摘要： MEMS陀螺儀的制電路內(nèi)部可內(nèi)嵌進階電源管理功能，可在不需要動態(tài)傳感器功能的狀態(tài)下直接將MEMS傳感器整組關(guān)閉，或搭配系統(tǒng)的使用狀態(tài)區(qū)隔深度睡眠、一般睡眠與正常運作狀態(tài)，藉此達到MEMS陀螺儀最大幅度的節(jié)能效用，降低MEMS組件的驅(qū)動功耗。
關(guān)鍵字： MEMS， 電路， 電源管理， 動態(tài)傳感器
近年來，不只是電視游戲主機的體感控制器持續(xù)發(fā)燒，智能手機也必須搭載更多元的MEMS組件，來使產(chǎn)品整合更多元的應(yīng)用價值，而自電視游戲機、手機、筆記本電腦，甚至是白家電，已有越來越多的消費電子產(chǎn)品開始使用低g加速計，實現(xiàn)了運動控制的使用者接口設(shè)計應(yīng)用。
低g加速計感測精度有限
在終端應(yīng)用方面，低g值的加速度計MEMS產(chǎn)品，在因應(yīng)基本型態(tài)的動作感測可以獲得不錯的使用效益，但實際上，低g值的加速度計在組件性能表現(xiàn)、感測精度有一定程度極限，若使用者想獲得更高精度的體感操作體驗，會因傳感器的感應(yīng)反應(yīng)限制，而相對限制了體感應(yīng)用設(shè)計的細(xì)節(jié)表現(xiàn)。
同樣的，直線型的加速度計MEMS，其實在芯片感測的能力受限架構(gòu)設(shè)計，而使其表現(xiàn)在更高精密度的應(yīng)用方案呈現(xiàn)限制，尤其在人機界面應(yīng)用與互動設(shè)計方案中。目前，較優(yōu)的設(shè)計是，使用支持多軸MEMS的陀螺儀(Gyro sensor)組件，同時搭配地磁感應(yīng)計參照，來發(fā)揮高精度動態(tài)感測設(shè)計方案。
體感游戲應(yīng)用加溫MEMS陀螺儀使用
所謂的陀螺儀，簡言之即為可測量沿著一個軸、或多軸運動的角速度動態(tài)數(shù)據(jù)，基本上陀螺儀的使用是用來補充MEMS加速計設(shè)計方案、提升動態(tài)感測精度的輔助強化組件，透過加速度感測搭配角速度的實時參照，可以讓操作系統(tǒng)獲得更精確的動作感測數(shù)據(jù)。
陀螺儀解決方案在組件用量越來越多、料件成本也持續(xù)壓低。如，Nintendo于2009年推出Wii Motion Plus控制器游戲桿，利用追加MEMS陀螺儀設(shè)計方案，來補強原有體感游戲控制器的感測精度，透過Motion Plus偵測體感游戲桿的3D角速度變化量，帶動游戲機導(dǎo)入MEMS陀螺儀銷售額成長近3倍!
另智能手機產(chǎn)品也跟上MEMS陀螺儀使用風(fēng)潮，iPhone 4為全球第一支內(nèi)建MEMS陀螺儀的智能手機，而針對智能手機應(yīng)用方案供應(yīng)MEMS陀螺儀的業(yè)者，包含STMicroelectronics、InvenSense、Analog Devices等。
MEMS陀螺儀目前還廣泛用在數(shù)字相機的電子防震設(shè)計、筆記本電腦的硬盤防摔落動態(tài)保護、3D空間鼠標(biāo)、數(shù)字電子羅盤、汽車的ESC/ESP等系統(tǒng)設(shè)計之中，或是搭配自動控制系統(tǒng)、機器人控制手臂之動態(tài)平衡設(shè)計方案中。
加速度計整合陀螺儀提升應(yīng)用價值
目前多數(shù)以加速度計搭配陀螺儀通常經(jīng)過整合設(shè)計、來建構(gòu)可進行動態(tài)追蹤與捕捉3D空間的完整運動軌跡。
以現(xiàn)有的MEMS陀螺儀為例，MEMS陀螺儀(Gyroscope)又名角速度計，其實MEMS陀螺儀的核心組件，是一組經(jīng)過硅制程的微加工機械組合，在硅結(jié)構(gòu)設(shè)計上為參照一組如同音叉機制的運轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用裝置的角速度感測，其工作原理為由相互正交之振動與轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的交變科里奧利力，至于振動的物體由柔軟之彈性結(jié)構(gòu)懸掛于基座上，MEMS陀螺儀整體動力學(xué)系統(tǒng)，是由2D彈性阻尼系統(tǒng)整合，系統(tǒng)中的振動和轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的科里奧利力將角速度之能量轉(zhuǎn)移至傳感模式，角速率轉(zhuǎn)換為特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的直向位移，透過MEMS的結(jié)構(gòu)進而取得變化量的感測信息。
至于陀螺儀與加速計最大的不同是，陀螺儀的量測數(shù)據(jù)較偏向斜度、偏航等動態(tài)信息，反而與重力、線性動作感測數(shù)據(jù)較無關(guān)，陀螺儀多在偵測物體水平改變狀態(tài)時較能達到效用，無法如加速度計對于物體移動或移動動能具較高的感測能力。相反的，加速度計可在偵測物體移動狀態(tài)具較高實用效益，但卻無法感測物體的小幅角度改變。因而將加速度計與陀螺儀整合，即可讓動態(tài)感測系統(tǒng)同時具備直向速度與轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)的感測信息，讓動態(tài)感測系統(tǒng)的偵測范圍更全面、完整。
在MEMS的節(jié)能設(shè)計方面，在系統(tǒng)毋須使用動態(tài)感測應(yīng)用時，MEMS可以搭配關(guān)閉部分功能達到高效節(jié)能效用。例如，在陀螺儀設(shè)計方案中，可將陀螺儀的傳遞訊號與調(diào)節(jié)電路區(qū)分為馬達驅(qū)動部份、加速傳感器感應(yīng)電路兩大部份，馬達驅(qū)動部份為利用靜電驅(qū)動的原理令機械組件產(chǎn)生前/后振蕩，產(chǎn)生感測過程所需的諧振作用，至于感應(yīng)部份為利用量測系統(tǒng)電容變化量，來取得科里奧利力的數(shù)值變化，于對應(yīng)感應(yīng)質(zhì)點上所生成的微弱位移數(shù)據(jù)，將角速率變化量，轉(zhuǎn)換成對比角速度變化量之對應(yīng)模擬訊號(或數(shù)字訊號)輸出。
內(nèi)嵌進階電源管理更省電
MEMS陀螺儀的制電路內(nèi)部可內(nèi)嵌進階電源管理功能，可在不需要動態(tài)傳感器功能的狀態(tài)下直接將MEMS傳感器整組關(guān)閉，或搭配系統(tǒng)的使用狀態(tài)區(qū)隔深度睡眠、一般睡眠與正常運作狀態(tài)，藉此達到MEMS陀螺儀最大幅度的節(jié)能效用，降低MEMS組件的驅(qū)動功耗。
通常MEMS組件的整合形式，會利用SiP系統(tǒng)級封裝的方式，將多個MEMS組件整合在同一個料件中，或?qū)EMS的微機電部分與應(yīng)用調(diào)節(jié)預(yù)處理的ASIC電路封裝在同一封裝體內(nèi)。一般來說，多軸的陀螺儀使用的系統(tǒng)封裝，使用SiP制作方式可以將多組陀螺儀內(nèi)置于同一組封裝中，封裝面積也僅有3x5mm2以下，其組件厚度僅需要1mm以下，多軸設(shè)計方案其動態(tài)軌跡追蹤精度將大幅提升，組件體積在硅制程改善下可維持微縮體積，未來應(yīng)用將持續(xù)增加。
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