QMEMS陀螺儀讓生活更安全便利
[導(dǎo)讀]今日的MEMS組件以感測(cè)應(yīng)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(jī)支持自動(dòng)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(jī)中，則運(yùn)用陀螺儀傳感器來
今日的MEMS組件以感測(cè)應(yīng)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(jī)支持自動(dòng)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(jī)中，則運(yùn)用陀螺儀傳感器來修正晃動(dòng)的影像。此外還有很多應(yīng)用領(lǐng)域與市場(chǎng)，例如汽車安全防護(hù)偵測(cè)、游戲機(jī)3D游戲桿、搖控直升機(jī)等等。 針對(duì)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(cè)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(yīng)用。
QMEMS陀螺儀運(yùn)作原理
相較于傳統(tǒng)用于測(cè)量角位移的陀螺儀，今日的MEMS振動(dòng)式陀螺儀傳感器（Vibratory Gyro Sensor）可用來測(cè)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(qǐng)參考圖一。這類傳感器是運(yùn)用柯氏力效應(yīng)（Coriolis Effect）的原理所發(fā)展出來的量測(cè)技術(shù)。簡(jiǎn)單地說，當(dāng)一個(gè)物體在旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)上做線性方向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生偏離的柯氏力效應(yīng)現(xiàn)象。
《圖一 振動(dòng)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(jì)陀螺儀傳感器，其運(yùn)作方式是將基本訊號(hào)輸入細(xì)長(zhǎng)的石英晶體臂（Crystal Arm），此模式稱為驅(qū)動(dòng)模式（Drive Mode）：當(dāng)石英臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)藉由柯氏力效應(yīng)產(chǎn)生電壓，而此電荷會(huì)被有效地偵測(cè)到，進(jìn)而判斷出旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作，此模式稱為偵測(cè)模式（Detect Mode）。這種架構(gòu)因驅(qū)動(dòng)與偵測(cè)都藉由相同的晶體臂，容易造成彼此間的振動(dòng)噪聲干擾，零點(diǎn)也容易偏移，想要做到薄型化相當(dāng)困難。
相較之下，同樣基于相同的原理，但Epson Toyocom運(yùn)用QMEMS精密加工技術(shù)開發(fā)出Double-T架構(gòu)，透過簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)獲得有效的感測(cè)，同時(shí)亦能將噪聲減到最少。Double-T 架構(gòu)運(yùn)作時(shí)，分布于兩側(cè)的兩個(gè)T 型振蕩器，會(huì)先以50.3kHz的對(duì)稱波形進(jìn)行基礎(chǔ)振動(dòng)，營(yíng)造出可以形成柯氏力的環(huán)境，此為驅(qū)動(dòng)模式。在驅(qū)動(dòng)模式中，兩個(gè)T 型振蕩器所產(chǎn)生的細(xì)微波動(dòng)，將會(huì)在對(duì)稱軸上相互抵消。請(qǐng)參考圖二。
《圖二 double-T結(jié)構(gòu)示意圖》
當(dāng)旋轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，柯氏力效應(yīng)作用在與基礎(chǔ)振動(dòng)位移垂直的方向上，進(jìn)而產(chǎn)生感測(cè)振動(dòng)，啟動(dòng)偵測(cè)模式。一旦進(jìn)入偵測(cè)模式，壓電裝置會(huì)感測(cè)到振動(dòng)位移，并經(jīng)由電路處理進(jìn)行垂直坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，再產(chǎn)生線性的電位差（Potential Variation），最后計(jì)算出角速度的變化值。
Double-T 架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于感測(cè)臂只在旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生形變，且感測(cè)臂位于整體結(jié)構(gòu)的中央，因此不會(huì)遺漏任何振動(dòng)。同時(shí)，其收縮振動(dòng)位于同一平面上，使其對(duì)外部噪聲擁有強(qiáng)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(dòng)軸和偵測(cè)軸是分離的，但又是使用同一平面內(nèi)的振動(dòng)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(shì)包括不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)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(jì)是扁平式架構(gòu)，因此能夠做到薄型化的設(shè)計(jì)要求。
QMEMS陀螺儀技術(shù)優(yōu)勢(shì)
一顆傳感器性能的好壞，一般有五個(gè)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)（5個(gè)S）：
●Speed：響應(yīng)物理量變化的速度
●Sensitivity：對(duì)變化回應(yīng)程度的敏感度
●Selectivity：只針對(duì)特定變化響應(yīng)的選擇能力
●Straight Response：回應(yīng)物理變化量的準(zhǔn)確性
●Stability：保持不受外部環(huán)境影響的穩(wěn)定性
依此標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)不會(huì)偏移，刻度也不能因?yàn)闇貪穸鹊韧獠凯h(huán)境影響而產(chǎn)生變化，以及絕對(duì)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(biāo)準(zhǔn)之外，Epson Toyocom 為了因應(yīng)傳感器走向消費(fèi)性行動(dòng)應(yīng)用的趨勢(shì)，更增加了兩項(xiàng)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(jì)的陀螺儀傳感器，是目前最能滿足上述評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)模式和感測(cè)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(zhǔn)確性，請(qǐng)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(diǎn)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(yīng)用領(lǐng)域
相機(jī)影像穩(wěn)定系統(tǒng)
數(shù)字相機(jī)愈做愈小、愈輕的同時(shí)也產(chǎn)生手持不穩(wěn)的晃動(dòng)現(xiàn)象。要解決此問題，除了提高ISO值來縮短曝光時(shí)間外，另一個(gè)途徑即是導(dǎo)入防手震的技術(shù)。相較于高ISO值會(huì)帶來高噪聲的問題，良好的防手震機(jī)制能在拍攝過程中，偵測(cè)并抑制因手部晃動(dòng)而造成的影像模糊現(xiàn)象。
防手震的作法有幾種，平價(jià)的消費(fèi)性機(jī)種或照相手機(jī)會(huì)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(jī)身的感測(cè)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(jī)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(jī)械浮動(dòng)原理來設(shè)計(jì)，也有廠商采用陀螺儀來進(jìn)行偵測(cè)CCD感光組件或鏡頭的震動(dòng)狀態(tài)，回傳到處理器后，再對(duì)CCD或鏡頭進(jìn)行位移補(bǔ)償。一般來說，一臺(tái)相機(jī)需要選用兩個(gè)單軸（或一個(gè)雙軸）的陀螺儀來進(jìn)行感測(cè)，以對(duì)應(yīng)左右（Yaw），或上下（Pitch）的晃動(dòng)。
在影像穩(wěn)定系統(tǒng)中，陀螺儀專門用來偵測(cè)角速度（Angular Velocity），也就是相機(jī)震動(dòng)的幅度，并將偵測(cè)到的數(shù)據(jù)回傳給機(jī)身的處理器，再透過致動(dòng)器（Actuator）來修正鏡頭。隨著陀螺儀技術(shù)的精進(jìn)，相較于十年前相機(jī)防手震功能只能提升約一級(jí)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(dòng)陀螺儀傳感器為例，即便在持續(xù)震動(dòng)的環(huán)境中，也能準(zhǔn)確地進(jìn)行歸零的動(dòng)作，將快門速度一舉提升四級(jí)。這種高性能優(yōu)勢(shì)讓該公司的陀螺儀在數(shù)字單眼相機(jī)中普遍被采用（約占七成以上市場(chǎng)），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?，F(xiàn)今包括輕薄消費(fèi)型相機(jī)也開始加入光學(xué)防手震系統(tǒng)，以加強(qiáng)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(yīng)用
目前GPS已廣泛被用于行車地圖的導(dǎo)航應(yīng)用上，但當(dāng)汽車一進(jìn)入隧道或高樓間的街道中（或稱城市峽谷，Urban Canyon），往往會(huì)因收不到衛(wèi)星訊號(hào)或信號(hào)太過紊亂而無法正常導(dǎo)航。此時(shí)利用航位推算（DR，Dead Reckoning）技術(shù)即可繼續(xù)進(jìn)行輔助導(dǎo)航。航位推算的基本原理是透過特定的傳感器來得到移動(dòng)的速度和方向。在汽車中可結(jié)合里程計(jì)（Odometer）和方向盤來得到這兩項(xiàng)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(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能。
不過，每種感測(cè)方式皆有其誤差限制，尤其是長(zhǎng)時(shí)間的累積誤差會(huì)讓航位推算失效。更理想的作法是發(fā)展出GPS與DR互補(bǔ)的運(yùn)作模式，為導(dǎo)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(jìn)一步強(qiáng)化定位能力。
由于QMEMS陀螺儀能提供精準(zhǔn)的角速度量測(cè)，目前GPS解決方案廠商皆與Epson Toyocom合作開發(fā)DR應(yīng)用解決方案，合作對(duì)象包括CSR-SiRF、Trimble、u-blox、MediaTek、O2Micro、Qualcomm和SkyTraQ等。
除了汽車輔助慣性導(dǎo)航外，陀螺儀等運(yùn)動(dòng)傳感器也可延伸用于個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備（Personal Navigation Device；PND）中。個(gè)人導(dǎo)航功能可透過加速度傳感器來測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并可加裝壓力傳感器來測(cè)量高度的變化，進(jìn)而了解個(gè)人是處于那一個(gè)樓層。對(duì)于個(gè)人導(dǎo)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(hào)不良而造成的位置漂移現(xiàn)象，讓可定位的環(huán)境更大，進(jìn)而有助于提升LBS（Location Based Service）的使用經(jīng)驗(yàn)與接受度。
汽車安全防護(hù)感測(cè)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(yùn)動(dòng)傳感器愈來愈多。除了上述的導(dǎo)航應(yīng)用外，這些傳感器也被用于車身翻覆保護(hù)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(hù)應(yīng)用上。舉例來說，前者會(huì)用到偵測(cè)車身翻覆的Y軸陀螺儀（Roll Rate Sensor），后者則會(huì)是偵測(cè)車頭擺動(dòng)的Z軸陀螺儀（Yaw Rate Sensor），如圖四。
以翻覆保護(hù)系統(tǒng)來說，當(dāng)Y軸陀螺儀感測(cè)到汽車即將翻覆，此系統(tǒng)會(huì)立即打開安全氣囊來保護(hù)乘客。這屬于被動(dòng)的安全防護(hù)作法，今日的汽車設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)主動(dòng)防護(hù)，也就是透過各式汽車電子設(shè)備，提前預(yù)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(dāng)ESC系統(tǒng)（又稱Electronic Stability Program；ESP）中的Y軸陀螺儀偵測(cè)車頭擺動(dòng)速度過快，或由加速度傳感器偵測(cè)到車輪出現(xiàn)滑行現(xiàn)象，汽車計(jì)算機(jī)會(huì)及時(shí)對(duì)特定的車輪施加制動(dòng)力（如剎車），以幫助車輛按照駕駛者預(yù)期的方向前進(jìn)。進(jìn)一步來看，當(dāng)車輛有轉(zhuǎn)向不足的傾向時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)的后輪施加制動(dòng)力；當(dāng)有轉(zhuǎn)向過度的傾向時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向轉(zhuǎn)彎外側(cè)的前輪施加制動(dòng)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(huì)在車輛失控時(shí)減低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(shí)的行駛路線示意圖》
由于QMEMS陀螺儀對(duì)沖撞的抵抗力強(qiáng)，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(hù)的偵測(cè)應(yīng)用。而為了滿足車載安全系統(tǒng)的對(duì)使用組件嚴(yán)格要求，Epson Toyocom著手開發(fā)符合車用認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（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(fèi)性應(yīng)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(dòng)平衡。
遠(yuǎn)程搖控操作
任天堂的Wii游戲機(jī)一推出市場(chǎng)，由于配備能對(duì)使用者動(dòng)作感測(cè)的遠(yuǎn)程搖控操作，立即引發(fā)市場(chǎng)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(fù)雜的動(dòng)作感測(cè)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(yùn)動(dòng)感測(cè)型界面應(yīng)用能更得心應(yīng)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(shì)，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(yīng)不同的應(yīng)用需求已有一系列的對(duì)應(yīng)產(chǎn)品。性能上的規(guī)格差異主要包括可偵測(cè)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(jìn)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(huì)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(shí)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(diǎn)。
結(jié)語(yǔ)
從Wii和iPhone的成功，已可感受到直覺性感測(cè)接口對(duì)產(chǎn)品價(jià)值提升的重要性。而未來，還有更多領(lǐng)域會(huì)采用到傳感器來實(shí)現(xiàn)嶄新的應(yīng)用，例如對(duì)機(jī)器人或無人飛行器的遠(yuǎn)程操控。目前就有搖控直升機(jī)加入了精準(zhǔn)的QMEMS陀螺儀，大幅提升了其操控性，能夠從靜止?fàn)顟B(tài)穩(wěn)定的升空，并能夠精確地做出升降、前進(jìn)、后退及傾斜等飛行動(dòng)作，甚至可以穩(wěn)定的暫停在半空中。
其實(shí)，傳感器未來發(fā)展的關(guān)鍵正在于發(fā)現(xiàn)人們真實(shí)的需求為何？這樣才能思考相對(duì)應(yīng)的解決方案與應(yīng)用功能，并進(jìn)一步善用傳感器來達(dá)成這些功能。很顯然地，傳感器應(yīng)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(yīng)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(diǎn)，以及QMEMS陀螺儀關(guān)鍵應(yīng)用等，相信各位讀者現(xiàn)在對(duì)我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見的石英組件，有了更深一層的認(rèn)識(shí)。本系列文章就到這邊告一個(gè)段落，我們衷心期盼在不久的將來，石英組件及其應(yīng)用產(chǎn)品能為世人帶來更大的福利。[!--empirenews.page--]
---作者任職于臺(tái)灣愛普生科技 電子零件事業(yè)群---
QMEMS陀螺儀運(yùn)作原理
相較于傳統(tǒng)用于測(cè)量角位移的陀螺儀，今日的MEMS振動(dòng)式陀螺儀傳感器（Vibratory Gyro Sensor）可用來測(cè)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(qǐng)參考圖一。這類傳感器是運(yùn)用柯氏力效應(yīng)（Coriolis Effect）的原理所發(fā)展出來的量測(cè)技術(shù)。簡(jiǎn)單地說，當(dāng)一個(gè)物體在旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)上做線性方向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生偏離的柯氏力效應(yīng)現(xiàn)象。
《圖一 振動(dòng)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(jì)陀螺儀傳感器，其運(yùn)作方式是將基本訊號(hào)輸入細(xì)長(zhǎng)的石英晶體臂（Crystal Arm），此模式稱為驅(qū)動(dòng)模式（Drive Mode）：當(dāng)石英臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)藉由柯氏力效應(yīng)產(chǎn)生電壓，而此電荷會(huì)被有效地偵測(cè)到，進(jìn)而判斷出旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作，此模式稱為偵測(cè)模式（Detect Mode）。這種架構(gòu)因驅(qū)動(dòng)與偵測(cè)都藉由相同的晶體臂，容易造成彼此間的振動(dòng)噪聲干擾，零點(diǎn)也容易偏移，想要做到薄型化相當(dāng)困難。
相較之下，同樣基于相同的原理，但Epson Toyocom運(yùn)用QMEMS精密加工技術(shù)開發(fā)出Double-T架構(gòu)，透過簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)獲得有效的感測(cè)，同時(shí)亦能將噪聲減到最少。Double-T 架構(gòu)運(yùn)作時(shí)，分布于兩側(cè)的兩個(gè)T 型振蕩器，會(huì)先以50.3kHz的對(duì)稱波形進(jìn)行基礎(chǔ)振動(dòng)，營(yíng)造出可以形成柯氏力的環(huán)境，此為驅(qū)動(dòng)模式。在驅(qū)動(dòng)模式中，兩個(gè)T 型振蕩器所產(chǎn)生的細(xì)微波動(dòng)，將會(huì)在對(duì)稱軸上相互抵消。請(qǐng)參考圖二。
《圖二 double-T結(jié)構(gòu)示意圖》
當(dāng)旋轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，柯氏力效應(yīng)作用在與基礎(chǔ)振動(dòng)位移垂直的方向上，進(jìn)而產(chǎn)生感測(cè)振動(dòng)，啟動(dòng)偵測(cè)模式。一旦進(jìn)入偵測(cè)模式，壓電裝置會(huì)感測(cè)到振動(dòng)位移，并經(jīng)由電路處理進(jìn)行垂直坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，再產(chǎn)生線性的電位差（Potential Variation），最后計(jì)算出角速度的變化值。
Double-T 架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于感測(cè)臂只在旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生形變，且感測(cè)臂位于整體結(jié)構(gòu)的中央，因此不會(huì)遺漏任何振動(dòng)。同時(shí)，其收縮振動(dòng)位于同一平面上，使其對(duì)外部噪聲擁有強(qiáng)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(dòng)軸和偵測(cè)軸是分離的，但又是使用同一平面內(nèi)的振動(dòng)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(shì)包括不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)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(jì)是扁平式架構(gòu)，因此能夠做到薄型化的設(shè)計(jì)要求。
QMEMS陀螺儀技術(shù)優(yōu)勢(shì)
一顆傳感器性能的好壞，一般有五個(gè)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)（5個(gè)S）：
●Speed：響應(yīng)物理量變化的速度
●Sensitivity：對(duì)變化回應(yīng)程度的敏感度
●Selectivity：只針對(duì)特定變化響應(yīng)的選擇能力
●Straight Response：回應(yīng)物理變化量的準(zhǔn)確性
●Stability：保持不受外部環(huán)境影響的穩(wěn)定性
依此標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)不會(huì)偏移，刻度也不能因?yàn)闇貪穸鹊韧獠凯h(huán)境影響而產(chǎn)生變化，以及絕對(duì)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(biāo)準(zhǔn)之外，Epson Toyocom 為了因應(yīng)傳感器走向消費(fèi)性行動(dòng)應(yīng)用的趨勢(shì)，更增加了兩項(xiàng)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(jì)的陀螺儀傳感器，是目前最能滿足上述評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)模式和感測(cè)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(zhǔn)確性，請(qǐng)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(diǎn)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(yīng)用領(lǐng)域
相機(jī)影像穩(wěn)定系統(tǒng)
數(shù)字相機(jī)愈做愈小、愈輕的同時(shí)也產(chǎn)生手持不穩(wěn)的晃動(dòng)現(xiàn)象。要解決此問題，除了提高ISO值來縮短曝光時(shí)間外，另一個(gè)途徑即是導(dǎo)入防手震的技術(shù)。相較于高ISO值會(huì)帶來高噪聲的問題，良好的防手震機(jī)制能在拍攝過程中，偵測(cè)并抑制因手部晃動(dòng)而造成的影像模糊現(xiàn)象。
防手震的作法有幾種，平價(jià)的消費(fèi)性機(jī)種或照相手機(jī)會(huì)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(jī)身的感測(cè)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(jī)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(jī)械浮動(dòng)原理來設(shè)計(jì)，也有廠商采用陀螺儀來進(jìn)行偵測(cè)CCD感光組件或鏡頭的震動(dòng)狀態(tài)，回傳到處理器后，再對(duì)CCD或鏡頭進(jìn)行位移補(bǔ)償。一般來說，一臺(tái)相機(jī)需要選用兩個(gè)單軸（或一個(gè)雙軸）的陀螺儀來進(jìn)行感測(cè)，以對(duì)應(yīng)左右（Yaw），或上下（Pitch）的晃動(dòng)。
在影像穩(wěn)定系統(tǒng)中，陀螺儀專門用來偵測(cè)角速度（Angular Velocity），也就是相機(jī)震動(dòng)的幅度，并將偵測(cè)到的數(shù)據(jù)回傳給機(jī)身的處理器，再透過致動(dòng)器（Actuator）來修正鏡頭。隨著陀螺儀技術(shù)的精進(jìn)，相較于十年前相機(jī)防手震功能只能提升約一級(jí)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(dòng)陀螺儀傳感器為例，即便在持續(xù)震動(dòng)的環(huán)境中，也能準(zhǔn)確地進(jìn)行歸零的動(dòng)作，將快門速度一舉提升四級(jí)。這種高性能優(yōu)勢(shì)讓該公司的陀螺儀在數(shù)字單眼相機(jī)中普遍被采用（約占七成以上市場(chǎng)），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?，F(xiàn)今包括輕薄消費(fèi)型相機(jī)也開始加入光學(xué)防手震系統(tǒng)，以加強(qiáng)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(yīng)用
目前GPS已廣泛被用于行車地圖的導(dǎo)航應(yīng)用上，但當(dāng)汽車一進(jìn)入隧道或高樓間的街道中（或稱城市峽谷，Urban Canyon），往往會(huì)因收不到衛(wèi)星訊號(hào)或信號(hào)太過紊亂而無法正常導(dǎo)航。此時(shí)利用航位推算（DR，Dead Reckoning）技術(shù)即可繼續(xù)進(jìn)行輔助導(dǎo)航。航位推算的基本原理是透過特定的傳感器來得到移動(dòng)的速度和方向。在汽車中可結(jié)合里程計(jì)（Odometer）和方向盤來得到這兩項(xiàng)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(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能。
不過，每種感測(cè)方式皆有其誤差限制，尤其是長(zhǎng)時(shí)間的累積誤差會(huì)讓航位推算失效。更理想的作法是發(fā)展出GPS與DR互補(bǔ)的運(yùn)作模式，為導(dǎo)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(jìn)一步強(qiáng)化定位能力。
由于QMEMS陀螺儀能提供精準(zhǔn)的角速度量測(cè)，目前GPS解決方案廠商皆與Epson Toyocom合作開發(fā)DR應(yīng)用解決方案，合作對(duì)象包括CSR-SiRF、Trimble、u-blox、MediaTek、O2Micro、Qualcomm和SkyTraQ等。
除了汽車輔助慣性導(dǎo)航外，陀螺儀等運(yùn)動(dòng)傳感器也可延伸用于個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備（Personal Navigation Device；PND）中。個(gè)人導(dǎo)航功能可透過加速度傳感器來測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并可加裝壓力傳感器來測(cè)量高度的變化，進(jìn)而了解個(gè)人是處于那一個(gè)樓層。對(duì)于個(gè)人導(dǎo)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(hào)不良而造成的位置漂移現(xiàn)象，讓可定位的環(huán)境更大，進(jìn)而有助于提升LBS（Location Based Service）的使用經(jīng)驗(yàn)與接受度。
汽車安全防護(hù)感測(cè)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(yùn)動(dòng)傳感器愈來愈多。除了上述的導(dǎo)航應(yīng)用外，這些傳感器也被用于車身翻覆保護(hù)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(hù)應(yīng)用上。舉例來說，前者會(huì)用到偵測(cè)車身翻覆的Y軸陀螺儀（Roll Rate Sensor），后者則會(huì)是偵測(cè)車頭擺動(dòng)的Z軸陀螺儀（Yaw Rate Sensor），如圖四。
以翻覆保護(hù)系統(tǒng)來說，當(dāng)Y軸陀螺儀感測(cè)到汽車即將翻覆，此系統(tǒng)會(huì)立即打開安全氣囊來保護(hù)乘客。這屬于被動(dòng)的安全防護(hù)作法，今日的汽車設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)主動(dòng)防護(hù)，也就是透過各式汽車電子設(shè)備，提前預(yù)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(dāng)ESC系統(tǒng)（又稱Electronic Stability Program；ESP）中的Y軸陀螺儀偵測(cè)車頭擺動(dòng)速度過快，或由加速度傳感器偵測(cè)到車輪出現(xiàn)滑行現(xiàn)象，汽車計(jì)算機(jī)會(huì)及時(shí)對(duì)特定的車輪施加制動(dòng)力（如剎車），以幫助車輛按照駕駛者預(yù)期的方向前進(jìn)。進(jìn)一步來看，當(dāng)車輛有轉(zhuǎn)向不足的傾向時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)的后輪施加制動(dòng)力；當(dāng)有轉(zhuǎn)向過度的傾向時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向轉(zhuǎn)彎外側(cè)的前輪施加制動(dòng)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(huì)在車輛失控時(shí)減低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(shí)的行駛路線示意圖》
由于QMEMS陀螺儀對(duì)沖撞的抵抗力強(qiáng)，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(hù)的偵測(cè)應(yīng)用。而為了滿足車載安全系統(tǒng)的對(duì)使用組件嚴(yán)格要求，Epson Toyocom著手開發(fā)符合車用認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（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(fèi)性應(yīng)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(dòng)平衡。
遠(yuǎn)程搖控操作
任天堂的Wii游戲機(jī)一推出市場(chǎng)，由于配備能對(duì)使用者動(dòng)作感測(cè)的遠(yuǎn)程搖控操作，立即引發(fā)市場(chǎng)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(fù)雜的動(dòng)作感測(cè)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(yùn)動(dòng)感測(cè)型界面應(yīng)用能更得心應(yīng)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(shì)，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(yīng)不同的應(yīng)用需求已有一系列的對(duì)應(yīng)產(chǎn)品。性能上的規(guī)格差異主要包括可偵測(cè)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(jìn)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(huì)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(shí)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(diǎn)。
結(jié)語(yǔ)
從Wii和iPhone的成功，已可感受到直覺性感測(cè)接口對(duì)產(chǎn)品價(jià)值提升的重要性。而未來，還有更多領(lǐng)域會(huì)采用到傳感器來實(shí)現(xiàn)嶄新的應(yīng)用，例如對(duì)機(jī)器人或無人飛行器的遠(yuǎn)程操控。目前就有搖控直升機(jī)加入了精準(zhǔn)的QMEMS陀螺儀，大幅提升了其操控性，能夠從靜止?fàn)顟B(tài)穩(wěn)定的升空，并能夠精確地做出升降、前進(jìn)、后退及傾斜等飛行動(dòng)作，甚至可以穩(wěn)定的暫停在半空中。
其實(shí)，傳感器未來發(fā)展的關(guān)鍵正在于發(fā)現(xiàn)人們真實(shí)的需求為何？這樣才能思考相對(duì)應(yīng)的解決方案與應(yīng)用功能，并進(jìn)一步善用傳感器來達(dá)成這些功能。很顯然地，傳感器應(yīng)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(yīng)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(diǎn)，以及QMEMS陀螺儀關(guān)鍵應(yīng)用等，相信各位讀者現(xiàn)在對(duì)我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見的石英組件，有了更深一層的認(rèn)識(shí)。本系列文章就到這邊告一個(gè)段落，我們衷心期盼在不久的將來，石英組件及其應(yīng)用產(chǎn)品能為世人帶來更大的福利。[!--empirenews.page--]
---作者任職于臺(tái)灣愛普生科技 電子零件事業(yè)群---
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