超低功耗MEMS加速度计如何实现造福人类生活的应用

MEMS(微机电)是如今炙手可热的一种传感器技术。在个人消费电子设备方面，它可帮助延伸人体的感官和体验，衍生出多种有趣应用;而在工业、农业、医疗、航空、军事等行业，MEMS也得到越来越多的使用，可帮助实现许多造福人类生活的应用。

随着ADI公司一款突破性MEMS加速度计的问世，更多改变人类生活的应用将会成为现实。因为它的极低功耗，使得很多需要数月甚至数年电池寿命的应用得以成真，此类应用中更换电池可能不切实际或者对设备或操作人员有危险。

这款产品就是目前市场上功耗最低的3轴数字MEMS加速度计ADXL362，在全速测量模式下，数据速率为100 Hz时，该器件的功耗为2μA，比相同频率下工作的竞争MEMS加速度计低80%!

什么应用需要“低功耗”加速度计?

那么超低功耗的ADXL362产品究竟可具体在什么应用中找到用武之地呢?答案有很多，不胜枚举，这里我们列举了在工业、医疗、农业等领域某些比较典型的应用例子(如图1所示)。

图1.哪些应用需要“超低功耗”MEMS加速度计?

1. 家用燃气表(需要数年的电池寿命或上门服务更换成本高昂)。

例如在地震多发区，假设当实际的地震等级超过五级时切断燃气，以防止灾害加剧或发生二次灾害。那么，这个家用燃气表就需要内置一个加速度计，用来检测实际发生地震时的震动波形。但用户和燃气公司都不可能随意就更换这个燃气表或电池，所以无论从成本还是方便性角度来考虑，这都是不现实的。所以具有检测地震功能的燃气表，希望其寿命可以达到十年甚至更长，这样可以节省燃气公司的成本，也能提升用户体验。这是它在工业类的一个典型应用。

2. 大型畜牧业农场(需要大量替换)。

在大型农场中，每一头牛的身上也要戴一个传感器。因为在正常状态下，牛是有一定的活动规律的，比如牛在吃草、走步、欢快跳跃的时候，都有一定的频率，而一旦牛生病了，它的运动行为就会发生变化。这时就需要检测牛的运动行为，一旦发现有变化，就要对它进行“隔离审查”，看是否真的有问题。如果这个事件发现得比较晚，那在牛与牛之间可能已经传染了，所以牧场主一定要及时发现，否则病情一旦传播到几百上千只的话，经济方面的损失会非常大。牛配戴的传感器在有问题的时候会通过无线的方式把数据发送到处理中心。所以这个传感器也是每天要实时工作的。如果每个月都需要给大量的牛更换电池来进行监测的话，那从成本、人的劳动强度、劳动时间上来说，也都是不可行的。对于需要大量替换的场合，也一定是需要低功耗的解决方案。即使这个低功耗产品只能延长一个月的替换时间，对于用户体验及成本节省，都是非常有帮助的。

3. DARPA Blast Gauge冲击检测系统采用ADI MEMS技术(密闭环境)。

ADXL362将集成到DARPA第二代Blast Gauge中，该器件由美国罗切斯特理工大学开发，并由BlackBox Biometrics公司转化为商业产品，用于保护美国军队武装人员。Blast Gauge既可用作医疗人员的筛选工具，执行爆炸事故后的验伤分类，也可为研究机构提供详细数据，帮助分析颅脑损伤(TBI)的原因。第一代Blast Gauge使用ADI公司的ADXL345传感器，已在数千名赴阿富汗美军士兵身上配备了一年。BlackBox Biometrics公司首席技术官David Borkholder表示：“借助ADI公司的高性能MEMS传感器，Blast Gauge经过验证能够可靠地检测我军人员遭受的震荡冲击。由于这些密封器件使用非充电电池，ADXL362大幅延长了其电池寿命。”

4. 运动监测产品(更换电池在财务方面不现实)。

在某些条件下，产品也可以更换电池，但从成本的角度考虑并不合理。比如老年人、残疾人使用的运动监测产品。目前市场上常见的老人手机，可以检测老人是否有跌倒的情况，如果跌倒后的一段时间内，老人没有任何活动，这就表示摔得比较严重，它会自动通过手机以GPS或GPRS的方式把信息传到急救中心或老人的儿女。对于这种老年人应用的运动监测产品，老人可能并不知道何时需要更换电池，在不能使用以后，老人需要求助医务人员或家人来解决。对于这类医疗应用的产品，总是希望产品的工作时间越长越好。这就需要一颗低功耗的运动监测产品来帮助解决这个问题。

5. 工业油气管道(偏远或危险区域)。

当传输管道上有漏油或漏气发生时，就需要准确定位整个传输管道的哪一段有洞，以便及时安排维修。在如此长的管道上，不可能每天安排人去不停地巡查。因此在工业油气管道上，就需要铺设大量的传感器来检测泄漏，同时实时检测是否有外力对管道进行冲击、破坏。铺设完成后，也不可能经常去更换大量传感器的电池，所以传感器的电池寿命越久越好。

ADXL362如何体现业界功耗最低?

现在来看看我们的主角ADXL362究竟在超低功耗方面有何突出亮点。这里有3个关键的技术指标可以说明问题，即：

1. 测量电流最低(2 μA)：最大程度降低满负荷工作时的电池消耗;

2. 唤醒模式电流最低(300 nA)：优化电池寿命;

3. 休眠电流最低(10nA)：优化电池寿命。

目前市面上的很多其它的产品也标称是2μA的功耗，甚至是更低。但是这种所谓的低功耗，一般都只是在极低的采样率比如1Hz(一秒钟只采一个点)的情况下测量的，此时，虽然器件也工作了，但是一秒钟一个采样点，对于前文所提到的应用例子，如需要实时检测是否有冲击，是否有地震发生、老人是否跌倒等，1Hz的数据采样率是远远不够的。而ADXL362在100Hz的采样率下，测量模式典型的电流也只有2μA。所以ADXL362是真正实现了超低功耗，可以最大程度地降低产品满负荷工作时的电池消耗，可以采用纽扣电池供电。

在运动检测唤醒模式下功耗仅为300nA，与最接近的竞争传感器相比，相同模式下的功耗要低60%。这里所谓的唤醒模式，即假设物体是静止的，那么整个系统都可以自动进入休眠状态，包括ADXL362器件本身。ADXL362可以自动检测系统是运动的还是静止的，并根据静止状态自动进入休眠状态。而当物体是运动的，那么ADXL362器件本身会先把自已唤醒，同时它还可以唤醒整个系统，让它高速运行，这时，即使在其高速运行的时候，功耗也只有2μA。在这种切换模式下，系统的最低工作电流只有300 nA。

判断一个器件是否真的是低功耗，一定还要看它的休眠电流是否足够低，休眠电流表示器件本身的设计是否能够满足漏电流足够小。而ADXL362的漏电流仅为10nA，到目前为止，还没有任何一个产品，包括ADI自己的产品也不能做到这么低的休眠电流。

输出数据速率最高可达400Hz，采用2V的电源，在运动激活唤醒模式下，其功耗仅为300nA,采用2.5V电源时，竞争器件可使100Hz时的功耗降到了10μA(8bit分辨率)到20μA之间，使400Hz时的功耗降到了35μA(8bit分辨率)至80μA之间，而ADI把这两种情况下的功耗分别降到了2μA和4μA(12bit分辨率)，如下图2所示。

图2. ADXL362与竞争器件的功耗指标比较图

竞争器件在不进行测量时，即使在待机模式下，其功耗一般也有500nA，这比ADXL362在唤醒模式下以6Hz的有效速率检测运动时的功耗要高60%。

更可实现系统级省电!

ADXL362器件不但拥有出色的功耗表现，同时还具备多种其他关键特性，可轻松实现系统级功效，ADXL362可以作为智能、连续运行运动开关的一部分，该器件有一个唤醒状态引脚，可以自动触发一个开关，该开关将打开系统功能，完全绕过处理器。

图3. 传统的MEMS加速度计解决方案

图3所示为传统的MEMS加速度计方案，当有运动时，系统将正常工作，没有运动时，加速度计将给处理器发出非运动信号，处理器将使整个系统(包括它自己)进入待机状态，待机电流仍然由系统消耗，在一个拥有多个元件的系统中，这点电流会变得很重要。

相反，ADXL362可以在处理器不干扰的情况下，自动驱动一个开关，控制是否向系统供电。图4所示为采用ADXL362的低功耗加速度计解决方案。

图4. 采用ADXL362的低功耗MEMS加速度计解决方案

当有运动时，系统将正常工作，当没有运动时，系统绝对不消耗电流。ADXL362集成了一种增强型活动检测功能，可以区分各种不同的运动，此功能可用来防止系统在不必要时打开，简单而言，当系统应该关闭时，系统就是关闭的。

ADXL362 MEMS加速度计还嵌入了一个内部FIFO存储器模块，使系统设计人员可记录数据并输出长数据流，从而降低处理器负载并节省额外系统功率。ADXL362有最深的FIFO深度。它的好处在于，当CPU休眠的时候，功耗很低，但器件唤醒它需要时间，而在唤醒的过程中，系统也想知道这时候的加速度计发生了什么，具体的物体运动状态发生了什么变化，但CPU唤醒需要时间，而这个时候如果数据丢了该怎么办?

ADXL362可以解决这样的问题，因为深FIFO可以存储大量的数据，可以给系统的CPU足够的唤醒时间。而且同时保证所有的数据采集都是实时的，不会有数据点的丢失。

实验室电路：超低功耗独立运动开关的实现方法

ADI公司的实验室电路由ADI工程师设计构建，每个电路的设计和构建都严格遵循标准工程规范，电路的功能和性能都在实验室环境中以室温条件进行了测试和验证。这些实验室电路解决了多种常见的模拟、RF/IF和混合信号设计挑战并配有完备的文档，易于学习、理解和集成。

ADI已开发出基于ADXL362和ADP195高端电源开关的超低功耗运动检测开关实验室电路 (CN0274)以及相应的评估板和软件，其电路描述、评估与测试结果以及PCB布局布线考量等详见：www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/CN0274/vc.html。

ADXL362的特性不再赘述。采用反向电流阻挡的逻辑控制型高端电源开关 ADP195采用1.1 V至3.6 V电源供电，可防止电流反向从输出端流向输入端。该负载开关可提供电源域隔离，有助于扩大电源域隔离范围。它内置一个低导通电阻P沟道MOSFET，支持1.1A以上的连续负载电流，功率损耗极小。这两种器件配套使用可提供业界领先的控制电源到负载的超低功耗独立运动开关解决方案。

图5：超低功耗独立运动开关的简化电气原理图