QMEMS陀螺仪让生活更安全便利

今日的MEMS组件以感测应用居多，最常见的即是加速度传感器（G-Sensor）和陀螺仪传感器（Gyro）两种。目前愈来愈多手机支持自动翻转屏幕功能，就是内建了一颗加速度传感器；而在数字单眼相机中，则运用陀螺仪传感器来修正晃动的影像。此外还有很多应用领域与市场，例如汽车安全防护侦测、游戏机3D游戏杆、摇控直升机等等。 针对石英材料发展出的QMEMS制程技术，非常适合用来开发感测组件，而且能提供更精确和稳定的性能。本文中将介绍基于QMEMS所开发的陀螺仪传感器技术与应用。
QMEMS陀螺仪运作原理

相较于传统用于测量角位移的陀螺仪，今日的MEMS振动式陀螺仪传感器（Vibratory Gyro Sensor）可用来测量以度/秒为单位的角速度，又分为压电式（Piezoelectric）和硅制程式（Silicon Type）两种，请参考图一。这类传感器是运用柯氏力效应（Coriolis Effect）的原理所发展出来的量测技术。简单地说，当一个物体在旋转的参考坐标上做线性方向运动，就会产生偏离的柯氏力效应现象。

《图一　振动式陀螺仪分类表》


一些石英厂商以音叉型石英晶体来设计陀螺仪传感器，其运作方式是将基本讯号输入细长的石英晶体臂（Crystal Arm），此模式称为驱动模式（Drive Mode）：当石英臂进行旋转时，会藉由柯氏力效应产生电压，而此电荷会被有效地侦测到，进而判断出旋转的动作，此模式称为侦测模式（Detect Mode）。这种架构因驱动与侦测都藉由相同的晶体臂，容易造成彼此间的振动噪声干扰，零点也容易偏移，想要做到薄型化相当困难。

相较之下，同样基于相同的原理，但Epson Toyocom运用QMEMS精密加工技术开发出Double-T架构，透过简单的设计获得有效的感测，同时亦能将噪声减到最少。Double-T 架构运作时，分布于兩侧的兩个T 型振荡器，会先以50.3kHz的对称波形进行基础振动，营造出可以形成柯氏力的环境，此为驱动模式。在驱动模式中，兩个T 型振荡器所产生的细微波动，将会在对称轴上相互抵消。请参考图二。

《图二　double-T结构示意图》


当旋转发生时，柯氏力效应作用在与基础振动位移垂直的方向上，进而产生感测振动，启动侦测模式。一旦进入侦测模式，压电装置会感测到振动位移，并经由电路处理进行垂直坐标的转换，再产生线性的电位差（Potential Variation），最后计算出角速度的变化值。

Double-T 架构的优点在于感测臂只在旋转时发生形变，且感测臂位于整体结构的中央，因此不会遗漏任何振动。同时，其收缩振动位于同一平面上，使其对外部噪声拥有强大的抵抗力，是一种极为理想的架构。相较于音叉型架构，Double-T架构的驱动轴和侦测轴是分离的，但又是使用同一平面内的振动模式，所以能让传感器的感度与稳定性大幅改善。其他的优势包括不会产生振动泄漏，也容易做到平衡调节（Balance Tuning）、归零偏移低；此外，由于有中央重心的支持，且整体的设计是扁平式架构，因此能够做到薄型化的设计要求。

QMEMS陀螺仪技术优势

一颗传感器性能的好坏，一般有五个评估的标准（5个S）：

●Speed：响应物理量变化的速度


●Sensitivity：对变化回应程度的敏感度


●Selectivity：只针对特定变化响应的选择能力


●Straight Response：回应物理变化量的准确性


●Stability：保持不受外部环境影响的稳定性



依此标准来看，一颗高质量的传感器必须在各种状况下都能确保原点不会偏移，刻度也不能因为温湿度等外部环境影响而产生变化，以及绝对不能出现磁滞现象（hysteresis），或与其他轴线（噪声）出现相互干扰的现象。除了5S 标准之外，Epson Toyocom 为了因应传感器走向消费性行动应用的趋势，更增加了兩项S 特性：Small（精巧）与Energy Saving（节能）使传感器能做到更小、更省电。

采石英晶体设计的陀螺仪传感器，是目前最能满足上述评估标准的高性能解决方案。由于石英晶体的表面温度特性比其他材料好得多，即使在不同温度下，驱动模式和感测模式依然呈现相同的变化程度，输出结果也仅有极小的温度相依性，因而能得到高度的准确性，请参考图三。在相同噪声水平之下，石英晶体稳定的平面温度特性，以及无磁滞（Hysteresis-free）零点温度特性，也优于其他产品。

《图三　QMEMS陀螺仪较其他类型产品具有稳定的温度特性》


陀螺仪应用领域

相机影像稳定系统

数字相机愈做愈小、愈轻的同时也产生手持不稳的晃动现象。要解决此问题，除了提高ISO值来缩短曝光时间外，另一个途径即是导入防手震的技术。相较于高ISO值会带来高噪声的问题，良好的防手震机制能在拍摄过程中，侦测并抑制因手部晃动而造成的影像模糊现象。

防手震的作法有几种，平价的消费性机种或照相手机会透过软件算法将影像做优化处理，不过效果有限；较好的作法是硬件式的镜头防手震或CCD防手震，前者将防手震功能做在镜头内，后者则做在机身的感测组件上。

硬件式的防手震技术通常被用于数字单眼相机中，即所谓的影像稳定系统。要做到影像稳定系统，有的厂商采用CCD机械浮动原理来设计，也有厂商采用陀螺仪来进行侦测CCD感光组件或镜头的震动状态，回传到处理器后，再对CCD或镜头进行位移补偿。一般来说，一台相机需要选用两个单轴（或一个双轴）的陀螺仪来进行感测，以对应左右（Yaw），或上下（Pitch）的晃动。

在影像稳定系统中，陀螺仪专门用來侦测角速度（Angular Velocity），也就是相机震动的幅度，并将侦测到的數据回传给机身的处理器，再透过致动器（Actuator）来修正镜头。随着陀螺仪技术的精进，相较于十年前相机防手震功能只能提升约一级的快门速度，目前的防手震效果已大幅提升。

以Epson Toyocom的超小型振动陀螺仪传感器为例，即便在持续震动的环境中，也能准确地进行归零的动作，将快门速度一举提升四级。这种高性能优势让该公司的陀螺仪在数字单眼相机中普遍被采用（约占七成以上市场），其中Canon、Nikon与Panasonic将防手震系统做于镜头端，Sony数字单眼（Konica Minolta技术）和Olympus则用于影像传感器端。现今包括轻薄消费型相机也开始加入光学防手震系统，以加强其性能表现，其中25%选择使用Epson Toyocom的陀螺仪解决方案。[!--empirenews.page--]

汽车航位推算应用

目前GPS已广泛被用于行车地图的导航应用上，但当汽车一进入隧道或高楼间的街道中（或称城市峡谷，Urban Canyon），往往会因收不到卫星讯号或信号太过紊乱而无法正常导航。此时利用航位推算（DR，Dead Reckoning）技术即可继续进行辅助导航。航位推算的基本原理是透过特定的传感器来得到移动的速度和方向。在汽车中可结合里程计（Odometer）和方向盘来得到这两项信息，也可利用加速度传感器、陀螺仪、电子罗盘等传感器来实现这项功能。

不过，每种感测方式皆有其误差限制，尤其是长时间的累积误差会让航位推算失效。更理想的作法是发展出GPS与DR互补的运作模式，为导航系统做到优化。此外，可利用软件所提供地图匹配功能，有效锁定道路，进一步强化定位能力。

由于QMEMS陀螺仪能提供精准的角速度量测，目前GPS解决方案厂商皆与Epson Toyocom合作开发DR应用解决方案，合作对象包括CSR-SiRF、Trimble、u-blox、MediaTek、O2Micro、Qualcomm和SkyTraQ等。

除了汽车辅助惯性导航外，陀螺仪等运动传感器也可延伸用于个人导航设备（Personal Navigation Device；PND）中。个人导航功能可透过加速度传感器来测量速度与位移、利用电子罗盘来获得正确方位，或利用陀螺仪来测量转动角度，并可加装压力传感器来测量高度的变化，进而了解个人是处于那一个楼层。对于个人导航设备来说，这些传感器的辅助用途极大，能大幅改善因卫星讯号不良而造成的位置漂移现象，让可定位的环境更大，进而有助于提升LBS（Location Based Service）的使用经验与接受度。

汽车安全防护感测系统

为了提供汽车更佳的操控性及安全性，目前加装于汽车中的运动传感器愈来愈多。除了上述的导航应用外，这些传感器也被用于车身翻覆保护系统（Rollover Protection System；RPS）和电子稳定控制系统（Electronic Stability Control；ESC）等安全防护应用上。举例来说，前者会用到侦测车身翻覆的Y轴陀螺仪（Roll Rate Sensor），后者则会是侦测车头摆动的Z轴陀螺仪（Yaw Rate Sensor），如图四。

以翻覆保护系统来说，当Y轴陀螺仪感测到汽车即将翻覆，此系统会立即打开安全气囊来保护乘客。这属于被动的安全防护作法，今日的汽车设计更强调主动防护，也就是透过各式汽车电子设备，提前预防汽车事故的发生。其中电子稳定控制系统，即是为了有效防止汽车行驶失控的情况发生。

当ESC系统（又称Electronic Stability Program；ESP）中的Y轴陀螺仪侦测车头摆动速度过快，或由加速度传感器侦测到车轮出现滑行现象，汽车计算机会及时对特定的车轮施加制动力（如剎车），以帮助车辆按照驾驶者预期的方向前进。进一步来看，当车辆有转向不足的倾向时，系统会向转弯内侧的后轮施加制动力；当有转向过度的倾向时，系统会向转弯外侧的前轮施加制动力，从而保证了行驶的稳定。部分的电子稳定控制系统还会在车辆失控时减低发动机的动力。

《图四　汽车RPS与ESC中分别采用Yaw及Roll陀螺仪》


《图五　采用及未采用ESP系统的车子发生紧急状况时的行驶路线示意图》


由于QMEMS陀螺仪对冲撞的抵抗力强，即使路状差造成车子的颠簸，仍能稳定的输出，因此很适合汽车安全防护的侦测应用。而为了满足车载安全系统的对使用组件严格要求，Epson Toyocom着手开发符合车用认证标准（AEC Q200）的陀螺仪组件。由于汽车输出的电压存有不稳定的可能性，因此有别于采用固定参考电压的消费性应用，车载用陀螺仪的参考电压是设定为操作电压的一半，与车用电压保持浮动平衡。

远程摇控操作

任天堂的Wii游戏机一推出市场，由于配备能对使用者动作感测的远程摇控操作，立即引发市场热潮。为了提升其操控性，Wii又在原先的摇控器后端加了新的Wii Motion Plus，此一外加组件中的关键组件即为陀螺仪传感器，参考图六。除了 Wii Motion Plus外，目前包括PS3 SIXAXIS和ASUS Eee Stick等游戏摇控器都采用了Epson Toyocom的陀螺仪传感器。为了满足更复杂的动作感测能力，未来将再推出六轴的传感器组件（三轴的陀螺仪加三轴的加速度传感器），让游戏及3D摇控器等运动感测型界面应用能更得心应手。

《图六　外加的Wii Motion Plus中采用了陀螺仪传感器》


Epson投入石英型传感器开发

看好石英型传感器的优势，Epson Toyocom从1995年就开始投入陀螺仪传感器的开发，经过八年，在2003年发表商用化的double-T架构陀螺仪产品。再经过这几年的持续开发，目前因应不同的应用需求已有一系列的对应产品。性能上的规格差异主要包括可侦测的角速度范围、尺寸、操作电压、参考电压、输出电压/角速度（Vout/dps），及是否符合车规要求等等。

为了满足小型化的需求，Epson Toyocom进一步采用尺寸极小的表面黏着组件（Surface Mount Device；SMD）技术，使其石英振荡器陀螺仪封装后的尺寸仅5.0mm×3.2mm，小到足以放在指尖；而下一代产品还会做到更小。此外，完全密封的封装方式使其拥有绝佳的环境耐受力，并同时具有石英晶体振荡器的高稳定性及低耗电睡眠模式等优異特点。

结语

从Wii和iPhone的成功，已可感受到直觉性感测接口对产品价值提升的重要性。而未来，还有更多领域会采用到传感器来实现崭新的应用，例如对机器人或无人飞行器的远程操控。目前就有摇控直升机加入了精准的QMEMS陀螺仪，大幅提升了其操控性，能够从静止状态稳定的升空，并能够精确地做出升降、前进、后退及倾斜等飞行动作，甚至可以稳定的暂停在半空中。

其实，传感器未来发展的关键正在于发现人们真实的需求为何？这样才能思考相对应的解决方案与应用功能，并进一步善用传感器来达成这些功能。很显然地，传感器应用开发的可能性是非常宽广的，而QMEMS传感器将在其中扮演重要的推手角色。

到目前为止，本系列技术文章共为读者介绍了石英组件的发展历史、频率组件的应用、石英振荡线路的分析与调整、石英振荡器的类型与特性、QMEMS的特性与优点，以及QMEMS陀螺仪关键应用等，相信各位读者现在对我们日常生活中随处可见的石英组件，有了更深一层的认识。本系列文章就到这边告一个段落，我们衷心期盼在不久的将来，石英组件及其应用产品能为世人带来更大的福利。[!--empirenews.page--]

---作者任职于台湾爱普生科技 电子零件事业群---