从两代经典MEMS传感器看可穿戴设备医疗健康监测新趋势

可穿戴设备早已不是什么新奇的产品形态了，例如大家佩戴的手环、手表、无线蓝牙耳机等已随处可见。测量多个参数、读数准确、电池寿命长，这些需求对于可穿戴健康设备而言最重要，尤其是近些年随着数字远程医疗理念的兴起，设备商也开始逐渐关注诊疗级数据的获取，更聚焦于设备数据低功耗、精准测量方案的实现。传感器是影响可穿戴设备用户体验、舒适度和功耗的核心器件，本文以ADI两代MEMS传感器为例，简述可穿戴设备运动监测应用应如何选择合适的传感器。

从应用角度出发，剖析MEMS传感器的关键指标

可穿戴产品体积小，电池容量低，而一般监测运动的加速度计要一直工作，即为了监测佩戴者的状态，又为了补偿其它类传感器，这就对其功耗性能提出了较高的要求。对于需要电池供电型可穿戴应用而言，加速度计的关键指标是超低功耗（通常为μA级），以确保尽量延长电池寿命，其他关键指标是尺寸和集成的特性，比如备用ADC通道和深度FIFO，其作用是增进终端应用的电源管理和功能性。MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高等一系列优点，正逐渐成为微型传感器的主力军，取代传统机械传感器而广泛应用于可穿戴应用中。

下图所示为部分生命体征监测（VSM）应用及其在具体应用中的对应设置，用于可穿戴应用的MEMS加速度计通常可以对运动分类、检测自由落体、测量运动是否存在以确定是使系统上电、关断还是休眠，同时辅助实现数据融合，供ECG和其他VSM测量使用。

VSM可穿戴应用的运动检测要求

由于尚无行业标准界定加速度计属于何种类别，因此加速度计的一般分类及相应的应用如下表所示，所示的带宽和g值范围是加速度计用在所列终端应用中的典型值。另一方面，在为超低功耗应用选择MEMS加速度计时，必须在数据手册中标称的功耗水平下观察传感器的功能，要观察的一项关键指标是带宽和采样速率是否会降至无法测量可用加速度数据的水平。因为有些产品通过每秒关断并唤醒的方式达到维持低功耗的目的，但这样做导致有效采样速率下降而错过关键加速度数据，为了测量实时人体运动的范围又需要大幅提高功耗。

加速度计等级和典型应用领域

高精度、低功耗特性铸就可穿戴市场经典产品

作为最早在MEMS传感器领域进行研究的技术提供商之一，ADI公司经典三轴MEMS加速度计ADXL362过去几年在国内外的可穿戴设备中已取得了大量应用并广受市场好评。ADXL362采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样，不会通过欠采样混叠输入信号，保证了数据的有效性。因为一旦发生信号混叠，把高频信息采样成低频，那么用户的数字后处理将无能为力，势必会引起一些误判。

下图所示为功耗随采样速率动态变化，ADI公司采用创新的电路结构，实现了真正意义上的低功耗——ADXL362可在功耗仅为3 μA的状态下，以最高400 Hz的速率进行采样。在可穿戴设备中，这些较高的数据速率可实现额外的功能，如单击/双击检测。采样速率可降至6 Hz，以便在被拾起时或者检测到运动时设备能启动，此时的平均功耗为270 nA，这也是ADXL362非常适合可穿戴设备应用的原因之一，因为在这种应用中电池更换非常困难。

ADXL362电源电流与输出数据速率的关系

除了固有的低功耗工作特性外，ADXL362加速度计还有其他能够提高系统级功效的重要特性，例如ADXL362还内置增强型样本活动检测功能，可准确区分不同种类的运动。该特性可避免误检，防止传感器不必要地开启系统且缩短电池寿命，可用作智能型、连续工作、运动激活开关的一部分，当配备唤醒状态输出引脚时，运动传感器可绕过处理器即时触发启动系统功能的开关，从而进一步降低系统功耗。

此外，对于可穿戴设备而言，由于运动、机械连接或与组织的接触状态会改变，因此测量设备的运动并弥补干扰造成的影响是很重要的。ADXL362完全支持这类需求，传感器测量所有三轴并集成12位SAR ADC，使灵敏度达到每个LSB只有1 mg，并能够通过数字SPI接口进行通信。功耗与ADC采样率成比例，每轴数据输出速率为100 Hz，传感器功耗仅为1.8 μA。

全新一代产品问世，树立行业应用新标杆

近日ADI推出了全新一代三轴MEMS加速度计ADXL367，专为广泛的医疗保健和工业应用而设计，包括生命体征监测、助听器和运动计量设备等。作为ADXL362的新一代产品，在延续了ADXL367传统强项的同时，将功耗改善了两倍，同时将噪声性能提高了30%以上，实现提供延长的现场使用时间，最大限度地延长电池寿命并降低维护频率和成本。

与使用功率占空比来实现低功耗的MEMS加速度计不同一致，ADXL367同样也不会通过欠采样来混叠输入信号，而是在所有数据速率下对传感器的全带宽进行采样。ADXL367在100 Hz输出数据速率下仅消耗0.88 μA，在运动触发唤醒模式下仅消耗180 nA，唤醒模式下运动检测功耗为200 nW，测量模式下功耗为970 nW。

ADXL367支持深度多模式输出FIFO、内置微功耗温度传感器、用于同步转换额外模拟输入的内部ADC、单击/双击检测以及防止误触发的状态机。此外，ADXL367也支持对采样时间和外部时钟的外部控制，其电源电压低至1.1V，允许在没有外部升压转换器的情况下采用单节电池运行。值得一提的是，ADXL367丰富的数字功能，例如单击和双击、自由落体和活动检测，降低了对主机微处理器的计算需求，进一步降低了系统功耗。

以可穿戴设备为代表的数字化技术能够帮助医疗系统将重心从治疗转向预防，随时监测和传输临床级数据成为可能，家庭健康医疗产品也是从有创、有感、单点测量朝着无创、无感和连续测量的方向发展，为体积小、功耗低、可靠性高的MEMS传感器发展带来了许多新的机遇。全新一代超低功耗MEMS加速度计ADXL367的推出，是ADI持续加强业内领先的MEMS技术、模拟混合信号处理芯片的投入，并加大系统方案开发力度的又一案例。

来源：中科爱好小达人