浅谈救生传感器之惯性陀螺芯片技术

1992年，阿萨德•M.马德尼（Asad M. Madni）掌舵BEI传感器和控制器公司，负责监督一条包括各种传感和惯性导航装置的生产线。该公司的客户种类较少，主要分布在航空航天和国防电子行业，而且他遇到了一个问题。

冷战的结束对美国国防工业造成了冲击，且在短时间内很难恢复。BEI需要快速识别并抓住新客户。 要获得这些客户，需要放弃该公司的机械惯性传感器系统，转而关注未经证实的石英技术，还要让石英传感器小型化，并从一家每年生产几万台昂贵传感器的生产商转变为一家生产数百万台廉价传感器的生产商。 马德尼身先士卒，全力以赴，实现了这一目标，并凭借陀螺芯片（GyroChip）取得了超出任何人想象的成功。这种价格低廉的惯性测量传感器是首款集成到汽车中的传感设备，它能够帮助电子稳定性控制（ESC）系统检测打滑，而且能够操纵刹车防止侧翻事故。美国国家公路交通安全管理局表示，从2011年到2015年这5年间，所有新车安装了ESC后，仅在美国，该系统就拯救了7000人的生命。

  后来，该设备成为了无数商业和私人飞机以及美国导弹制导系统中的稳定性控制系统的核心。此外，它还作为探路者计划中的漫游者探测器的部件登上了火星。 马德尼也因其开创了GyroChip和在技术开发和研究领导方面做出的其他贡献获得了2022年IEEE荣
誉勋章。

不过，工程学并非马德尼的首选职业。他想成为一名艺术家，一名画家。但20世纪50年代和60年代，他在印度孟买的家庭经济状况导致他转向了工程学，特别是电子学，这要得益于他对袖珍半导体收音机创新设计的兴趣。1966年，他移居到了美国，在位于纽约的美国无线电公司（RCA）研究所学习电子学，这是20世纪早期成立的一所学校，旨在培训无线电报员和技术人员。

“我想成为一名发明东西的工程师。”马德尼说，“一名能够通过自己的工作最终影响人类的工程师。因为如果不能影响人类，我会觉得我的职业生涯没有成就感。” 两年后，马德尼在RCA研究所完成了电子技术课程的学习，然后进入了加州大学洛杉矶分校继续学习，并于1969年获得了电气工程学学士学位。之后，他继续攻读硕士学位和博士学位，利用数字信号处理和频域反射仪来分析电信系统，以便进行论文研究。在学习期间，他还从事了多项工作，例如，在太平洋州立大学担任导师，在比弗利山庄零售店David Orgell从事库存管理工作，还在Pertec公司担任工程师，设计计算机外围设备。 1975年，刚订婚的马德尼在老同学的帮助下，申请了Systron Donner公司微波部门的一个职位。

一开始，马德尼在Systron Donner的工作是设计全球第一款具有数字存储功能的频谱分析仪。之前他从未真正使用过频谱分析仪，当时这种设备非常昂贵，但他对相关理论有着充分的了解，足以让他承担这份工作。然后，在尝试重新设计之前，他花了6个月的时间进行测试，并获得了有关仪器的实际经验。

该项目历时两年，马德尼表示，他还因此获得了3项重要的专利，让他开始朝着“更好更宽广的方向”攀登。他说，这还教会了他认识到“理论知识和能够帮助他人的可商业化的技术”之间的区别。 之后，他继续为美国军方开发射频和微波系统以及仪器，包括用于通信线路的分析仪和为海军打造的附加天线，相关工作也为他的博士研究奠定了基础。 虽然他很快就晋升到了管理层，最终成为了Systron Donner的主席和总裁，但他以前的同事都说，他从来没有完全脱离实验室。他的技术成绩一直体现在他所参与的每个项目中，包括促成GyroChip的开创性工作。

在谈到最终成为GyroChip核心的小小石英传感器之前，本文要先说一说20世纪90年代有关惯性测量装置的一点背景。惯性测量装置可以测量一个物体的多种属性，包括其比力（非重力引起的加速度）、绕轴旋转的角速度，有时还能测量物体在三维空间中的方向。

20世纪90年代早期，典型的惯性测量装置使用机械陀螺仪来进行角速率传感。一套装有3个高精度旋转质量陀螺仪的设备的尺寸大约相当于一台烤箱，重约1千克。采用环形激光陀螺仪或光纤陀螺仪的惯性测量装置小一些，但当时所有的高精度光纤和机械陀螺仪的价格都高达几千美元。

这就是1990年的惯性测量装置，当时Systron Donner公司将其国防电子业务出售给了BEI技术公司，这是BEI电子公司旗下一家公开上市的子公司，而BEI电子公司本身也是著名的鲍德温钢琴公司的一家子公司。该设备很大、很笨重、价格昂贵，而且包含了容易磨损的机械零件，因此其稳定性也受到了影响。 在销售前不久，Systron Donner从一群美国发明者处获得了一项完全不同类型的速率传感器的专利。当时它还只是一份书面设计，马德尼说，但该公司已经开始将其部分研发预算投入到该技术的实施中。 其设计的核心是一个很小的双头震动音叉，该音叉是使用标准硅片加工技术雕刻而成的。音叉的尖端会受到科里奥利效应（Coriolis effect）的干扰，该效应是指一个物体在抵抗从旋转平面中被拉出时，作用在该物体上的惯性力。由于石英有压电性质，因此改变作用在它上面的力会造成电荷的变化。这些变化可以被转化为角速度的测量值。 在Systron Donner的部门被纳入BEI后，该项目仍在继续，20世纪90年代中期，BEI每年为一个保密国防项目生产约1万个石英陀螺传感器。但随着苏联解体以及接踵而至的美国国防工业的迅速缩小，马德尼担心至少很长一段时间内，作为该部门主要业务的这些小型传感器甚至是传统机械传感器都不会再有客户了。 “我们有两个选择。”马德尼说，“要么听之任之然后平静地消亡，这将是一种耻辱，因为只有我们拥有这种技术。要么找到其他可以使用这种技术的地方。” 寻觅开始了。马德尼说，他和他的研究团队以及营销团队的成员参加了他们能够找到的每一场传感器会议，与所有使用惯性传感器的人交谈，无论其应用领域是工业、商业还是航天业。他们展示了该公司开发的石英角速率传感器，宣传其价格、精度和可靠性，并且在短短几年内，让该设备变得更小、价格更低廉了。美国国家航空航天局对此产生了兴趣，并最终在火星探路者计划的漫游者探测器以及能够让宇航员在太空中自由移动的系统中使用了该设备。波音公司以及其他飞机和航空电子系统制造商也开始采用该设备。

不过，显然汽车行业才是最大的潜在市场。20世纪80年代末，汽车公司已经开始在其高端车辆中采用基本牵引力控制系统。这些系统能够监测方向盘位置、油门位置和单轮速度，并且还能在检测到问题（例如一个车轮比另一个车轮转得快）时调整发动机转速和制动。但是，这些系统无法检测到汽车在道路上的转向与方向盘的转向不符的问题，而这是一个可能导致不稳定打滑进而引起侧翻的关键指标。

汽车行业知道这种不足，而且侧翻事故是汽车事故死亡的一个重要原因。博世等汽车电子设备供应商也在致力于开发可靠的小型角速率传感器，而且大多数是使用硅来开发的，目的是改善牵引力控制和防止侧翻，但这些公司都没有准备好迎接黄金时刻。 马德尼认为这是一个BEI能够取胜的市场。BEI与位于德国法兰克福的德国大陆公司展开了合作，致力于缩小石英设备的尺寸并降低其成本，同时进行大量生产（其数量在国防工业中闻所未闻）并计划每年将产能提升数百万。 这种从国防工业到最具竞争性的大众市场产业的重大转变需要该公司及其麾下工程师做出很大的改变。马德尼带头做出了表率。 “我告诉他们：‘我们要把它小型化。我们要降低价格，从每轴1200美元到1800美元下降到100美元，再降到50美元，之后是25美元。我们每月将必须售出几万台设备，然后每月售出100万台甚至更多。’” 他说，要实现这些目标，他知道以石英为基础的速率传感器不能有一个多余的组件。而且制造、供应链，甚至是销售管理都必须发生重大变化。 “我告诉工程师们，除了绝对需要的组件以外，其中不能有其他任何东西。”马德尼回忆道，“有的人开始退缩了，他们太习惯于复杂的设计了，对进行简单的设计不感兴趣。我尝试向他们解释，我要求他们做的事，比他们所做的复杂工作更难。”即便如此，他还是失去了一些高级设计工程师。 “董事会问我到底在做什么，并表示他们都是公司的优秀员工。我告诉他们，这不是员工好不好的问题；如果不去适应当前的需求，那么他们有什么用处？” 其他人则愿意适应，他派一些工程师参观了瑞士的手表制造厂，去学习处理石英；手表行业已经使用石英几十年了。此外，他还让汽车行业的专家对其他工程师进行了培训，让这些工程师了解汽车行业的运作和需求。 马德尼表示，需要做出的改变并不简单。“我们遭受了很多挫折，过程艰辛。但在我的任期内，BEI成为了全球最大的汽车稳定性和侧翻预防传感器供应商。”

马德尼说，1997年的一次事故带来了20世纪90年代末电子稳定性控制系统市场的蓬勃发展。在试车跑道上测试一辆新梅赛德斯汽车的过程中，一名汽车记者在进行麋鹿测试时在正常速度下突然转向，想要模拟避开横穿道路的麋鹿的情景，结果汽车发生了侧翻。梅赛德斯公司及其竞争者将采用稳定性控制系统作为对该事件负面影响的回应，之后GyroChip的需求猛增。

得益于与德国大陆公司的合作，BEI多年来一直在汽车市场占据了很大的份额。当时，BEI并不是唯一的博弈参与者，德国的博世公司也于1998年开始生产硅制微电子机械系统（MEMS）速率传感器，但这家加利福尼亚公司是唯一一家使用石英传感器的生产商，当时石英的性能优于硅。如今，大多数汽车级速率传感器生产商采用的都是硅，因为这种技术已经成熟，而且硅传感器的生产成本更低。 虽然针对汽车市场的生产快速增长了起来，但马德尼依然在继续寻找其他市场。他发现航空业是另一个巨大的市场。 20世纪90年代初和中期，波音737飞机曾经发生了一系列因方向舵意外偏转造成的空难和事故。有些故障可以追溯到飞机的动力控制装置，该装置采用了偏航阻尼技术。虽然没有涉及具体的偏航传感器，但该公司还是需要重新设计其动力控制装置。马德尼和BEI说服了波音公司在未来所有的737飞机上采用BEI的石英传感器，同时使用该设备对所有现有飞机进行了改装。私人航空飞机制造商很快也采用了这种传感器。最后，国防业务也回归了。 如今，几乎所有的陆地、空中和海上交通工具中都有电子角速率传感器。马德尼将其小型化并降低成本的努力为之开辟了道路。 到2005年，BEI的技术方案使其成为了一个颇具吸引力的收购目标。除了速率传感器，该公司还因其为哈勃太空望远镜开发的史无前例精确的瞄准系统而备受赞誉。该传感器和控制团队扩张成为了BEI传感器和系统公司，由马德尼担任该公司的首席执行官和首席技术官。 “我们没有寻找买家；我们发展得非常顺利，希望能继续成长。但有一些公司想要收购我们，其中施耐德电气始终坚持不懈。这家公司不肯放弃，因此我们必须向董事会说明相关事宜。” 这笔交易于2005年年中完成，经过短暂的过渡期后，马德尼拒绝了在施耐德电气担任领导职位，于2006年正式退休。

虽然马德尼说他从2006年开始就退休了，但实际上他只是从工业领域退休，仍然过着忙碌的学术生活。他在6所大学担任荣誉教授，包括克里特理工大学、得克萨斯大学圣安东尼奥分校和新西兰怀卡托大学。2011年，他成为了加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系的杰出科学家和杰出客座教授，这也是他的母校。他每周会去学校与学生会面，这些学生从事着传感、信号处理、传感器设计人工智能和超宽带高速仪器研究。到目前为止，马德尼指导了25名研究生。

赛乔•K.洛那潘（Cejo K. Lonappan）是他以前在加州大学洛杉矶分校的学生，如今是矽晶电信技术公司的首席系统工程师。这位马德尼从前的学生说，马德尼非常关心他的学生所做研究的影响，会要求学生针对每个研究项目撰写技术范畴之外的执行纲要，以便讨论更广阔的前景。

“在学术研究中，人们很多时候都容易迷失在细节之中，迷失在对研究人员来说印象深刻的小事中。”洛那潘说。但马德尼“非常关注我们所做的研究对工程和科学界之外的影响，包括其应用及其开辟的新领域等”。 曾担任加州州立大学北岭分校电气工程系主任的教授S.K.拉梅什（S.K. Ramesh）也看到了顾问马德尼的行动。 拉梅什说：“对他而言，研究不仅仅与工程学有关，还关系到工程学的未来，展示了如何改变人们的生活，而且他从来不会因为挑战而气馁。” “我们有一群学生想要利用游戏中使用的耳机来为行动障碍人士打造一个人脑控制接口。”拉梅什说，“我们与一名神经学家进行了交流，他嘲笑我们，并说我们不可能做到用耳机来监测脑电波并即时将其转化为运动指令。但马德尼教授关注的是我们如何解决这个问题，即使我们无法解决，在这个过程中，我们也会通过尝试而有所收获。” 克里特理工大学的教授亚尼斯•菲利斯（Yannis Phillis）说：“他非常了解工程学，但他的兴趣广泛。例如，我们在克里特第一次见面时，我跳了一支Zeibekiko独舞，这支舞起源于古希腊。他问了我很多问题。他对社会、人类行为、环境和更广义的文明的存在都很好奇。” 进入工程学界时，马德尼希望通过自己的工作影响人类。他对此感到满意，至少在某些方面他已经做到了。 “航天应用已经增强了我们对宇宙的了解，我很幸运自己能够参与其中。”他说，“我以自己的方式（对汽车安全）作出的贡献挽救了全球数百万人的生命。我的技术也在国防和安全方面发挥了作用。这是最令人满意的职业。”

编辑：黄飞