MEMS

無線微控制器為物聯網基礎 物聯網這個詞彙，描繪連線的各個面向，從汽車工廠中採用機器學習的自動化過程到遠端控制烤麵包機。這實際上是一個合適的詞彙，因為在許多情況下，「物聯網支援的產品」可能是指在需要下一階段自主功能範圍內任一系列「物件」(試想人工智慧)，也可能指有助於生活更輕鬆的物件(例如烤麵包機)。 不可否認的是連線的需求相當普遍且不會改變，而且正在徹底改變建構問題陳述及其解決方案的方式。若沒有物聯網，今天就不可能討論數據的力量並運用從數據中獲得的情報提升生活品質。支援這些連線產品的核心技術就是無線MCU，它可將傳統的獨立感測器節點與網際網路對接。 雖然這些無線技術目前愈來愈廣泛被採用，但是物聯網的發展仍然受到多種因素的限制，包括產品上市時間變長、成本增加和產品尺寸變大(無線技術造成額外的複雜性設計)。本文將以BAW技術的無晶體無線MCU為例，說明將如何解決上述問題。 簡化物聯網設計性能仍須維持 BAW技術是整合式微機電(MEMS)單晶片諧振器的核心推動元素，諧振器是由夾在兩個電極之間的壓電材料組成(圖1)。這種材料可以將電能轉換為機械聲能，產生可靠的振盪，藉以產生高頻且穩定的時鐘輸出。穩定的時鐘可做為射頻(RF)計時的精確來源，使得射頻核心能夠可靠運作，而不會影響頻率誤差和嚴格溫度容許偏差等等的參數。 圖1　壓電材料做為諧振器，(a)為矽晶片；(b)為採用的BAW技術。 這項技術現已整合在TI的SimpleLink 系列無線MCU中，使得MCU不需要任何外部振盪器即可運作。如圖1所示，BAW諧振器完全整合在7mm×7mm四方扁平無引線(QFN)的CC2652RB裝置封裝中。透過提供精確的參考頻率為數位鎖相環(PLL)提供服務，使得PLL能夠在48MHz穩定運作。 為了在此溫度和電池(電壓)條件下實現優異的頻率穩定性，BAW諧振器擁有主動補償能力。這種主動補償在整合式射頻核心中執行，不會影響應用的MCU頻寬，而且使得裝置能夠在整個工作電壓(1.8V~3.6V)和溫度(-40℃~85℃)範圍提供40ppm的嚴格頻率誤差。 相形之下，外部48MHz晶體在室溫下出現合理的頻率誤差(典型值約10ppm)，但是在整體工作範圍內往往會出現數十倍ppm的變化。因此，可以消除晶體選擇的複雜性(特別是在需要滿足嚴格的ppm要求時)，藉以簡化設計決策。 無晶體設計的其他優點還包括平均節省晶體成本0.40美元~0.80美元，更不用說因為簡化材料清單而明顯降低晶體採購的風險(在外部晶體的交付週期很長的情況之下)。 圖2顯示裝置上整合式BAW諧振器與現成外部晶體的頻率誤差所呈現的典型範例圖。可以看出，無晶體無線MCU的頻率準確度與使用外部晶體的無線 MCU一樣好。注意對於Bluetooth Low Energy、Thread和Zigbee等通訊協定，40ppm是所需的頻率誤差規格，才能保持連線完整性，並確保資料傳輸的可靠。 圖2　CC2652RB無晶體無線SimpleLink MCU射頻準確度。 另外，可以在圖3中看到，支援BAW 的裝置處於同等狀態，而且不影響接收器靈敏度，或在工作狀態下出現性能下降。 圖3　CC2652RB MCU的接收器靈敏度。 現在，已經解決性能的重要面向，包括工作條件下的頻率誤差和接收器靈敏度，接著來看看整合式BAW技術的功耗。採用這種技術時，最好考量Bluetooth Low Energy等等標準無線通訊協定的使用情況。 請注意，BAW諧振器能緊密整合到Bluetooth Low Energy堆疊，且軟體能夠以智慧的方式開啟諧振器(工作週期)，以大幅降低功耗。使用整合式BAW諧振器，通常會在500µA的範圍內產生額外的功耗。表1說明典型的工作週期應用，使用BAW諧振器時有功耗的增加導致總功耗的增加最小化。 可以發現頻率準確度對於接收器靈敏度的另一個重要影響是，接收器可以在保持預期PER(封包錯誤率)時識別最弱的訊號。 連網產品呈現的新興趨勢是無線技術擴及醫療市場，提供顯著生活品質的改善。物聯網的許多應用包括心律調節器、連續血糖監測儀、輸液泵和遠端患者監控系統已證實是改變遊戲規則的主因，能夠以簡單且低成本的方式在全球發展高品質醫療服務。在醫療穿戴式設備中，實現無線連線必須考量最重要的設計考量因素：空間最佳化。在這種情況下，很容易看出節省的每平方公釐空間對於產品的使用極為重要。 圖4顯示使用外部晶體的CC2652R裝置電路板配置圖。該圖特別顯示外部晶體使用的空間以及所需的走線路徑。綜上所述，無晶體MCU實現前所未有的整合度，為物聯網產品帶來令人振奮的新境界，改變在邊緣節點中採用、實現和使用無線技術的情況，同時提供更智慧的方式進行連線。 圖4　電路板配置顯示Launchxl-cc26x2r1上的外部晶體使用的空間。 (本文作者皆任職於德州儀器)

CEVA宣布收購InterDigital旗下的Hillcrest Laboratories(Hillcrest Labs)業務。採用建基於MEMS慣性和環境感測器的設備越來越多，其中包括智慧手機、筆記型電腦、平板電腦、無線耳機、電視和遙控器、AR和VR耳機、無人機、機器人和許多其他消費電子和工業設備等。在感測器處理方面，Hillcrest Labs擁有超過15年的札實經驗，而且，迄今為止，採用其技術的設備出貨量已超過一億台，因此被業界認為是融合多個感測器資料以實現智慧系統方面的領先創新企業，該公司所開發的演算法和軟體可用於比如慣性測量單元(IMU)的感測器和終端使用者產品之中，以便把情境感知和豐富的使用者體驗導入到各種設備，比如自主機器人和無人機的精確導航。 Hillcrest Labs業界公認的創新MotionEngine軟體支援廣泛的商用感測器晶片，並且授權許可予在CEVA DSP或各種RISC CPU上運行軟體的OEM廠商和半導體公司，這些RISC CPU包括ArmCortex-M、A系列和建基於RISC-V的核心。MotionEngine軟體擴展並補充了CEVA的智慧感測技術，包括用於相機的電腦視覺和AI處理，以及麥克風聲音處理技術。因此，獲得CEVA DSP授權的廠商現在可以享受到CEVA作為處理全類別感測器完整一站式供應商能力所帶來的效益。此外，Hillcrest Labs軟體技術直接擴展了CEVA與OEM和ODM廠商的軟體授權約定(software licensing engagement)，可為其商用SoC添加大量建基於IMU的軟體應用程式，這些SoC採用的是針對設備而非晶片的專利權使用費(royalty payment)方案。 CEVA執行長Gideon Wertheizer表示，我們衷心歡迎Hillcrest Labs團隊加入公司。在感測器處理和創新的感測器融合技術領域，他們擁有無與倫比的專業知識，以及良好的大批量設備出貨記錄，這與CEVA在智慧感測領域的多元化策略完美契合。這項收購為獲取包括OEM廠商在內的多個專利權業務增長領域提供了機會，使得我們成為新興AR 及 VR和不同類別機器人領域的先鋒企業。憑藉結合彼此廣泛的連接、聲音、視覺和人工智慧技術，Hillcrest Labs將推動我們繼續提升針對資料驅動世界的技術解決方案之極限。 Hillcrest Labs總裁Chad Lucien表示，我們非常自豪能夠加入CEVA這家業界最具創新和活力的高科技企業之一。為了以情境感知來改善用戶體驗，日常設備也逐步加入越來越多的感測器產品，我們的感測器處理和感測器融合技術可與CEVA現有的智慧感測平台完美互補。我們期待在這個新的大家庭中應對即將來臨的全新挑戰和可能性。

MEMS是一種工程空間技術，主要仰仗於機械和機電裝置及相關結構的小型化。這些可以透過多種技術創建，統稱為微製程(Microfabrication)。與這種MEMS元件相關的尺寸(Form Factors)可以從幾個mm直到次微米(Sub-micron)級。有些元件可以運動，但其他元件會在裝置中保持靜態。 MEMS技術有許多潛在用途，但它目前在轉換器(Transducers)領域具有最重要影響。作為通用術語，轉換器可以涵蓋將能量從一種形態轉換為另一種形態的任何裝置。在MEMS環境中，這將是機械能到電能，或者反過來的方式，包括微感測器和微致動器(Micro-actuators)。 雖然標準的機電裝置本身非常有用，並且可以完成大量任務，但是當它們在整合到MEMS中時，可以實現其全部最大潛力，感測元件可以與伴隨的IC和其他元件共用同一矽基板。採用典型的半導體製程(CMOS、BiCMOS等)來製造IC，而MEMS特性則使用微加工製程製造，選擇性地蝕刻掉晶片的一部分，或者添加新的結構以形成轉換器元件。除了在許多應用中具有很大吸引力的小型化明顯優勢外，MEMS元件批量製造和自動校準能力也帶來明顯的規模經濟，從而可以大大降低製造費用，降低實際的單價。 MEMS感測器可簡化任務/降低風險 現代感測解決方案通常將MEMS元件與相關的訊號調節電路整合，例如類比數位轉換器(ADC)和數位介面。這形成更緊湊的解決方案，可以輕易地與系統主處理器互連。透過在系統級封裝(SiP)格式中包含此類功能，設計工程師的任務變得更加簡潔，進而降低設計風險，並加速產品上市時程。 整合MEMS元件的另一個優勢則是它們總能提供「理想」的輸出。如果裝置的機械元件為非線性，那麼這可以透過裝置本身的演算法來解決。例如，還可以透過在MEMS元件內整合小的熱感測器來應對由於溫度變化引起的非線性或偏移(Offset)。藉由這種自補償能力，基於MEMS的感測技術能夠提供高品質輸出。 使用MEMS技術的最簡單裝置之一是麥克風(圖1)，它是一種直接的感測器類型，可將聲壓轉換為電能。由於語音啟動助理(如Amazon、Google等)、降雜訊耳機以及音訊會議等車輛和商業應用中使用的語音控制系統等大幅成長，麥克風市場正在迅速復甦。 圖1　基於Infineon IM69D120 MEMS的麥克風。 一些基於MEMS的麥克風，例如Infineon的IM69D120，相較其較大的機電同類產品具有更好的性能。該特定元件具有非常高的訊噪比(SNR)和極低的失真(<1%)以及完美的匹配，非常適合多麥克風陣列型應用。它還具備高整合度，包括一個低雜訊前置放大器和一個ADC，可提供完全的數位輸出。 雖然有許多類型的基於MEMS的感測器，能夠量測流量、位置、運動、壓力等，但這些節省空間的裝置現在也開始承擔更複雜的任務。例如，它們已經廣泛用在汽車工業，以便更精確地知道車輛的方位和運動，確保持續的穩定性並增強安全感，執行這些任務的關鍵元件包括採用MEMS技術的加速度計和陀螺儀。 MEMS加速度計廣泛應用消費/工業/汽車產業 基於MEMS的加速度計能夠感測由於運動/加速度引起的力，這些主要透過懸掛(在彈簧上)微加工層來實現，當安裝於任何媒介上的感測器因動作而受到力時，該層可自由運動。一些MEMS加速度計利用壓電效應，這些裝置包含微晶體結構，晶體結構受到機構層運動造成的壓力，之後產生與加速度成比例的電壓。另一種方法是將可動作層懸掛在一對電極板之間，當機構層移動時，電容就會改變，該變化可以被量測並產生與加速力成比例之輸出。在大多數微加工製程中，確定電容只需要一個小小的額外步驟。這種方法能夠具備明顯提高的靈敏度，並且本質對溫度變化不敏感，所有這些都使其應用具有很大吸引力。 近年來，加速度計已經進入更廣泛應用領域。它們現在被整合到智慧型手機中，可以幫助偵測方向以轉動螢幕，並提供額外的功能(例如統計步數以提高健身水準)。它們可以整合在媒體播放機等產品中以提供創新的用戶介面，可以在口袋內輕敲以變換到下一音樂曲目。此外，它們可以作為一種偵測「相機抖動」方式(包括數位相機和影像攝影機)，透過反相動作影像感測器來校正可能導致模糊影像。在筆記型電腦型號中，它們可用於偵測突然跌落，並在硬碟驅動器(HDD)撞擊地面之前將其關閉，以保護高價值資料。 在消費性領域之外，加速度計還具有其他軍事、研究和商業用例。它們也常用于機器人和機器控制系統，但最重要的是它們在汽車產業中執行安全關鍵功能。結合車輛中的高級駕駛員輔助系統(ADAS)，具備高g值的加速度計可以透過偵測快速負加速度來及時回應即將發生的撞擊，可以啟動安全氣囊，關閉燃料供應，甚至自動向急救人員發出緊急呼叫。 基於MEMS的陀螺儀可以仰仗Coriolis Effect量測圍繞正常行駛軸的側傾和偏航，並能夠偵測打滑，提供進一步的安全功能。舉例來說，Murata的SCC2230將三軸加速度計與陀螺儀和訊號處理電路整合在一個小型SiP中(圖2)，構成一個基於MEMS的慣性量測系統(IMU)，可以高精度地跟蹤位置。該元件基於Murata專有的電容式MEMS機構，能夠量測加速度和角速率，同時透過方便的數位SPI輸出提供資料。 圖2　Murata的SCC2230 IMU的功能方塊圖。 感測器融合　資料準確更可靠 因此，感測器融合能夠處理來自多個感測器的資料，隨後得到的資料更準確或更可靠，或者兩者兼而有之。業界對這一概念的興趣日益增加，至少部分是由於MEMS感測器使用越來越多，這些感測器能夠降低感測系統的尺寸和成本。隨著物聯網的不斷進步，現在可以訪問雲端運算資源，以更有意義的方式組合來自多個感測器的資料，並提供所需的處理能力。 以相對濕度作為一個簡單的範例。這須要運算空氣中存在的水量，表示為在相同溫度下飽和狀況所需水量的百分比。這對於室內氣候控制很重要，特別是在儲存敏感電子元件的地方，以及工業應用(例如塗漆和塗層)中。可以透過將濕度感測器的資料與溫度感測器的資料組合來運算環境相對濕度。 感測器融合還可用於改進系統或物體在三維空間中的定位。透過前面討論過的Murata IMU，來自加速度計和陀螺儀的資料可以透過感測器融合進行組合，以提供高精度的3D位置，能夠克服陀螺儀內的任何偏差或可能影響加速度計讀數的振動，可使用複合濾波演算法(包括流行的卡爾曼濾波技術)來組合資料。除了在汽車產業也具備許多應用外，該技術也註定廣泛應用于機器人等領域，例如，必須要知道機器人手臂的確切位置。 基於MEMS感測器資料的融合也在醫療保健市場取得了重大進展。可穿戴健身追蹤器中的感測器可以與其他心率或體溫監測器等貼近身體裝置組合，提供患者生命體徵的完整資料，並用於遠端監護等用途。如果再將人工智慧(AI)導入這些類似的醫療應用，可以開創沒有任何人工參與狀況下的醫學診斷巨大潛力。 雖然MEMS感測器與較大的機電元件都仰仗相同的原理，但MEMS感測器正在為當今世界中所看到的快速變化做出重大貢獻。小而堅固的MEMS元件(通常以SiP格式提供)可以將感測元件與板載訊號調節和數位通訊整合在一起，能夠更容易地將資料傳輸到適當的硬體處理。 透過自動化製造和校準的組合，以及量產快速成長所帶來的規模經濟效應，這種先進技術比以往都更加經濟實惠。所有這些發展都得益於將多個感測器的運作整合在一起所帶來的機會，藉此能夠實現更高的準確度和可靠性，並可獲得透過單獨感測器無法實現的參數量測。 (本文作者任職於貿澤電子)

意法半導體(ST)推出全新LSM6DSR慣性模組，這是一款針對下一代注重性能的遊戲、工業和運動應用而設計和製造的模組，其兼具高穩定性、先進數位功能、低功耗和小尺寸之優勢，適用於頭戴式顯示器、穿戴式追蹤器、智慧型手機和無人機。 LSM6DSR MEMS系統級封裝包含一個3軸數位加速器和一個3軸數位陀螺儀。為了能測量快速移動的遊戲和運動應用，角速率可量測範圍特別擴大至4000度/秒。為符合主流作業系統之要求，其支援S4S感測器同步技術。LSM6DSR相容主流行動平台，具有物理感測、虛擬感測和批次感測功能。晶片上整合9KB FIFO記憶體(有壓縮功能)，並支援感測器資料動態批次處理。 LSM6DSR為遊戲和專業應用創造沉浸感更強之虛擬實境(VR)體驗，還可以在新的智慧型手機上帶來卓越的擴增實境(AR)功能。此外，模組原生的先進的計步器、步檢測器和計數器，以及有效動作檢測和傾斜檢測，確保活動識別精確、高效。此外，LSM6DSR亦是感測器、集線器、連網裝置、室內導航和無人機相機光學防震系統(Optical Image Stabilization, OIS)的理想選擇。 強化的機械設計確保模組能提供優越的穩定性，並最大限度地減少感測器偏差、偏移和漂移以及溫度相關參數的變化。卓越的穩定性還能讓感測器性能長時間維持不變，使主機系統免於執行複雜的重新調校程式，並降低系統功耗，而且能最大限度提升應用性能。

Bourns發表進階版環境感測器系列，其中包含一個新版壓力感測器。Bourns BPS140系列壓力感測器基於最先進的微機電系統(MEMS)技術，在微型封裝尺寸下提供極其精確的狀態讀數。新型BPS140壓力感測器提供高靈敏度/準確度和長期可靠性，提供較寬廣的操作溫度能力和苛刻介質兼容性。 BPS140系列極其堅固，其結構即使在高溫下也能夠處理高壓範圍(15~500 PSI)。Bourns最新壓力感測器的另一個優點是結構與背面壓力測量相結合，可大幅降低介質敏感的濕潤材料。這種背面感測設計的目的是確保被測介質僅接觸測量元件的背面。 Bourns感測器與控制器產品線經理Alain Leon表示，BPS140的結構提供了獨特的感測器精度優勢，因為所有電子元件和其他敏感表面都與介質隔離。並且，通過減少濕潤材料的數量，有效地降低感測器的介質敏感度。 Bourns新型感測器系列在產品使用週期間可提供穩定的性能，總誤差為2.%FS，溫度範圍為-40°C~150°C(六標準差流程)，產品壽命變化為0.5%FS。這些特性使BPS140壓力感測器成為各種工業、能源、重型設備、建築&家居控制以及中/低等風險醫療設計的理想解決方案。

這些功能所仰仗的，以及未來完全自動駕駛汽車設計的基礎是在車輛駕駛時能夠不間斷地精準感測自身位置和軌跡。汽車設計師面臨的挑戰在於「不間斷」。GPS等技術具有龐大的用戶基礎，而且通常非常精準，但GPS所仰仗的訊號並非100%有保證，且可能在有高層建築的城市或惡劣天氣條件下消失。這對於導航非常不便，可能導致駕駛員錯過轉彎，而對於車輛控制和定位可能是災難性的，會導致意外發生，並因此將生命置於危險之中。 因此，汽車工程團隊不再單純依靠GPS技術，而是開始採用車載技術，例如光達(LiDAR)。LiDAR技術已經在Uber的車隊上進行了試驗，相較GPS具有一些優勢。然而，當路況出現複雜情況時，例如在交叉路口出現繁忙交通時，這種技術仍然容易混淆。 MEMS慣性導航讓　精準定位不間斷 在尋找能夠為車輛持續提供精準位置的解決方案時，設計人員寄望於慣性量測機制來提供可靠方案。慣性量測基於微機電系統(MEMS)技術，使用加速度計和陀螺儀量測車輛行動，並透過隨後的資料處理，不間斷地計算出高度精確的車輛位置。 除了提供位置資料之外，這些系統還可以偵測車輛的方向，包括它是否處於水準以上。這些細節在自動駕駛中非常有價值，因為據此可以確定需要施加更多/更少的扭矩或煞車力以完全受控的方式驅動或停止車輛，以確保穩定性。 雖然許多車載感測器主要是基於矽晶片，但是像力量等一些參數只能透過機械方式量測。MEMS感測器採用高度微型化的機械元件，與使用微製造技術的電子元件相結合，形成完全整合的感測系統。 基於MEMS的加速度計通常包括類似於擺錘的機械懸吊重量，透過彈簧張力使其保持在適當位置。當車輛行動時，懸掛重量也會移動，然後這種運動通常使用電容或壓電技術轉化為電訊號。在許多車輛應用中，單個MEMS元件包含三軸加速度計，從而允許同時在所有三個平面中量測加速度。 相較量測線性力的加速度計，陀螺儀感測器以每秒度數(O/s)或每秒轉數(rps)量測角速度，以便提供旋轉速度。將其與三軸加速度計組合，可以形成慣性量測系統(IMU)，能夠全面掌握車輛的運動情況，並實現多種舒適性和安全功能，以及精準的位置報告。如果IMU偵測到車輛圍繞其軸發生突然旋轉，則電子穩定系統可以對特定車輪施加動力和/或煞車以使車輛返回到穩定的狀態，進而避免潛在的意外。 在實際發生意外的情形下，可透過加速度計和/或陀螺儀偵測到由於撞擊另一車輛或牆壁而導致的加速度快速變化，並可為防止翻車而採取相應的措施。系統的快速回應還允許啟動自動傷害緩解系統，例如幾乎瞬間就可以張緊安全帶或彈出安全氣囊，燃料和電氣裝置馬上關閉，減少火災可能，但更加優先的是車輛自動呼叫救援，並給出自己的確切位置以尋求幫助。 選擇正確元件　確保IMU精準度 鑒於MEMS加速度計、陀螺儀和IMU都處在與生命攸關的車載汽車系統之核心，因此設計人員為每個應用選擇正確的元件同樣至關重要。最基本的考量因素與元件類型有關：特定應用是需要一個加速度計，一個陀螺儀，還是兩者都整合到IMU中？加速度計應該是單軸還是三軸？ 電氣性能方面的關鍵考量因素是量測範圍、解析度、線性度、穩定性、頻寬和精度，所有這些都很重要，必須根據特定應用的需求加以考量，因為它們會影響整體精準度。此外，還需要考量其他參數，例如任何偏差(零加速度時出現的輸出)和長期漂移。更進階的元件包含有校正和訊號調理硬體，因此輸出訊號不受影響。 雖然能量效率和燃料經濟性是現代汽車應用中的一個重要關切問題，但是這些元件的功耗大約為mA級，因此元件功耗不構成很大挑戰。但鑒於許多現代汽車應用中存在高水準電氣雜訊，應認真考量電磁干擾(EMI)的敏感性，因為它會影響操作和精度。 環境參數不可忽視 還有各種環境參數須要考量。車輛中的環境溫度可以升高，特別是感測器可能安裝在狹窄空間，因此感測器可以支援的操作溫度顯然須要考量這些因素。 設計師還應注意絕對最大機械參數，最需要關注的是衝擊和振動彈性值。廠商所提供的封裝尺寸和類型也非常重要，因為它們決定了元件是否適合可用空間以及是否與現代自動化製造系統(提起-放置和迴銲製程)相容，以確保降低成本和實現更高可靠性。 另一個須要關注的層面是與系統的介面。有些元件具備類比輸出，而其他元件則包括板載類比數位轉換器，並提供一種常用的介面類型(如SPI或I2C)。顯然，這須要與系統硬體的其餘部分保持一致，以便輕鬆整合。確保可以信賴的輸出訊號是避免潛在風險的關鍵，一些慣性量測裝置提供整合的自檢功能，可進一步確保採集資料的完整性。如果系統支援汽車安全完整性等級(ASIL)，這種類型的功能將會是非常寶貴。 系統設計人員也該關注元件供應商，並要熟悉正在考量使用元件的可用支援工具(硬體/軟體)。評估套件和開發板(Break-out Board)都是有用的設計工具，可顯著降低設計風險縮短產品上市時程。 舉例來說，Murata的SCA3300是一款基於三軸加速度計的高性能IMU(圖1)，採用了成熟的電容式3D-MEMS技術。它針對汽車應用進行了優化，在高達125℃溫度下可量測高達±6g的加速度，同時僅消耗1mA電流。輸出訊號顯示出強大的偏壓穩定性和低雜訊水準，從而能夠提供精確的量測。該元件經過精心設計、製造和測試，具有高穩定性、高可靠性和高品質，並標配先進的自我診斷功能。在板上混合訊號ASIC進行訊號處理後傳送到方便通用的數位SPI介面。SCA3300採用牢固的12引腳模壓SMD封裝，確保可靠運作，尺寸僅為7.6mm×3.3mm×8.6mm。 圖1　Murata的SCA3300 IMU使用3軸加速度計，測量精度更高。 另外再以TDK的GYPRO MEMS陀螺儀為例，專為進階應用而設計，可量測繞z軸(偏航)的角速率。它透過SPI介面提供高精度24位元輸出，穩定性優於0.8O/hour，雜訊水準低於0.1O/√hour。嵌入式溫度感測器可在運作中實現校正，而連續自檢功能可始終確保有效輸出。它有多種變體可供選擇，包括高達1800Hz的資料速率和低至1ms的延遲。可提供一系列與Arduino M0相容的評估板幫助進行初始設計，有助於簡化原型製作過程。 MEMS加速度計/陀螺儀　提供可靠準確定位 可靠且精準的運動和位置量測對於完全自動駕駛汽車的成功至關重要(圖2)，即便就當下以ADAS為中心的汽車車型也很重要，這類汽車在某些情況下，只需極少的人工干預即可實現駕駛。基於MEMS的新型加速度計和陀螺儀可為這些要求苛刻的汽車應用提供所需的堅固性、可靠性和廣泛的功能。透過針對具體應用精心選擇適合的元件，並借助元件製造商的設計工具所提供的支援，工程師現在能夠快速而自信地部署非常先進的慣性量測系統。 圖2　可靠的定位系統對現代汽車應用來說是不可或缺的要素。 (本文作者任職於貿澤電子)

意法半導體(ST)新款LIS2DTW12單晶片整合MEMS 3軸加速度計和溫度感測器，目標應用包括空間受限和電池敏感的探測器，例如，貨物追蹤器、穿戴式裝置和物聯網端點。溫度感測器具有0.8°C的測量準確度，而且精確度媲美獨立的標準溫度感測器。 除了強化溫度補償功能和優異的溫度感測準確度外，加速度計還提供65種不同的使用模式，讓開發人員能夠靈活地優化功耗和雜訊，滿足特定的應用需求。使用者可選擇加速度計滿量程範圍，最大量程達±16g，而資料輸出速率則為1.6Hz~1600Hz。 LIS2DTW12的封裝厚度僅0.7mm，相較其他廠商的多合一感測器薄30%，省下的空間可容納更大的電池，延長裝置的執行時間。多種省電功能可進一步延長電池續航力，其中，關斷模式功耗為50nA，且其他工作模式則低於1µA。內部專用引擎用於處理加速度計的訊號，大容量32級FIFO減少主控制器的干擾。 LIS2DTW12透過高速I2C/SPI埠輸出16位元加速度計數據和12位元溫度數據，可依照需求支援單一數據轉換。動作引擎執行自由落體和喚醒檢測、按一下/按兩下識別、動作/不動作檢測、靜止/動作檢測、直立/橫放檢測，以及6D/4D方向檢測。內部先進的自檢功能可以檢查感測器是否正常運作。 LIS2DTW12的額定工作溫度為-40°C至+ 85°C，其採用2.0mm x 2.0mm x 0.7mm LGA-12超薄型塑膠LGA封裝。LIS2DTW12的專用介面卡板STEVAL-MKI190V1透過STEVAL-MKI109V3微控制器主機板連接到PC，可在Unico GUI或使用者的軟體中查看感測器的數據。

意法半導體(ST)新推出之LPS33W防水型MEMS壓力感測器兼具化學相容性、穩定性和精確性之優勢，適合健身追蹤器、穿戴式裝置、真空吸塵器和通用型工業感測等各種應用領域。 LPS33W在圓柱形金屬封裝內塗覆一層粘性灌封膠，IPx8級防水，可承受鹽水、氯、溴、清潔劑(洗手液、洗髮精等)、電子液體和輕工化學品(正戊烷)。封裝蓋具有高耐腐蝕性，圓柱形外觀在需要密封外殼的應用中易於與O形圈配合使用。 意法半導體灌封膠配方的獨特性質，結合感測器的內建訊號調理電路ASIC，確保壓力噪聲達到領先同級產品的0.008hPa RMS水準，以提供出色的測量分辨率。在組裝過程中對回流焊應力的敏感性也極低，溫漂低於±2hPa，在72小時內恢復正常精度，恢復速度比其他感測器快兩倍以上。在0°C~65°C工作溫度範圍內，溫度補償精度可保持在±3hPa範圍內。 LPS33W高性能模式工作電流僅為15µA，低功耗模式為3µA，關斷模式為1µA，靈活的功耗模式有助於最大限度延長電池供電裝置的續航時間。128位元大容量FIFO記憶體可存儲多達40個時隙的32位元壓力和溫度數據，將主微控制器的干擾降至最低，以有助於節省更多的電力。其他內建功能還包括低通濾波器、數位連接埠I2C和SPI。

根據市調機構Transparency的調查，全球的聲波感測器市場在技術層面已經有顯著的成長，原因在於微機電系統(MEMS)聲波感測器已被廣泛應用；由於MEMS聲波感測器具備高靈敏度和無線操作特性，預計需求將會明顯增加，進而驅動聲波感測器市場。 Transparency指出，MEMS已被確立為21世紀最有前途的技術之一。透過結合矽基微電子技術與微機械加工技術，MEMS可能徹底改變工業與消費產品的樣貌。預計到了2026年全球聲波感測器市場將從2017年的4.8億美元達到20億美元，預計年複合增長率為17.19%。  此外，電信業將聲波感測器用於行動電話和其他類似機件也是驅動市場的因素之一。這些設備大部分都已經安裝了麥克風或喇叭，這樣能以相對親切的成本支持聲波感測的應用。預計這些因素將對全球聲波感測器市場產生積極的影響。  受到市場快速成長和潛在需求的吸引，一些企業開始投資聲波感測器的產品和服務。從顯示器面板製造商到設備製造商，各行各業都努力加強自己在全球聲波感測器市場的立足點。研究指出，一些全球知名企業如西門子公司(Siemens Process Instrumentation)、安柏電機(Hubbell Lighting)、阜拓科技(Piezo-optics)、Transense、Pro-Micron GmbH＆Co.Kg、Honeywell Sensing & Control、村田製作所(Murata Manufacturing)、Vectron、宜福門電子(IFM Efector)和Dytran。這些公司正致力於透過策略性收購和合作擴展其業務。 2017年亞太地區領先全球聲波感測器市場，預計其將以18.08%的年複合增長率成長。聲波感測器越來越常被應用在智慧型手機和智慧型手表中，預計這個現象在2​​018~2026年將持續驅動市場。在2017年，中國占了亞太聲波感測器市場的最大部分，其次則是日本，而印度則是成長最快的國家。

如此除了能避免不必要的磨耗以及可能發生的故障，還能及早偵測出故障的成因。藉由這種監控機制的協助，在設施可用度方面可發揮可觀的優化潛力，成效也能隨之提升，同時帶來許多關鍵性的優勢。舉例來說，ABB藉此最多減少70%的關機時間；延長30%的馬達耐用年限；設施每年消耗能源則減少10%。 這種預測維護(Predictive Maintenance, PM)的主要元素，其專業術語為視狀況維護(Condition-Based Monitoring, CBM)，通常用在各種旋轉機器，包括像渦輪機、風扇、泵浦以及馬達等。透過CBM，有關運轉狀態的資訊都會即時記錄下來。但這種方法卻沒有做出有關可能故障或磨耗的預測。只有透過預測維護才能得知這類預測資訊，因此浮現出一個轉折點。在日趨智慧化感測器以及更強大的通訊網路與運算平台的幫助之下，我們不僅能建構模型、偵測變化，還能針對耐用年限進行詳細的計算。 為建立有意義的模型，必須分析包括振動、溫度、電流以及磁場等。現代的有線與無線通訊方法已經能進行全廠或全公司的設施監控。而透過各種雲端系統，還能進行更多型態的分析，這些資料能提供有關機器狀況的資訊，而操作或維護技術人員也能存取這些資訊。然而，對於這些額外的分析而言，機器上的智慧感測器與通訊設施是不可或缺的基礎，這些感測器該如何監控？應該有哪些要求？以及該具備什麼關鍵特性？這些與其他問題都將在本文中探討。 機器生命週期的表示法 狀態監控最基本的問題，應該是：機器還能放著讓它運作多久才必須進行維護？ 一般而言，照理說越早進行維護越好。然而，若目標是要優化營運與維護成本，或是達到設施的最大效率，就需借助熟悉機器特性的專家提供相關知識。在分析馬達方面，這些專家主要來自軸承/潤滑專業領域，根據以往的狀況顯示，最弱的環結在於經驗。這些專家最終要決定偏離正常狀態與當時的生命週期(圖1)是否該另外進行維修或甚至直接更換。尚未使用過的機器，初期仍處在保固階段。不能排除在生命週期初期階段出現故障，但其機率相對罕見，且通常可追溯至各種製造瑕疵。只有在後續間隔性維護的階段，才會由妥善訓練的維護人員進行焦點式介入(Targeted Interventions)。其中包括定期性維護，不論機器狀況如何都要在特定時間點或經過一定時間之後如期進行，在本文的案例中，維護工作則是更換潤滑機油。在維護間隔之間出現故障的機率，同樣也相當低。機器使用累積到一定時間，就會進入狀態監控階段。從此之後，就理應會出現各種故障狀況。 圖1　機器的生命週期 圖1顯示以下6種變化，從超音波範圍的位準變化(1)之後是振動(2)透過潤滑劑的分析(3)或透過微幅增溫(4)根據可感知異音，在發生實際故障之前偵測出未決故障(Pending Failure)的早期跡象(5)或產生熱溫(6)振動經常用來判斷機件老化。這三部相同機器在其生命週期中出現的振動模式如圖2所示。在最初時期，三部機器都維護在正常範圍。但從中壽期開始，依其負載不同導致振動呈現增加或減少的趨勢，最後到了壽命終期，振動就急速增加到臨界範圍。一旦機器達到臨界範圍，就須立即採取必要反應。 圖2　各項振動參數的長期變化 透過振動分析進行CBM 包括輸出速度、齒輪比以及軸承元件數量等參數都是機器振動模式分析的主要元件。一般而言，齒輪箱造成的振動會在頻域中偵測出，而幅度會是動力軸轉速的倍數，軸承的特性頻率通常不會代表諧波分量。因渦流(Turbulence)與空泡化(Cavitation)產生的振動通常都會被偵測出來。其通常和經過風扇與泵浦的氣流或液流具關聯性，因此，一般被視為隨機振動。這類振動通常為靜態，而且在其統計特性上沒有變異數(Variance)。然而，隨機振動也可能是循環穩態(Cyclostationary)，因此會有各種統計特性。它們是由機器產生且具週期性，內燃機引擎的每個氣缸每次循環進行點火時就會出現震動。 另外，感測器的方位同時也扮演著重要的角色。如果單軸感測器量測到的主要是線性振動，那麼就必須根據振動的方向來調整感測器。雖然目前也有多軸感測器能記錄所有方向的振動，但單軸感測器由於本身的物理特色使它能提供較低的雜訊、更大的力量量測範圍以及更大的頻寬。 振動感測器的要求 要讓振動感測器廣泛用在狀態監控，有兩項因素最為關鍵：低成本以及小尺寸。以往業界主要採用的是壓電式感測器，如今微機電系統(MEMS)加速計的使用率則逐漸升高，它們都具有更高的解析度、卓越的漂移與靈敏度特性以及更佳的訊號雜訊比，能夠偵測接近dc範圍的超低頻率振動。此外，它們極度省電，因此適合用在電池供電的無線監控系統。另一項勝過壓電式元件的優勢，則是能將整個系統整合至一個外殼(系統晶片構裝)內。這些所謂的SiP解決方案逐漸發展成用來建構各種智慧系統，因為其額外納入許多重要功能：包括類比至數位轉換器以及微控制器等，其配合嵌入式韌體用來執行應用相關處理、通訊協定以及通用式介面，另外還包含了多元的保護功能。 整合式保護功能也相當重要，因為施予在感測器上的超大力道，經常會造成感測器破損甚至毀壞。整合可能發生的超範圍(Overrange)偵測能力，提供警訊機制，或藉由切斷內部時脈來關掉陀螺儀中的感測器元件，藉此保護感測器。圖3顯示SiP解決方案。 圖3　MEMS型態的系統晶片構裝(圖左) 隨著CBM領域的要求增加，對感測器的要求也同樣會提高。對於實用的CBM而言，感測器量測範圍的要求(滿刻度量測範圍或FSR)要大於正負50g。 由於加速和頻率的平方成正比，因此也相對迅速達到這些高加速力。從公式1中可證明：   　公式1 變數a代表加速，f代表頻率，d代表振動幅度。因此舉例來說，一個1kHz頻率的振動，光是1μm振幅就會產生39.5g的加速。 在雜訊效能方面，盡量加大頻率範圍下，這樣的數據顯得極低，從接近dc一直到兩位數kHz範圍，因此除了其他假影(Artifact)訊號外，系統能在極低轉速下偵測到軸承的異音，但精準地說，振動感測器的製造商目前已面臨許多巨大挑戰，尤其是多軸感測器。只有少數製造商提供適合的低雜訊感測器，為超過一個軸向提供2kHz以上的頻寬。其中Analog Devices(ADI)已針對CBM應用開發出ADXL356/ADXL357三軸感測器系列，不僅擁有卓越的雜訊效能，還具備優異的溫度穩定性。儘管其受限的頻寬僅1.5kHz(共振頻率=5.5kHz)，這些加速計仍能針對諸如風力發電機組等低轉速設備的狀態監控提供各項重要讀數。 該系列單軸感測器適合用於較高頻寬的應用，可提供最高到24kHz的頻寬(共振頻率=45kHz)，g值範圍可到正負100g，具備極低的雜訊。由於高頻寬的緣故，大多數故障發生在旋轉機器(受損的滑動軸承、不平衡、摩擦、鬆動、輪齒缺陷、軸承磨耗以及齒輪空蝕(Cavitation)，這些狀況都能透過此感測器系列偵測出來。 視狀況維護的可能分析方法 在CBM中的機器狀態分析可利用不同的方法完成。最常見的方法包括時域分析、頻域分析以及混合兩種分析法。  時域分析 在時域進行振動分析，有效值(根均方或rms)、峰至峰值以及振動幅度都會考量到，如圖4。 圖4　譜波振動訊號的幅度、有效值、峰至峰值 峰至峰值反映馬達轉軸的最大偏角，因此能計算其最大負荷(Loading)。相對之下，幅度值則描述振動時的最大幅度，以及判斷未感知的振動事件。然而，振動事件的經過時間或能源，以及破壞能力，這些都未被考量。因此效率值(Effective Value)通常是最具意義，因為它考量到振動時間歷史以及振動幅度值。rms振動統計臨界值的相關性，可透過馬達轉速所有參數的相依性獲得。 這類分析相當簡單，因為它既不需要基礎系統知識，也不需要任何類型的頻譜分析。  頻域分析 藉由頻率分析，振動訊號的暫時性變化會透過高速傅立葉轉換(FFT)分解成許多頻率元素。產生的幅度對頻率的頻譜圖可用來監控特定頻率元素，以及其諧波與邊頻，如圖5所示。 圖5　振動與頻率的頻譜圖 FFT被廣泛運用在振動分析，特別是偵測軸承損壞。藉此我們可將相關元素分派到每個頻率元素。透過FFT，滾動元件與受損區域之間接觸造成某些失效的重複性脈衝，其主要頻率就能加以濾除。由於其不同的頻率元素，我們也能區別出不同種類的軸承損壞(軸承外環或內環損壞，或是滾珠軸承受損)。然而，這類分析仍需要有關軸承、馬達以及整個系統的精準資訊。 此外，FFT程序需要透過微控制器持續錄下與處理振動的離散時間模組。雖然這需要的運算力稍微高於時間分析，但卻能更仔細地分析損壞。  結合時間與頻率分析 這種分析最為全面，因為它結合兩種方法的優點。時域的統計分析除了能提供系統在經過一段時間振動強度的資訊，還能分析是否落在允許範圍。頻率分析能以基礎頻率以及諧波元素的形式來監控速度，透過諧波能精準辨識出各種故障徵候。 追蹤基本頻率尤其能發揮關鍵作用，因為有效值以及其他統計參數都會隨著轉速而變化。如果統計參數和最後一次量測數據有大幅的改變，就必須檢查基本頻率以避免可能的假警報(False Alarms) 重複量測值經過時間出現變化，在所有三種分析方法中都相當常見。監控系統其中一種可行方法涉及第一次記錄健康狀況，或產生一個所謂的指紋(Fingerprint)。之後再將其用來和持續記錄的資料進行比對。在出現大幅偏離或超過對應臨界值時，屆時須進行反應。如圖6所示，可能的反應包括警告②或警報④，而依照嚴重程度的不同，偏離也可能需要維護人員立即介入。 圖6　FFT的臨界值與反應 藉由磁場分析進行CBM 由於整合式磁量計的快速發展，量測馬達周圍的散逸磁場便成為針對旋轉機器進行狀態監控中另一項前景看好的方法。這種方法是非接觸式，機器與感測器之間不需要直接連結。對於振動感測器而言，會用到的磁場感測器分為單軸與多軸版本。 對於故障偵測而言，應在軸向(與馬達軸平行)以及徑向(與馬達軸成直角)上量測。徑向磁場通常會被定子鐵芯以及馬達外殼所減弱。此外，還會受到空氣間隙內的磁通量所影響。徑向磁場是由籠狀轉子以及定子繞組端部的電流所產生。就量測兩種方向的磁場而言，磁量計的位置與方向都有決定性的影響。因此，建議選擇靠近馬達軸或馬達外殼的合適位置。另外同時量測溫度也絕對必要，因為磁場強度和溫度有直接關連。因此大致而言，現今磁場感測器都含有整合式溫度感測器。所以別忘了校正感測器以補償其溫度漂移。 FFT用來對電動馬達進行磁場式狀態監控，就如同振動量測的方法。然而就評估馬達狀況而言，就算約120Hz的低頻率範圍也算足夠。其中線頻率尤其顯眼，若出現故障，頻譜中會出現大量低頻率元素。 當籠狀轉子內的轉子導條(Rotor Bar)斷裂，滑差值(Slip Value)也會扮演決定性角色。它和負載有相關性，在無負載時的理想值為0%。在額定負載下，健康的機器會介於1%到5%之間，在故障事件時則會提高。就CBM而言，應在相同負載條件下進行量測，以消除負載相依性的效應。 預測性維護的狀態 不論狀態監控的類型為何，即使是最智慧的監控概念，也無法100%保證沒有非規劃的停機、故障或安全風險。能做的只是降低這些風險。應把它們看成是未來生產設施永續成功的先決條件。因此需要創新與迅速的研發－涉及其中的相關技術。目前不足之處是得權衡顧客的利益與成本。 不過，許多產業企業已體認到PM作為一項成功因素的重要性，因而也是未來業務的一項機會－不光只是在維護領域。儘管特別是在資料分析領域存在著許多嚴苛的挑戰，PM的技術可行性已大致成熟。然而，目前PM的發展仍是隨機應變的模式，預料未來的商業模式主要會由軟體元件來決定，硬體的附加價值則將逐漸降低。總結而言，PM在硬體與軟體的投資能促成更長的機器運轉時間，從更高良率的角度來看，其已經值回票價了。 (本文作者任職於ADI)