全。2019年6月17日22時55分，四川省宜賓市長寧縣雙河鎮(zhèn)發(fā)生6級地震，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，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，破壞性較強。

• 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，其波長大、振幅強，只能沿地表面?zhèn)鞑ィ瑢ㄖ镌斐蓮娏移茐摹?/p>

地震系統(tǒng)就是利用縱波傳輸速度最快，檢測到縱波以后，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，但要做到準備預(yù)警還需要應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析。這時候MEMS就發(fā)揮重要作用，趙延輝介紹，此前地震監(jiān)測設(shè)備都是低密度布置（每個節(jié)點距離至少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，監(jiān)測各種各樣的震動。

高密度意味著，一個地區(qū)可能會布幾萬甚至十萬個輔助設(shè)備，這就要求MEMS加速度計必須要低噪聲和低功耗。之所以要低噪聲，是因為如果地震的等級比較低，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為地震不能預(yù)測，高密度的節(jié)點需要24小時監(jiān)測，這些節(jié)點需要持續(xù)工作1年甚至10年。

趙延輝表示，地震監(jiān)測還有進一步的應(yīng)用拓展。比如在地震多發(fā)地區(qū)，需要監(jiān)測地震發(fā)生時的震級，如果達到5級或5級以上地震，就要對某些潛在危險進行及時處理，比如及時關(guān)斷家用燃氣防止其由于強震而造成泄露，進而引起中毒或爆炸，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、更高頻率運行、更高動態(tài)范圍的MEMS加速度計通過檢測高頻信號，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)只是推動技術(shù)和科技進步的其中一個，也是大眾關(guān)注度沒那么高的模擬技術(shù)。簡單來說，模擬技術(shù)就是把模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)精度的數(shù)字信號，比如MEMS加速度計把震動信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，ToF傳感器把感知信息的維度從二維升級到三維，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)字信息實現(xiàn)進一步的分析和理解。

而ADI想要充當?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、消費類電子、能源、醫(yī)療、電源及工業(yè)自動化等領(lǐng)域。雷鋒網(wǎng)

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