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很多年前，智能手機的自動轉屏功能讓不少人感嘆，手機開始開始變得人性化了。但大部分人應該沒有思考過是什么樣的組件將物理世界旋轉的信號轉化成了數(shù)字世界的轉屏信號，這其實靠的是MEMS傳感器。
如今，MEMS不僅能夠實現(xiàn)高精度導航，讓你的導航更加精準，也是導航安全的最后一道屏障。還能實現(xiàn)地震預警，減小地震帶來的損失。
MEMS是如何實現(xiàn)的？
高精度導航安全的最后一道屏障
MEMS（Microelectromechanical Systems），中文可譯為微機電系統(tǒng)，是將微電子技術與機械工程融合的一種工業(yè)技術，它的操作范圍在微米范圍內。自1964年西屋公司制造出了第一批微機電設備，MEMS如今已經無處不在，如手機的轉屏功能的實現(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?？梢钥吹剑\營商也投入資源將提供高精度定位服務，今年10月，有報道稱中國移動擬采購4400套高精度衛(wèi)星定位基準站設備，項目總預算超過3.36億元。
衛(wèi)星導航是我們日常生活中常用的功能，但大部分人應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)星傳回來了信號產生了多路徑效應，產生了誤差，使其精度在2.5-5米。這種精度可能會導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厘米的范圍內安全行駛，其他導航技術將發(fā)揮作用，比如雷達、視覺導航系統(tǒng)。但這些技術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，視覺導航同樣會因為光線變化而失效。
ADI亞太區(qū)微機電產品線總監(jiān)趙延輝認為，此時，慣性導航就成為了高精度高行定位的最后一道屏障。
所謂慣性導航，就是不依賴外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統(tǒng)。它是以牛頓力學定律為基礎，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，并且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。
如果使用MEMS技術的慣性測量單元 (IMU)，就能夠實現(xiàn)連續(xù)的導航。趙延輝表示，衛(wèi)星導航一般可以做到幾十赫茲，也就是一秒更新幾十次，高端應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要求內核傳感器、震動抑制特性都非常好。其中涉及到校準、信號調理、溫度補償校準等，需要有專業(yè)的人和專業(yè)的設備，投入非常巨大。
雷鋒網了解到，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的產品。
MEMS幫助實現(xiàn)地震預警
高精度導航或許現(xiàn)在還不是所有人都需要的功能，但地震預警關乎每個人的安全。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校提前60秒收到預警，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秒獲得預警，距震中240公里的成都市，提前61秒獲得預警。
要解釋地震預警系統(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)產生的混合波，其波長大、振幅強，只能沿地表面?zhèn)鞑?，對建筑物造成強烈破壞?/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，利用通信網絡（300000千米/秒）的高速傳輸發(fā)出預警。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。
原理看上去不算復雜，但要做到準備預警還需要應用大數(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)地震設備加上高密度輔助地震設備的方式。高密度輔助地震設備通過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，這已經得到了一些應用。
除了高精度導航和地震預警，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技術商用的公司，ADI在1987年就投入了MEMS技術的研究，1991年實現(xiàn)了MEMS替代傳統(tǒng)氣泡解決方案，將MEMS應用到安全氣囊，2019年有發(fā)明了CLHP IMU。
雷鋒網小結
MEMS技術只是推動技術和科技進步的其中一個，也是大眾關注度沒那么高的模擬技術。簡單來說，模擬技術就是把模擬信號轉換成對應精度的數(shù)字信號，比如MEMS加速度計把震動信號轉換為數(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)字轉換，把它轉化到數(shù)字域。其產品已經被應用于航空航天、汽車、通信、消費類電子、能源、醫(yī)療、電源及工業(yè)自動化等領域。雷鋒網
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