今日的MEMS組件以感測應用居多，最常見的即是加速度傳感器（G-Sensor）和陀螺儀傳感器（Gyro）兩種。目前愈來愈多手機支持自動翻轉(zhuǎn)屏幕功能，就是內(nèi)建了一顆加速度傳感器；而在數(shù)字單眼相機中，則運用陀螺儀傳感器來修正晃動的影像。此外還有很多應用領(lǐng)域與市場，例如汽車安全防護偵測、游戲機3D游戲桿、搖控直升機等等。 針對石英材料發(fā)展出的QMEMS制程技術(shù)，非常適合用來開發(fā)感測組件，而且能提供更精確和穩(wěn)定的性能。本文中將介紹基于QMEMS所開發(fā)的陀螺儀傳感器技術(shù)與應用。
QMEMS陀螺儀運作原理

相較于傳統(tǒng)用于測量角位移的陀螺儀，今日的MEMS振動式陀螺儀傳感器（Vibratory Gyro Sensor）可用來測量以度/秒為單位的角速度，又分為壓電式（Piezoelectric）和硅制程式（Silicon Type）兩種，請參考圖一。這類傳感器是運用柯氏力效應（Coriolis Effect）的原理所發(fā)展出來的量測技術(shù)。簡單地說，當一個物體在旋轉(zhuǎn)的參考坐標上做線性方向運動，就會產(chǎn)生偏離的柯氏力效應現(xiàn)象。

《圖一　振動式陀螺儀分類表》


一些石英廠商以音叉型石英晶體來設(shè)計陀螺儀傳感器，其運作方式是將基本訊號輸入細長的石英晶體臂（Crystal Arm），此模式稱為驅(qū)動模式（Drive Mode）：當石英臂進行旋轉(zhuǎn)時，會藉由柯氏力效應產(chǎn)生電壓，而此電荷會被有效地偵測到，進而判斷出旋轉(zhuǎn)的動作，此模式稱為偵測模式（Detect Mode）。這種架構(gòu)因驅(qū)動與偵測都藉由相同的晶體臂，容易造成彼此間的振動噪聲干擾，零點也容易偏移，想要做到薄型化相當困難。

相較之下，同樣基于相同的原理，但Epson Toyocom運用QMEMS精密加工技術(shù)開發(fā)出Double-T架構(gòu)，透過簡單的設(shè)計獲得有效的感測，同時亦能將噪聲減到最少。Double-T 架構(gòu)運作時，分布于兩側(cè)的兩個T 型振蕩器，會先以50.3kHz的對稱波形進行基礎(chǔ)振動，營造出可以形成柯氏力的環(huán)境，此為驅(qū)動模式。在驅(qū)動模式中，兩個T 型振蕩器所產(chǎn)生的細微波動，將會在對稱軸上相互抵消。請參考圖二。

《圖二　double-T結(jié)構(gòu)示意圖》


當旋轉(zhuǎn)發(fā)生時，柯氏力效應作用在與基礎(chǔ)振動位移垂直的方向上，進而產(chǎn)生感測振動，啟動偵測模式。一旦進入偵測模式，壓電裝置會感測到振動位移，并經(jīng)由電路處理進行垂直坐標的轉(zhuǎn)換，再產(chǎn)生線性的電位差（Potential Variation），最后計算出角速度的變化值。

Double-T 架構(gòu)的優(yōu)點在于感測臂只在旋轉(zhuǎn)時發(fā)生形變，且感測臂位于整體結(jié)構(gòu)的中央，因此不會遺漏任何振動。同時，其收縮振動位于同一平面上，使其對外部噪聲擁有強大的抵抗力，是一種極為理想的架構(gòu)。相較于音叉型架構(gòu)，Double-T架構(gòu)的驅(qū)動軸和偵測軸是分離的，但又是使用同一平面內(nèi)的振動模式，所以能讓傳感器的感度與穩(wěn)定性大幅改善。其他的優(yōu)勢包括不會產(chǎn)生振動泄漏，也容易做到平衡調(diào)節(jié)（Balance Tuning）、歸零偏移低；此外，由于有中央重心的支持，且整體的設(shè)計是扁平式架構(gòu)，因此能夠做到薄型化的設(shè)計要求。

QMEMS陀螺儀技術(shù)優(yōu)勢

一顆傳感器性能的好壞，一般有五個評估的標準（5個S）：

●Speed：響應物理量變化的速度


●Sensitivity：對變化回應程度的敏感度


●Selectivity：只針對特定變化響應的選擇能力


●Straight Response：回應物理變化量的準確性


●Stability：保持不受外部環(huán)境影響的穩(wěn)定性



依此標準來看，一顆高質(zhì)量的傳感器必須在各種狀況下都能確保原點不會偏移，刻度也不能因為溫濕度等外部環(huán)境影響而產(chǎn)生變化，以及絕對不能出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象（hysteresis），或與其他軸線（噪聲）出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象。除了5S 標準之外，Epson Toyocom 為了因應傳感器走向消費性行動應用的趨勢，更增加了兩項S 特性：Small（精巧）與Energy Saving（節(jié)能）使傳感器能做到更小、更省電。

采石英晶體設(shè)計的陀螺儀傳感器，是目前最能滿足上述評估標準的高性能解決方案。由于石英晶體的表面溫度特性比其他材料好得多，即使在不同溫度下，驅(qū)動模式和感測模式依然呈現(xiàn)相同的變化程度，輸出結(jié)果也僅有極小的溫度相依性，因而能得到高度的準確性，請參考圖三。在相同噪聲水平之下，石英晶體穩(wěn)定的平面溫度特性，以及無磁滯（Hysteresis-free）零點溫度特性，也優(yōu)于其他產(chǎn)品。

《圖三　QMEMS陀螺儀較其他類型產(chǎn)品具有穩(wěn)定的溫度特性》


陀螺儀應用領(lǐng)域

相機影像穩(wěn)定系統(tǒng)

數(shù)字相機愈做愈小、愈輕的同時也產(chǎn)生手持不穩(wěn)的晃動現(xiàn)象。要解決此問題，除了提高ISO值來縮短曝光時間外，另一個途徑即是導入防手震的技術(shù)。相較于高ISO值會帶來高噪聲的問題，良好的防手震機制能在拍攝過程中，偵測并抑制因手部晃動而造成的影像模糊現(xiàn)象。

防手震的作法有幾種，平價的消費性機種或照相手機會透過軟件算法將影像做優(yōu)化處理，不過效果有限；較好的作法是硬件式的鏡頭防手震或CCD防手震，前者將防手震功能做在鏡頭內(nèi)，后者則做在機身的感測組件上。

硬件式的防手震技術(shù)通常被用于數(shù)字單眼相機中，即所謂的影像穩(wěn)定系統(tǒng)。要做到影像穩(wěn)定系統(tǒng)，有的廠商采用CCD機械浮動原理來設(shè)計，也有廠商采用陀螺儀來進行偵測CCD感光組件或鏡頭的震動狀態(tài)，回傳到處理器后，再對CCD或鏡頭進行位移補償。一般來說，一臺相機需要選用兩個單軸（或一個雙軸）的陀螺儀來進行感測，以對應左右（Yaw），或上下（Pitch）的晃動。

在影像穩(wěn)定系統(tǒng)中，陀螺儀專門用來偵測角速度（Angular Velocity），也就是相機震動的幅度，并將偵測到的數(shù)據(jù)回傳給機身的處理器，再透過致動器（Actuator）來修正鏡頭。隨著陀螺儀技術(shù)的精進，相較于十年前相機防手震功能只能提升約一級的快門速度，目前的防手震效果已大幅提升。

以Epson Toyocom的超小型振動陀螺儀傳感器為例，即便在持續(xù)震動的環(huán)境中，也能準確地進行歸零的動作，將快門速度一舉提升四級。這種高性能優(yōu)勢讓該公司的陀螺儀在數(shù)字單眼相機中普遍被采用（約占七成以上市場），其中Canon、Nikon與Panasonic將防手震系統(tǒng)做于鏡頭端，Sony數(shù)字單眼（Konica Minolta技術(shù)）和Olympus則用于影像傳感器端。現(xiàn)今包括輕薄消費型相機也開始加入光學防手震系統(tǒng)，以加強其性能表現(xiàn)，其中25%選擇使用Epson Toyocom的陀螺儀解決方案。[!--empirenews.page--]

汽車航位推算應用

目前GPS已廣泛被用于行車地圖的導航應用上，但當汽車一進入隧道或高樓間的街道中（或稱城市峽谷，Urban Canyon），往往會因收不到衛(wèi)星訊號或信號太過紊亂而無法正常導航。此時利用航位推算（DR，Dead Reckoning）技術(shù)即可繼續(xù)進行輔助導航。航位推算的基本原理是透過特定的傳感器來得到移動的速度和方向。在汽車中可結(jié)合里程計（Odometer）和方向盤來得到這兩項信息，也可利用加速度傳感器、陀螺儀、電子羅盤等傳感器來實現(xiàn)這項功能。

不過，每種感測方式皆有其誤差限制，尤其是長時間的累積誤差會讓航位推算失效。更理想的作法是發(fā)展出GPS與DR互補的運作模式，為導航系統(tǒng)做到優(yōu)化。此外，可利用軟件所提供地圖匹配功能，有效鎖定道路，進一步強化定位能力。

由于QMEMS陀螺儀能提供精準的角速度量測，目前GPS解決方案廠商皆與Epson Toyocom合作開發(fā)DR應用解決方案，合作對象包括CSR-SiRF、Trimble、u-blox、MediaTek、O2Micro、Qualcomm和SkyTraQ等。

除了汽車輔助慣性導航外，陀螺儀等運動傳感器也可延伸用于個人導航設(shè)備（Personal Navigation Device；PND）中。個人導航功能可透過加速度傳感器來測量速度與位移、利用電子羅盤來獲得正確方位，或利用陀螺儀來測量轉(zhuǎn)動角度，并可加裝壓力傳感器來測量高度的變化，進而了解個人是處于那一個樓層。對于個人導航設(shè)備來說，這些傳感器的輔助用途極大，能大幅改善因衛(wèi)星訊號不良而造成的位置漂移現(xiàn)象，讓可定位的環(huán)境更大，進而有助于提升LBS（Location Based Service）的使用經(jīng)驗與接受度。

汽車安全防護感測系統(tǒng)

為了提供汽車更佳的操控性及安全性，目前加裝于汽車中的運動傳感器愈來愈多。除了上述的導航應用外，這些傳感器也被用于車身翻覆保護系統(tǒng)（Rollover Protection System；RPS）和電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Electronic Stability Control；ESC）等安全防護應用上。舉例來說，前者會用到偵測車身翻覆的Y軸陀螺儀（Roll Rate Sensor），后者則會是偵測車頭擺動的Z軸陀螺儀（Yaw Rate Sensor），如圖四。

以翻覆保護系統(tǒng)來說，當Y軸陀螺儀感測到汽車即將翻覆，此系統(tǒng)會立即打開安全氣囊來保護乘客。這屬于被動的安全防護作法，今日的汽車設(shè)計更強調(diào)主動防護，也就是透過各式汽車電子設(shè)備，提前預防汽車事故的發(fā)生。其中電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)，即是為了有效防止汽車行駛失控的情況發(fā)生。

當ESC系統(tǒng)（又稱Electronic Stability Program；ESP）中的Y軸陀螺儀偵測車頭擺動速度過快，或由加速度傳感器偵測到車輪出現(xiàn)滑行現(xiàn)象，汽車計算機會及時對特定的車輪施加制動力（如剎車），以幫助車輛按照駕駛者預期的方向前進。進一步來看，當車輛有轉(zhuǎn)向不足的傾向時，系統(tǒng)會向轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)的后輪施加制動力；當有轉(zhuǎn)向過度的傾向時，系統(tǒng)會向轉(zhuǎn)彎外側(cè)的前輪施加制動力，從而保證了行駛的穩(wěn)定。部分的電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)還會在車輛失控時減低發(fā)動機的動力。

《圖四　汽車RPS與ESC中分別采用Yaw及Roll陀螺儀》


《圖五　采用及未采用ESP系統(tǒng)的車子發(fā)生緊急狀況時的行駛路線示意圖》


由于QMEMS陀螺儀對沖撞的抵抗力強，即使路狀差造成車子的顛簸，仍能穩(wěn)定的輸出，因此很適合汽車安全防護的偵測應用。而為了滿足車載安全系統(tǒng)的對使用組件嚴格要求，Epson Toyocom著手開發(fā)符合車用認證標準（AEC Q200）的陀螺儀組件。由于汽車輸出的電壓存有不穩(wěn)定的可能性，因此有別于采用固定參考電壓的消費性應用，車載用陀螺儀的參考電壓是設(shè)定為操作電壓的一半，與車用電壓保持浮動平衡。

遠程搖控操作

任天堂的Wii游戲機一推出市場，由于配備能對使用者動作感測的遠程搖控操作，立即引發(fā)市場熱潮。為了提升其操控性，Wii又在原先的搖控器后端加了新的Wii Motion Plus，此一外加組件中的關(guān)鍵組件即為陀螺儀傳感器，參考圖六。除了 Wii Motion Plus外，目前包括PS3 SIXAXIS和ASUS Eee Stick等游戲搖控器都采用了Epson Toyocom的陀螺儀傳感器。為了滿足更復雜的動作感測能力，未來將再推出六軸的傳感器組件（三軸的陀螺儀加三軸的加速度傳感器），讓游戲及3D搖控器等運動感測型界面應用能更得心應手。

《圖六　外加的Wii Motion Plus中采用了陀螺儀傳感器》


Epson投入石英型傳感器開發(fā)

看好石英型傳感器的優(yōu)勢，Epson Toyocom從1995年就開始投入陀螺儀傳感器的開發(fā)，經(jīng)過八年，在2003年發(fā)表商用化的double-T架構(gòu)陀螺儀產(chǎn)品。再經(jīng)過這幾年的持續(xù)開發(fā)，目前因應不同的應用需求已有一系列的對應產(chǎn)品。性能上的規(guī)格差異主要包括可偵測的角速度范圍、尺寸、操作電壓、參考電壓、輸出電壓/角速度（Vout/dps），及是否符合車規(guī)要求等等。

為了滿足小型化的需求，Epson Toyocom進一步采用尺寸極小的表面黏著組件（Surface Mount Device；SMD）技術(shù)，使其石英振蕩器陀螺儀封裝后的尺寸僅5.0mm×3.2mm，小到足以放在指尖；而下一代產(chǎn)品還會做到更小。此外，完全密封的封裝方式使其擁有絕佳的環(huán)境耐受力，并同時具有石英晶體振蕩器的高穩(wěn)定性及低耗電睡眠模式等優(yōu)異特點。

結(jié)語

從Wii和iPhone的成功，已可感受到直覺性感測接口對產(chǎn)品價值提升的重要性。而未來，還有更多領(lǐng)域會采用到傳感器來實現(xiàn)嶄新的應用，例如對機器人或無人飛行器的遠程操控。目前就有搖控直升機加入了精準的QMEMS陀螺儀，大幅提升了其操控性，能夠從靜止狀態(tài)穩(wěn)定的升空，并能夠精確地做出升降、前進、后退及傾斜等飛行動作，甚至可以穩(wěn)定的暫停在半空中。

其實，傳感器未來發(fā)展的關(guān)鍵正在于發(fā)現(xiàn)人們真實的需求為何？這樣才能思考相對應的解決方案與應用功能，并進一步善用傳感器來達成這些功能。很顯然地，傳感器應用開發(fā)的可能性是非常寬廣的，而QMEMS傳感器將在其中扮演重要的推手角色。

到目前為止，本系列技術(shù)文章共為讀者介紹了石英組件的發(fā)展歷史、頻率組件的應用、石英振蕩線路的分析與調(diào)整、石英振蕩器的類型與特性、QMEMS的特性與優(yōu)點，以及QMEMS陀螺儀關(guān)鍵應用等，相信各位讀者現(xiàn)在對我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見的石英組件，有了更深一層的認識。本系列文章就到這邊告一個段落，我們衷心期盼在不久的將來，石英組件及其應用產(chǎn)品能為世人帶來更大的福利。[!--empirenews.page--]

---作者任職于臺灣愛普生科技 電子零件事業(yè)群---