很多年前,智能手机的自动转屏功能让不少人感叹,手机开始开始变得人性化了。但大部分人应该没有思考过是什么样的组件将物理世界旋转的信号转化成了数字世界的转屏信号,这其实靠的是MEMS传感器。

如今,MEMS不仅能够实现高精度导航,让你的导航更加精准,也是导航安全的最后一道屏障。还能实现地震预警,减小地震带来的损失。

MEMS是如何实现的?

为什么MEMS是高精度导航安全的最后一道屏障,还能预警地震?-中国科技新闻网

高精度导航安全的最后一道屏障

MEMS(Microelectromechanical Systems),中文可译为微机电系统,是将微电子技术与机械工程融合的一种工业技术,它的操作范围在微米范围内。自1964年西屋公司制造出了第一批微机电设备,MEMS如今已经无处不在,如手机的转屏功能的实现,汽车的车身平稳控制、高铁的安全监测、无人机的悬停都使用了MEMS。

当下热门的高精度定位也缺少不了MEMS,并且还是最后一道安全屏障。高精度定位和高精度导航被普通消费者熟知得益于自动驾驶,随着5G的商用,高精度定位也有更多需求。可以看到,运营商也投入资源将提供高精度定位服务,今年10月,有报道称中国移动拟采购4400套高精度卫星定位基准站设备,项目总预算超过3.36亿元。

卫星导航是我们日常生活中常用的功能,但大部分人应该都遇到过这样的情况,开车进入隧道或者停车场的时候,导航位置更新的速度很慢甚至不更新。或者在高速公路上,地图上的定位突然来了个“漂移”。

这有多方面的原因,一方面,卫星从轨道上把信号传输回地面,需要穿过电离层对流层,这些干扰以及折射等,让卫星传回来了信号产生了多路径效应,产生了误差,使其精度在2.5-5米。这种精度可能会导致使用者在城市里走错路或者在高速公路错过出口,尚可接受。

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但应用在自动驾驶,这样的精度将会带来致命的危险。如果汽车进入隧道(或没有卫星信号的场景),想要让汽车在不超过车道线20厘米的范围内安全行驶,其他导航技术将发挥作用,比如雷达、视觉导航系统。但这些技术都有一个共同的特点,非常依赖外部环境。雷达可能因为雨、雾、霾而失效,视觉导航同样会因为光线变化而失效。

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ADI亚太区微机电产品线总监赵延辉认为,此时,惯性导航就成为了高精度高行定位的最后一道屏障。

所谓惯性导航,就是不依赖外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。它是以牛顿力学定律为基础,通过测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,并且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

如果使用MEMS技术的惯性测量单元 (IMU),就能够实现连续的导航。赵延辉表示,卫星导航一般可以做到几十赫兹,也就是一秒更新几十次,高端应用可以做到几百赫兹的级别,但还达不到毫秒级别的连续导航需求,而IMU就可以轻松做到。

但他也表示,要依靠IMU的时间越长,IMU的精度就要越高。高精度IMU要求内核传感器、震动抑制特性都非常好。其中涉及到校准、信号调理、温度补偿校准等,需要有专业的人和专业的设备,投入非常巨大。

雷锋网(公众号:雷锋网)了解到,高精度、小尺寸IMU的抑制特性能够还能帮助无人机实现很好地悬停特性,无人机上几乎99%的IMU都采用ADI的产品。

MEMS帮助实现地震预警

高精度导航或许现在还不是所有人都需要的功能,但地震预警关乎每个人的安全。2019年6月17日22时55分,四川省宜宾市长宁县双河镇发生6级地震,震源深度16千米。260多公里之外的西昌俊波外国语学校提前60秒收到预警,4000多名师生顺利疏散到室外。

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这个地震系统也让距震中34公里的宜宾市,提前10秒获得预警,距震中240公里的成都市,提前61秒获得预警。

要解释地震预警系统的原理,首先要了解地震波。地震波(seismic wave)按传播方式可分为纵波(P波,属于体波)、横波(S波,属于体波)和面波(L波)三种,

  • 纵波(P波)是推进波,地壳中传播速度为5.5~7千米/秒,在所有地震波中传播最快,能在固体也液体中传播,它使地面发生上下震动,破坏性较弱。

  • 横波(S波)是剪切波,地壳中的传播速度为3.2~4.0千米/秒,使地面发生前后、左右抖动,破坏性较强。

  • 面波(L波)由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波,其波长大、振幅强,只能沿地表面传播,对建筑物造成强烈破坏。

地震系统就是利用纵波传输速度最快,检测到纵波以后,利用通信网络(300000千米/秒)的高速传输发出预警。也就是说,如果距离震中100公里以上,就可以提前大概25秒收到预警信息,这对于破坏性极大的地震意义更为重大。

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原理看上去不算复杂,但要做到准备预警还需要应用大数据分析。这时候MEMS就发挥重要作用,赵延辉介绍,此前地震监测设备都是低密度布置(每个节点距离至少80公里以上),现在的做法是低密度专业地震设备加上高密度辅助地震设备的方式。高密度辅助地震设备通过MEMS加速度计,监测各种各样的震动。

高密度意味着,一个地区可能会布几万甚至十万个辅助设备,这就要求MEMS加速度计必须要低噪声和低功耗。之所以要低噪声,是因为如果地震的等级比较低,要分辨出到比较小的振幅的地震就需要低噪声的MEMS,而低功耗的要求是因为地震不能预测,高密度的节点需要24小时监测,这些节点需要持续工作1年甚至10年。

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赵延辉表示,地震监测还有进一步的应用拓展。比如在地震多发地区,需要监测地震发生时的震级,如果达到5级或5级以上地震,就要对某些潜在危险进行及时处理,比如及时关断家用燃气防止其由于强震而造成泄露,进而引起中毒或爆炸,这已经得到了一些应用。

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除了高精度导航和地震预警,在新制造中,超低噪声、更高频率运行、更高动态范围的MEMS加速度计通过检测高频信号,能够尽早发现设备问题。相比传统的压电传感器,MEMS加速度计无论是成本还是性能都更好。

作为业界最早将MEMS技术商用的公司,ADI在1987年就投入了MEMS技术的研究,1991年实现了MEMS替代传统气泡解决方案,将MEMS应用到安全气囊,2019年有发明了CLHP IMU。

雷锋网小结

MEMS技术只是推动技术和科技进步的其中一个,也是大众关注度没那么高的模拟技术。简单来说,模拟技术就是把模拟信号转换成对应精度的数字信号,比如MEMS加速度计把震动信号转换为数字信号,ToF传感器把感知信息的维度从二维升级到三维,以及把心率、血氧这些生物信息转换为数字信息,通过这些数字信息实现进一步的分析和理解。

而ADI想要充当的角色就是物理世界和数字世界的桥梁,通过模拟到数字转换,把它转化到数字域。其产品已经被应用于航空航天、汽车、通信、消费类电子、能源、医疗、电源及工业自动化等领域。雷锋网

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