慣性MEMS：從提升生活品質(zhì)到拯救生命

作者：Bob Scannell，ADI公司MEMS和傳感器技術(shù)部業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理

運(yùn)動(dòng)是生命中不可或缺的重要組成部分。能夠移動(dòng)的人似乎在一刻不停地運(yùn)動(dòng)著，而不能移動(dòng)的人則可能需要借助某種形式的機(jī)械助力來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。因此，不難想象，能夠測(cè)量這種運(yùn)動(dòng)的慣性傳感器在提供有關(guān)我們自身的有用信息方面具有重大價(jià)值。如今的音頻（麥克風(fēng)）或光學(xué)（相機(jī)）傳感器就是這樣。

討論MEMS與生活品質(zhì)的關(guān)系時(shí)，定義如下的不同程度或階段可能會(huì)有用：從測(cè)量、提升到保障。慣性傳感器能夠測(cè)量、捕捉或估計(jì)人體的輸出/健康狀況，因而與音頻和光學(xué)檢測(cè)一樣，很容易確定其應(yīng)用。例如，計(jì)步器使用加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)步伐，提供健身活動(dòng)的測(cè)量結(jié)果。另外，假肢中為改善平衡和控制而嵌入的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器可以增強(qiáng)殘障人士的移動(dòng)能力，而檢測(cè)坐姿與臥姿的加速度計(jì)則可以用于監(jiān)護(hù)病人以拯救生命，這些都是顯而易見的。本文從測(cè)量、增強(qiáng)、保障生活品質(zhì)三方面，探討運(yùn)動(dòng)傳感器的技術(shù)挑戰(zhàn)和復(fù)雜程度。

傳感器性能

慣性MEMS傳感器在汽車和消費(fèi)電子市場(chǎng)的成功，使傳感器的多方面性能有了迅速提高，但現(xiàn)有應(yīng)用與新興醫(yī)療生活品質(zhì)應(yīng)用的性能要求仍然存在很大差異。為了研究不同應(yīng)用的電路板級(jí)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(jīng)被消費(fèi)電子應(yīng)用推到極致水平的特性。面向汽車應(yīng)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(yīng)用

低功耗、小尺寸傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)監(jiān)護(hù)儀等生活品質(zhì)測(cè)量應(yīng)用有利，但這些應(yīng)用還要求高水平的環(huán)境魯棒性，以便將希望測(cè)量的實(shí)際運(yùn)動(dòng)與其它隨機(jī)影響區(qū)分開來(lái)。生活品質(zhì)增強(qiáng)工具可以分為兩類：一是穿戴式設(shè)備，如假肢等；一是手術(shù)或診斷設(shè)備，如機(jī)器人手術(shù)工具或便攜式超聲設(shè)備等。無(wú)論何種情況，由于測(cè)量設(shè)備主動(dòng)控制相對(duì)于被動(dòng)監(jiān)控的水平提高，性能和可靠性要求越來(lái)越高。在生活品質(zhì)保障方面，包括微型遠(yuǎn)程手術(shù)和其它生命攸關(guān)的監(jiān)護(hù)儀，不僅要求高性能，而且要求非常低的時(shí)間漂移，對(duì)環(huán)境影響的靈敏度也應(yīng)保持最小。

表1. 不同生活品質(zhì)應(yīng)用的相對(duì)特性要求比較

表1通過一些相對(duì)品質(zhì)因數(shù)來(lái)比較不同類型生活品質(zhì)應(yīng)用的各種特性的復(fù)雜度。即便是要求相對(duì)較低的測(cè)量設(shè)備，超低功耗、小尺寸和溫度/沖擊/振動(dòng)影響抑制能力的組合，也使得這些應(yīng)用的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于消費(fèi)電子驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單傳感器需求。

多傳感器應(yīng)用

到目前為止，討論集中于單個(gè)傳感器的特性，應(yīng)用也許是測(cè)量線性運(yùn)動(dòng)（單軸加速度計(jì)）或角向運(yùn)動(dòng)（單軸陀螺儀）。但在現(xiàn)實(shí)生活中，運(yùn)動(dòng)僅限于單傳感器類型或單軸（或可通過其辨識(shí)）的情形相對(duì)較少。為了捕捉最精確的運(yùn)動(dòng)特征，或者為了能在不受限條件（安裝位置或運(yùn)動(dòng)范圍）下使用，通常要求將多個(gè)傳感器巧妙地合為一體，并將這些傳感器與應(yīng)用參考系精密對(duì)齊。因此，除了基本的傳感器元件以外，機(jī)械和傳感器/信號(hào)處理要求也大不相同。當(dāng)我們從測(cè)量轉(zhuǎn)向增強(qiáng)乃至保障時(shí)，復(fù)雜度隨之提高。

一個(gè)有意思的例子是在手術(shù)室使用慣性傳感器，使人工關(guān)節(jié)（膝或髖關(guān)節(jié)）能夠與病人獨(dú)特的骨骼結(jié)構(gòu)更精確地對(duì)準(zhǔn)。該生活品質(zhì)增強(qiáng)應(yīng)用的目標(biāo)是讓植入體與患者自然軸的對(duì)準(zhǔn)誤差小于1º，而當(dāng)今使用純機(jī)械對(duì)準(zhǔn)方法的誤差為3º或更大。其可能的好處包括：減少對(duì)病人身體的介入、縮短手術(shù)時(shí)間、大幅增強(qiáng)病人術(shù)后舒適感以及使關(guān)節(jié)置換效果更持久。