1. ábra. A mozgásérzékelés öt fő módja
Egy, a tevékenység érzékelésére alkalmas gyorsulásmérővel a termék alacsony energiafelvételű, készenléti üzemmódba parancsolható, ha nem mér mozgást és/vagy vibrációt a szenzor. Ma már konkrétan megfigyelhető trend, hogy a bonyolult, sok kezelőszervet (pl. fizikai gombot, billentyűt) igénybe vevő kezelői felületeket előszeretettel helyettesítik gesztusfelismerő rendszerekkel, amelyek érintésre, mozdulatra reagálnak. Ha pedig egyszerűen csak a végtermék pontosságát, funkcionalitását fejlesztenénk, jó példa lehet erre a célra egy olyan kézi iránytű, amely alkalmas a döntési szög kompenzálására, pontosabbá téve a mérést. Ezeknek mind alapvető kellékei a MEMS inerciális szenzorok.
Cikkünkben bemutatunk néhány példaalkalmazást, amely néhány, kereskedelmi forgalomban is elérhető, MEMS gyorsulásmérővel és giroszkóppal valósít meg elmés alkalmazásokat mind az öt érzékelési módban, és amelyek piaci forgalmazásra alkalmas végtermékekben minden további nélkül implementálhatók.
Gyors bevezetés a MEMS-es mozgásérzékelés világába
Gyorsulás, vibráció, ütődés, dőlés, elfordulás - az öt fő mozgásérzékelési fajta mindegyike - leszámítva az elfordulást - végeredményben gyorsulásra vezethető vissza, amelyek között a fő különbséget a hatás ideje adja. Érthető azonban, hogy emberi gondolkodásunk alapján kevéssé asszociálunk e fizikai fogalmak hallatán a gyorsulás különböző manifesztálódásaira a mindennapi életben.
Fizikai tanulmányainkból bizonyára emlékszünk még, hogy a gyorsulás (beleértve a transzlációs mozgást) nem más, mint a sebesség időegységre jutó változásának mértéke. A sebesség mértékegysége m/s, és kifejezi az elmozdulás mértékét és irányát is. A gyorsulás mértékegysége m/s2, amely negatív érték esetén valójában lassulást jelent. A vibrációra tekinthetünk úgy, mint periodikusan, gyorsan váltakozó gyorsulásra és lassulásra. Ehhez némileg hasonlít az ütődés, amely azonnali hatásfellépést jelent, ám a vibrációtól eltérően az ütődés nem periodikus, hanem jellemzően egyszer megy végbe. Ha kinyújtjuk kicsit a hatási időablakot, és egy dőléssel, irányszögben mozgó tárgyat tekintünk, a gravitáció hatása is fokozottan érvényesül a pozícióváltoztatás kapcsán. A vibrációhoz és ütődéshez képest ez a mozgási fajta lassabbnak, időben elhúzódóbbnak tekinthető.
Mivel az elfordulást leszámítva a mozgási fajták mindegyike valamilyen mértékben és minőségben a gyorsulással függ össze, mérésük voltaképp a nehézségi gyorsulás mérését jelenti, amely annak az erőnek az egysége, mellyel a Föld gravitációs tere a bolygó középpontja felé vonzza a gravitációs terében lévő objektumokat (g = 9,8 m/s2). A MEMS gyorsulásmérők a dőlést úgy mérik, hogy figyelik a gravitációs erő hatását a gyorsulásmérő tengelyeire. Egy háromtengelyes gyorsulásmérő esetében az eszköz ezt a gyorsulást az x, y és z tengelyeken, három kimeneten méri.
Napjainkban a legnagyobb piaci részesedéssel a differenciális kapacitással működő gyorsulásmérők rendelkeznek. A legújabb technológiai fejlesztések lehetővé tették, hogy akár az alacsony, akár a magas g-tartományban a korábbiakhoz képest sokkal szélesebb sávú MEMS gyorsulásmérőket gyártsanak, ezzel jelentősen kiterjesztve a potenciális alkalmazások körét. Iparági szabványok szerint az alacsony g-tartomány felső határa 20 g, amely emberek által generált mozgásokat fed le. A magas g-tartomány ennek megfelelően jellemzően a gépek, járművek által generált mozgásokra terjed ki, de legalábbis olyanokra, amelyek embereknél a fizikai adottságok folytán nem jöhetnek szóba.
Fizikai besorolását tekintve eddig csak a lineáris mozgásokkal foglalkoztunk, melyeknek kapcsán szóba került a gyorsulás, vibráció, ütődés és dőlés. Az elfordulás egy szöget bezáró mozgási fajta, és abban tér el az eddigiektől, hogy a forgás a gyorsulásban beállt változás nélkül is végbemehet. Képzeljünk el egy háromtengelyes, inerciális szenzort, és vegyük úgy, hogy a szenzor x és y tengelye párhuzamos a Föld felszínével, a z tengely pedig pontosan a Föld magja felé mutat! Ebben a pozícióban a z tengelyen 1 g-t, az x és y tengelyeken pedig 0 g-t mér a szenzor. Ha ebben a helyzetben elkezdenénk forgatni a szenzort a z-tengely körül, az x és y tengelyek egyszerűen elfordulnának, és továbbra is 0 g-t lehetne rajtuk mérni, a z tengelyen pedig továbbra is 1 g-t.
E mozgásfajta érzékelésére a MEMS giroszkópok2 alkalmasak. Mivel számos terméknél a mozgás többi fajtája mellett az elfordulás mérése is követelmény, a giroszkópokat sok esetben integrálják az inerciamérő egységbe (IMU3-ba), amely így egy többtengelyes giroszkópot és többtengelyes gyorsulásmérőt is tartalmaz.
Gyorsulásmérés a felhasználó-barátság és hatékony teljesítménymenedzsment jegyében
A MEMS-alapú gyorsulásmérővel lehetséges például, hogy egy termék felvételekor vagy lerakásakor megszakítást kapjon a rendszer, és egyes komponenseit automatikusan le-, illetve felkapcsolja, így a rendszerfunkciók különböző kombinációkban tarthatók aktív, illetve szükség esetén akár mélyalvó állapotban is. A mozgás által vezérelt ki- és bekapcsolási műveletek emberbarátok, mivel több, repetitív művelet végzésétől kímélik meg a felhasználót, továbbá áldásos hatásuk megmutatkozik a hatékony energiamenedzsmentben is, hiszen végeredményben egy töltéstől hosszabb ideig működőképes az eszköz. Egy lehetséges megvalósítás a gyorsulásmérők mozgásérzékelés és megszakításgenerálás célzatú alkalmazására például egy katonai vagy közhasználatú, biztonságtechnikai rádiórendszer. Katonai vonatkozásban, ha a rendszer úgy érzékeli, hogy a rádiót a viselője letette, újrakérheti a felhasználói azonosítást, amely nélkül működését letiltja.
Magától értetődik, hogy az imént ismertetett két alkalmazásban ahhoz, hogy a célrendszer a gyakorlatban jól használható és kellően hordozható legyen, kisméretű és alacsony, legfeljebb µA-nagyságrendű áramfelvételű gyorsulásmérőkre van szükség.
További példaként szolgálhatnak mozgásérzékelési alkalmazásra az orvosi műszerek különböző fajtái, például az automatikus defibrillátorok. E berendezés egyértelmű célja, hogy a bajba került beteg szívverését újraindítsa, ám amennyiben ez nem sikerül, kézi, kardiopulmonáris újraélesztést kell végezni. Előfordulhat, hogy a tapasztalatlan életmentő nem gyakorol elég nyomást az újraélesztendő beteg mellkasára, és így nem tudja sikeresen elvégezni a műveletet. Ebben az esetben az automatikus defibrillátor tappancsaiba integrált gyorsulásmérő megfelelő visszajelzést adhat az életmentőnek a beteg mellkasára gyakorolt nyomás mértéke felől, amelyet végeredményben a tappancsokon végzett távolságméréssel valósít meg.
Vibrációmérés megfigyelésre és energiatakarékosságra
A vibrációban mért enyhe változások kiváló indikátorai lehetnek kikopott csapágyazásoknak, rosszul illesztett mechanikai alkatrészeknek és egyéb, jellemzően gépipari és ipari berendezésekben tapasztalható, hasonló természetű hibáknak. Az apró méretű, nagy sávszélességű MEMS gyorsulásmérők ideálisak motorokban, ventilátorokban, kompresszorokban stb. ébredő vibrációk megfigyelésére. Az általuk biztosított, preventív karbantartási lehetőség jóvoltából a gyártó cégek elkerülhetik a nagy értékű károk keletkezését, valamint a gépleállások okozta üzemszünetet és termeléskiesést is.
A berendezés vibrációjának mérése arra is választ adhat, hogy a gép energiahatékonysága működés alatt vajon kielégítő-e.
Ütődésvédelem, gesztusfelismerés és társaik
A tipikusan notebook-PC-k merevlemezeiben fellelhető rázkódás- és ütődésvédelem napjainkban az egyik legelterjedtebb ütődésvédelmi alkalmazásnak számít. A gyorsulásmérő képes a kismértékű nehézségi erők érzékelésére, amelyek jelenthetik azt is, hogy a számítógép éppen szabadesésben van, amely alighanem csak egyvalamit jelenthet: hamarosan a talajnak csapódik! A rendkívül rövid reakcióidejű rendszer a másodperc ezredrésze alatt parkolópályára küldi a merevlemez olvasófejét, így a notebook becsapódásakor a merevlemez nem sérül, adatvesztés nem következik be.
A gesztusfelismerés az inerciális érzékelés egyik legfiatalabb és egyben legígéretesebb területe. A különféle gesztusok, például koppintás, dupla koppintás, megrázás stb. lehetőséget ad arra, hogy a felhasználók csupán e műveletek elvégzésével különböző funkciókat aktiváljanak, működési módot váltsanak stb. A gesztusfelismerés javít az eszközök általános használhatóságán, és jó alternatívája a fizikai kezelőszerveknek, amelyekkel ugyanezen műveletek körülményesebbek lehetnek. A készülékek fizikai billentyűktől mentes kialakítása csökkentheti az anyaglistán szereplő alkatrészeket és ezzel a gyártási költségeket, mindemellett hosszabb élettartamot, nagyobb állóképességet kölcsönöz a végtermékeknek.
A rendkívül apró méretű, kis fogyasztású MEMS gyorsulásmérőkkel hordható, vagy akár implantátumként emberi szervezetbe ültethető, orvosi eszközök is kifejleszthetők (pl. gyógyszeradagolók, hallássegítők stb.).
Precíziós működés dőlésérzékelés támogatásával
A dőlésérzékelés remek lehetőségeket tartogat a gesztusfelismerésen alapuló interfészek tervezői számára. Az egykezes működtetés lehetősége például az építőipari vagy gépipari berendezésekkel dolgozók számára igen vonzó lehet, hiszen az eszközt le nem foglaló, szabad kézzel lehet működtetni egyéb berendezéseket, vagy a biztonságérzetet fokozandó akár pluszkapaszkodási lehetőségként is lehet élni vele. Az operátor egyszerűen, az eszköz fizikai megforgatásával tudja szabályozni a beállításokat egy dőlésérzékeny operátori interfész esetén.
A dőlésszög mérésének egy további hasznos területe az adott eszköz pozíciójának kompenzálása. Vegyük például egy GPS-vevőbe vagy mobiltelefonba integrált, elektronikus iránytű esetét! Az a jól ismert probléma ebben a kérdésben, hogy irányhiba keletkezik abból kifolyólag, hogy az iránytűt sosem sikerül pontosan párhuzamosan beállítani a Föld felszínével.
Elfordulás: akcióban a giroszkópok és IMU-k
A MEMS technológián nyugvó, valódi alkalmazások úgy profitálhatják a legtöbbet az elfordulásérzékelésből, ha azt az inerciális érzékelés több fajtájával kombinációban teszik. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy gyorsulásmérőre és giroszkópra is szükség lesz a rendszerben.
A probléma megoldására fejlesztették ki az inerciamérő egységeket, amelyek tartalmaznak többtengelyes gyorsulásmérőt, többtengelyes giroszkópot, valamint az iránypontosság kedvéért többtengelyes magnetométert is. Az IMU-k adott esetben akár hat, teljes szabadságfokot is képesek kezelni, amely rendkívül finom mérési felbontást jelent, és új szintre emeli a pontosságot orvosi képalkotóknál, sebészeti berendezéseknél, protéziseknél, vagy akár ipari járművek automatizált irányításánál.
A jelfeldolgozás új hulláma
Legyen bár a cél új, felhasználóbarát funkciók implementálása, fogyasztás csökkentése, fizikai kezelőszervek mellőzése, a gravitációs és pozícióból adódó hatás kiküszöbölése, vagy egyszerűen csak egy intelligensebb működés megvalósítása, a MEMS-alapú inerciális érzékelők számtalan lehetőséget biztosítanak ezek megvalósítására mind az öt fő mozgásérzékelési mód alapján.
Az innovatív alkatrészgyártók és termékeik, mint például az Analog Devices és az iMEMS Motion Signal Processing termékportfóliója, úttörő szerepet játszanak a gyorsulásmérők és giroszkópok fejlesztésében, ill. fejlődésében. A mozgásérzékelésen alapuló alkalmazások egyre bővülő köre rengeteget fog profitálni a MEMS-es integrált áramkörök legújabb generációi által nyújtott kis méretekből, nagy felbontásból, kis energiaigényből, nagy megbízhatóságból és gazdag funkcionalitásból.
1 Micro Electro-Mechanical Structures
2 pörgettyűs elhajlásmérők
3 Inertial Measurement Unit
Forrás: Farnell
