多軸傳感器受追捧 MEMS加速挺進醫療設計

　　多軸慣性傳感器已日益受到醫療應用市場青睞。融合多軸感測功能的慣性MEMS元件，不論尺寸、功耗、精準度與可靠性均有優異表現，可符合醫療應用領域的嚴苛要求，如手術導航工具等精密醫療儀器，皆已開始大量導入。

　　導航與汽車、卡車、飛機、輪船及人相關。然而，它也開始在醫療技術領域發揮重要作用，精密手術儀器和機器人即須使用導航。手術導航工具的設計要求與傳統的車輛導航具有廣泛的共同點，但前者也提出一些獨特的挑戰，如在室內使用，無法獲得全球衛星定位系統（GPS）支援，因而需要更高性能。

　　本文將研究醫療導航應用的獨特挑戰，并探討從感測器機制到系統特性可能的解決方案，并介紹增強感測性能的方法，如采用卡爾曼濾波等。

　　多軸MEMS傳感器轉化醫療資訊

　　微機電系統（MEMS）已成為大多數人每天都會碰到的成熟技術，它使汽車更安全、增強手機可用性，并能優化工具及運動設備的性能，從而提高對病人的醫療護理水準。

　　用于線性運動檢測的MEMS元件通常是基于一個微加工的多晶矽表面結構，該結構形成于矽晶圓之上，通過多晶矽彈簧懸掛在晶圓的表面上，提供對加速度力的阻力。在加速度下，MEMS軸的偏轉由一個差分電容測量，該差分電容由獨立固定板和活動品質連接板組成。如此一來，運動使差分電容失衡，導致感測器輸出的幅度與加速度成正比。

　　例如汽車因碰撞而突然急劇減速時，安全氣囊感測器中的MEMS軸會產生同樣的運動，使得電容失衡，最終產生訊號觸發安全氣囊打開。此一基本加速度計結構，根據不同的應用性能參數進行調整，并增加資料處理功能后，可以精確地指示傾斜度、速度甚至位置。另有一種技術上相關的結構是陀螺儀，它能檢測旋轉速率，輸出形式為度/秒。

　　透過一個耗電量極低的微型元件，以精確檢測和測量運動的能力，幾乎對任何涉及運動的應用都具價值，表1即按運動類型列出基本醫療應用。

　　盡管簡單的運動檢測有價值，如一個軸上的線性運動，但多數應用皆涉及到多個軸上的多種類型運動。捕捉這種多維運動狀態不僅能帶來新的好處，且能在軸外擾動可能影響單主軸運動測量的情況下，保持精度。

　　為精確測量物件所經歷的運動，必須將多種類型（如線性和旋轉）的感測器結合起來，如加速度計對地球的重力敏感，可用來確定傾角。換言之，讓一個MEMS加速度計在一個±1g重力場中旋轉時（±90度），它能夠將該運動轉換為角度表示。

　　然而，加速度計無法區分靜態加速度（重力）與動態加速度。因此，加速度計可與陀螺儀結合，利用組合元件的附加資料處理能力，可分辨線性加速度與傾斜（即當陀螺儀的輸出顯示旋轉與加速度計記錄的明顯傾斜重合時）。隨著系統的動態程度（運動的軸數和運動自由度）增加，感測器融合過程會變得更加復雜。

　　了解環境對感測器精度的影響也很重要。顯而易見的一個因素是溫度，可對其進行校準。事實上，高精度感測器可以重新校準，并自身進行動態補償。另一個不那么明顯的考慮因素是潛在的振動，即使很輕微的振動也會使旋轉速率感測器的精度發生偏移，這種效應稱為線性加速度效應和振動校正，其影響可能很嚴重，具體取決于陀螺儀的品質。在此種情況下，感測器融合同樣能夠提高性能，即利用加速度計來檢測線性加速度，然后利用此資訊和陀螺儀線性加速度靈敏度的校準資訊進行校正。