高端MEMS助力位置服务、智能制造、地震预警

MEMS（微机电系统）传感器已发展了40余年，已渗透到汽车、工业和人们的日常生活中。例如手机里常用的麦克风和加速器。手机里的MEMS麦克风越来越多，以更好地拾音；手机加速器的精度越来越高，例如当你用手机导航时，车开进了隧道，手机依然可以导航，这时已经不是靠卫星导航了，而是靠手机里的MEMS芯片来实现的。

在交通工具方面，汽车安全气囊、车身平稳控制，或者高铁上的一些安全监测都会用到MEMS。

医疗方面，一个典型的案例是过去非常依赖医生精准的手术技术，现在用一些非常小的MEMS传感器，可以对手术路径做引导，让一些不是那么专业的医生依然可以做专业的手术。

不久前，ADI公司亚太区微机电产品线总监赵延辉先生向电子产品世界等媒体介绍了MEMS传感器在位置服务、智能制造和地震监测中的最新应用动向，以及ADI的部分领先产品。   

ADI亚太区微机电产品线总监 赵延辉

1 高精度位置服务的刚需

1.1 位置服务的10大应用场景

2019年10月底、11月初时，中国移动投入了3亿多元，购置了4千多个基站，这些基站不是通常意义上的手机通信的基站，而是用来提供高精度位置服务的。

为什么中国移动要提供这种位置服务？因为现在5G时代正在到来，可以真正通过5G技术实现万物互联。万物互联之后，还需要知道“物”的准确位置。下图列出了公认的需要高精度定位的10大应用，包括自动驾驶、手机定位等。

1.2 弥补卫星导航的不足

我国的北斗三号卫星在2020年可以完成全球布局，也会为国内利用北斗实现高精度位置服务的市场带来井喷式的发展。这和MEMS有什么相关性呢？实际上，海量的需求连到网络里需要位置的信息，是离不开惯性导航的，因为以下5方面会带来很大的定位精度的误差。

1）现在北斗三号卫星的误差精度大约是2.5~5 m的精度，这对很多应用还是远远不够的，因为假如这时连着1个岔路口，导航有可能指引出错误的方向。因此，一定需要一些辅助的手段来提高卫星导航的精度。

2）俗话说：做卫星导航是靠天吃饭的，因为卫星在外太空把信号传过回来，首先要穿过大气电离层和对流层，会有一定的折射误差，因此手机及高精度的接收机都会收到一定的噪音。

3）能通过卫星来定位，是因为我们准确地知道了卫星的位置，但是卫星也有轨道误差。

4）在理论情况下，各种手机或接收机能够接收到卫星传回来的信号。但很多人生活在城市峡谷里——不仅接收到卫星直接传回来的信号，还有卫星信号打在建筑物上再折射回来的信号，它们会产生多路径的效应。

5）一些场景没有卫星信号。例如汽车开进隧道或室内停车场。这对于现在非常火爆的自动驾驶概念是个挑战，因为自动车行驶到隧道里，不能驶出车道线，一般行业要求精度不超过20 cm，这时候只能靠惯导了。惯导利用了MEMS技术。

1.3 MEMS惯导是定位安全的最后一到屏障

也许有人认为有点危言耸听，例如车进入了隧道，还有很多其它技术，例如还有视觉和雷达的技术都是可以用的。但是有两点理由。

1）所有的其它技术都非常依赖于外部的环境。例如卫星导航必须得能看到卫星，才能利用卫星导航。关于雷达，由于雾霾等空气质量的影响，雷达有可能失效。关于视觉，也和人眼一样，以隧道场景为例，假如白天外面非常明亮，从一个很亮的环境忽然行驶到很暗的环境里，就像人眼会瞬间致盲一样，这时候视觉也提供不了准确的位置判断。还有在强光下，人会看不清东西，视觉也一样。所以视觉受到太多的环境影响，包括车载里程计，车载路面打滑怎么办？它们都太依靠外部的环境下。只有惯导IMU（惯性测量单元），不依赖于任何的外部环境。

2）在做导航定位的时候，感觉导航更新较慢，例如车速开得很快的时候，到一个路口，开过去了才说岔路右转。这是因为很多卫星导航或者视觉更新速度太慢了，例如卫星导航，一般是1 s更新1次，现在最快可以做到几十Hz，即1 s更新几十次。对于高端的应用，涉及到国防安全的应用，尽管最多可达几百Hz级，仍远远达不到连续导航的水平。连续导航至少需要做到几ms级，这是ADI IMU可以轻松做到的。

不过，IMU也并非十全十美，取决于多长时间，例如进入隧道了，在其它传感器都失效的情况下，希望车不出车道线20 cm的精度，要依靠IMU 10 s、1 h都能做得到吗？这时，依赖IMU的时间越长，需要选择的传感器的精度就要越高，这意味着在做传感器融合的时候，并不是传感器越多越好，而不考虑传感器的性能。如果选择不当，可能拿来的都是一些无用的数据，无法实现精准的定位。