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多軸動作感應系統的技術與應用
上海展峻自动化有限公司 angela 制做
前言：多軸動作感應技術並不是什麼新奇的玩意，早在多年之前，二軸動作感應器已經被廣泛應用在汽車電子領域中，而三軸動作感應器則是已經應用在高階筆記型電腦，擔任硬碟防震與資料保護的作用，並且也被數位相機大廠採用作為防手震系統的基礎技術之一。

圖說：高階數位相機中，鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震，效果較光學式防手震為佳。
至於在目前最火熱的次世代主機話題中，三軸感應技術就分別擔當了Wii與PS3這兩大主角的控制應用方式，進而提供了玩家更為多變的操控方式。除此之外，作為狀態識別也是此類動作感應技術的主流發展方向。比如說目前就已經有多家廠商研究在手機之中加入動作感應技術，並藉由解讀使用者的動作來進行不同工能的實現。雖然在電腦上，此類的概念已經被廣泛的應用於網路瀏覽器的手勢辨識等，藉由特定動作來下達各種不同的指令，這項功能的加入，也可望為陷入窠臼手機發展帶來不同的想像空間以及市場客群。

圖說：Wii內建了三軸加速計，可偵測傾斜動作以及加速動作。（資料來源：任天堂）
多樣化的應用方式
除了作為輸入指令的另一種方式以外，國外也有使用動作感應技術來識別產品使用者的身份，其理論基礎為每個人的走路方式與步伐節奏都各有不同，甚至可以如同指紋一般具有獨特姓，因此使用內建此技術的產品時（例如說手機），只要硬體偵測到特定時期的步伐動作有所改變，便會自動鎖定，避免被非法使用，雖然開發者可能沒想到萬一腳受傷或者是路況改變可能會帶來的麻煩，不過動作感應來作為安全管理的概念若是能夠發揚光大，那會是相當有趣的一件事（想像一下，要使用手機前必須先拿著手機擺出假面騎士的動作，手機才會解鎖…..）。
除了以上這些已經或將來會出現的應用以外，動作感應技術也被普遍使用於商業、醫療設備以及安全管理等不同的領域。而在技術提供廠商方面，競爭也顯得相當激烈，除了ADI、Freescale以及STMicroelectronics等知名大廠以外，Bosch Sensortec、Kionix、HitachiMetals、OkiElectric等公司也都相繼投入這塊市場，2006年在市場上已經有超過10家公司提供具備動作感應技術的晶片產品，動作感應一時之間變成了兵家的必爭之地。
動作感應技術的架構與應用
動作感應技術基本上是加速度計的應用方式之一，以目前的技術來說，微機電（Micro Electro Mechanical Systems；MEMS）方式設計的加速度計是主流的架構。MEMS加速度計還可搭配陀螺儀架構成慣性量測系統，雖然最初是由導彈控制、機器人等軍事或非軍事系統所採用，但後來隨著系統的成熟與穩定，這樣的技術也逐漸流入普通消費市場，從車輛的安全器囊感測器、傾斜感測器以及防鎖死系統等等，已經成為目前最為主流的應用。而隨著3C產業的發達，慣性量測系統也逐漸的被大量應用，比如說投影機的畫面自動回饋補正功能（Autokeystone Correction）、智慧型手機的電子羅盤補正（3D Compass）以及個人追跡系統（Person Tracking Unit）等等。不用說，最熱門的自然是當前的次世代主機中所用到的體感控制方式，在這方面可分為加速度計與陀螺儀兩大類。
隨著MEMS技術的發展，加速度計成為動作感測元件中最熱門的一環。加速度計是基於牛頓第二理論基礎之下的應用技術，根據機本的物理原則，處在一個系統內部，速度是無法進行測量的，不過其加速度卻可以測量出來。如果初速度已知，那麼可以通過積分計算出線性速度，進而可以計算出直線位移。如果結合陀螺儀（用來測角速度），還可以進一步對物體進行精確定位。根據此一原理，人們很早就利用加速度計和陀螺進行輪船，飛機和太空梭的導航，近年來，這項技術更是普遍用於汽車的自動駕駛和導彈的導航。而就如前文所提到的，汽車工業的迅速發展又給加速度計找到了新的應用方向，並且逐漸擴及至其他領域。
■加速度計的技術與沿革
圖說：加速度計晶片圖。（資料來源：Silicondesigns）
加速度計的工作原理其實相當簡單：當加速度計連同外界物體（該物體的加速度就是待測的加速度）受到外力一起進行加速運動時，慣性質量就受到慣性力的作用向相反的方向運動。而慣性質量發生的位移將會受到彈簧和阻尼器的限制，這兩者之間的關系相當密切，當外界加速度固定時，慣性質量將會具有確定的位移，而外界加速度變化時（只要變化不是很快），慣性質量的位移也發生相應的變化。另一方面，當慣性質量發生位移時，感應器之間的電容就會發生相應的變化；如果測得感應器輸出電壓的變化，就等同於測得了慣性質量的位移。因此透過輸出電壓的感測就能得知外界的加速度。
傳統的加速度計包括了壓阻式、壓電式、電容式和光學式等，且多為單軸向力量測加速度計；在多軸向力量測方面，大多是應變計與壓阻式感測器設計，架構上多為十字形結構設計，對於應變計式的多軸向加速度計來說，需使用為數相當多的應變計，一般體積皆過於偏大，於接觸式加速度計而言其接觸面常與元件面同為同一面，易造成表面污染與破壞。對於多軸向力的量測，靠單一方向的感測器已不敷所需，若使用多個感測器量測將增加系統誤差與量測成本。因此，採用矽製程的MEMS微機械加速度計就成了目前流行的解決方案。
利用矽製程技術，設計接觸式與非接觸式多軸向力微感測器，將數量不等的壓電微感測結構設計於單一晶片上，利用壓電元件在薄膜上的位置分佈與薄膜的結構設計，來量測不同軸向的訊息，以構成具備小體積的多向力微機械加速度計，改變以往單向的訊號量測以及體積過大的缺點，並可增加量測精準度與節省量測成本，對於一般接觸面與元件線路面為同一面之設計亦逐步做出改良，有效避免感測面受污染與降低連線受接觸性機械破壞，進而大幅提高感測器使用壽命。
傳統指插電容式偵測結構加速度計
過去在汽車電子應用最廣泛的是指插電容式偵測結構（Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer）。當指叉式結構承受到加速度時，中間的慣性質量（Proof Mass）將拉深及壓縮分置於兩側的平衡扭動結構（Tether），此時連結於慣性質量的指叉電極，與兩側固定電極之間的間隙將隨加速度產生變化，從而造成電容量的改變，將加速度的感應，轉化成電訊號輸出。
不過這樣的設計有其缺陷，那就是在高加速度衝擊之下，慣性質量很有可能會與固定電極碰觸，產生黏著現象，而使得加速感測元件失效。而另一個問題則是，由電容來判定加速度的話，可能會造成傳輸訊號極有可能會受到線路寄生電容的影響而影響到元件可靠度，因此在設計時必需要縮短與訊號處理系統之間的接線長度。而封裝時元件中留存的氣體，可能會因為工作溫度的改變，使得結構產生變形，造成輸出的數值不穩定。熱對流式加速度計
圖說：ADI的ADXL330三軸加速度計是標準的熱對流感應加速計。（資料來源：ADI）
熱對流式加速度計是基於單晶片 CMOS製程的完整的加速度量測系統。它是以可移動的熱對流氣團作為慣性質量，通過測量由加速度引起的矽槽內氣團位置的變化來測量加速度。這與傳統的實體慣性質量相比具有很大的優勢，由於不存在電容式架構的黏著、易受工作溫度影響等問題，同時能抵抗高達50,000G 的衝擊力量。這使得熱對流式加速度計的良品率大大提高，從而有效降低生產成本。此外，無實體慣性質量的設計，也能有助於降低故障率的發生。
熱對流式加速度計的結構其實相對簡單，晶片內部深蝕刻出凹槽，稱為矽槽（cavity），內部的空間充填氣體，並且利用多晶矽沈積出Cross Bar的結構，懸臂四周布置由鋁和矽所結合而成的溫度感應器，並且將矽槽密封。當Cross Bar被加熱時，矽槽內部便會形成溫度梯度場，也就是熱氣團，這個熱氣團將會懸浮在矽槽的正中央。當加速計靜止時，熱氣團也呈現均勻分布的靜止狀態，四周Cross Bar附近的溫度感應器將會接收到對稱的溫度分布。而當加速計感應到加速時，熱氣團將會往移動相反方向偏移，矽槽內的溫度平衡就會破壞，因此溫度感應器的輸出電壓就會產生變化。
熱對流式加速規設計重點在於平衡密閉空間中氣體因密度差造成之浮力與氣體之黏滯力，否則將因熱對流擴散，而使密閉空間中氣體在懸臂加熱時迅速達到熱平衡，而使分布之溫度感應器無法分辨訊號，理想氣體的假設下，密閉氣體壓力與其密度成正比，因此可藉由提高氣體壓力，使元件能偵測到更低之加速度，從而提高元件靈敏度。
依熱對流式加速度計的工作原理，晶片內部元件無任何可動部件的結構，因此其耐衝擊性相對其他傳統結構來說，要來的較強，理論上最高可達50,000g，遠超過指叉式結構之加速度計；由於採用非電容式感測結構，因此也沒有寄生電容耦合之干擾；至於在元件靈敏度、解析度及其噪音位準方面，則與指叉式結構均相當。而在響應頻率上，由於熱對流式感應原理，利用氣體密度差作為撓性阻尼，而指叉式感應結構則是由金屬結構構成的撓型阻尼，其剛性較大，因此其響應頻率差別極大，此為熱對流式加速度計性能較為弱勢之處。
■陀螺儀的技術概觀
圖說：360度陀螺儀架構圖。（資料來源：ADI）
陀螺儀是一種角度或角速度感測元件，用以量測載具的姿態與方向，是穩定控 制、 慣性導引與姿態量測重要元件，目前在包含衛星、飛機、 艦、船與車輛被廣泛的使用。陀螺儀的主類可以概分為轉子式陀螺儀、光學式陀螺儀以及振動陀螺儀，其中振動陀螺儀構造簡單，是藉著結構元件的振動來感測角速度，由於是以元件振動方式感測，故無轉子式陀螺儀的啟動時間限制、耗能與軸承損耗等缺點。另外在微加工技術日益進步的今日，振動陀螺儀也因為構造簡單而成為微機械應用的主要對象之一。
振動陀螺儀係一應用科氏力效應感測角速度的陀螺儀，因其以結構體之共振模態驅動，故其耗能極低，可瞬時起動。又因其無旋轉元件故避掉軸承磨耗及運轉壽命限制，且可利用微機電加工將其製成微小元件。振動陀螺儀雖有各式各樣不同類型，然均具振子、支撐、驅動、感測及外殼等機構。
雖然陀螺儀乍看之下與加速器是處於互相競爭的局面，而加速器已經逐漸普及於3C應用產品中，陀螺儀氣勢顯得稍弱，但是陀螺儀也可以與加速計合併使用，在PS3與Wii中，便都是這種混合架構，因此兩者的控制器都同樣可以進行加速度感測以及傾斜角度感測等不同操控動作，合併式的設計可以提供更全面的操控應用體驗。
各大廠針對動作感測市場的解決方案
ADI的iMEMS架構成功的把熱對流式加速計MEMS單元與外圍電路整合為單一晶片，依此技術開發出來的ADXL330具備有功耗低、封裝小以及極為強大的抗衝擊能力，而其採用的BiCMOS製程技術，也能確保高產量與低成本可以兼具。而因其技術優勢，任天堂也採用ADI公司的MEMS加速計技術，作為Wii主機的動態感應控制器核心。
而從2001年開始涉足加速計市場的Freescale公司，其產品封裝尺寸非常小，因此只需較小的板卡空間便可安置，另外還提供快速啟動和休眠模式，非常適用於需要電池供電的行動設備，因此Freescale公司將MP3、手機等應用作為目標市場，不過汽車電子也是其注重目標之一。韓國三星公司業已推出多款相關行動多媒體產品。至於STMicroelectronics公司所推出的產品，則是以低功耗、高解析度為訴求，並針對硬碟保護機制與運動感測裝置等市場應用著手。
Melexix公司所推出的Triaxis技術，可進行360度非接觸式偵測以及可程式化的應用，依此技術所開出來的晶片產品可應用於汽車電子與工業應用中關於角度定位的諸多工作。諸如加速器、剎車踏板的定位、油門/方向盤定位感冊、高度感測、水面感測、非接觸性電位計以及馬達定位等等。Triaxis技術結合了汽車混合信號CMOS技術以及瑞士Sentron公司的Integrated?Magneto-Concentrator?（IMC)技術，具備了高精確度，並且可衡量傳統霍爾技術所不易察覺的IC表面並行磁場效應，並能有效微縮晶片面積，進一步加大產量並降低成本。
廣泛應用造就動作感測器需求加劇
消費性電子、通訊電子產品，如手機、PDA、MP3、PMP、行動DVD、數位相機、筆記型電腦等必須具備一定的抗衝擊或抗跌落能力。製造商要求其產品必須通過1.2或1.3公尺的自由掉落測試，從1.2m自由跌落至大理石地面將對機器產生大約50,000g的衝擊力。如果除去外殼和印刷電路板的緩衝作用，施加到加速度計上的衝擊加速度也將超過5,000g。

圖說：內建加速度計的ECU肩負著汽車安全氣囊的觸動。（資料來源：Infineon）
為了抵禦這種強大的衝擊力道，製造商要求產品設計師在產品中設計緩衝系統，並且採用多軸加速度計偵測掉落時的加速度，當發現突發的加速度時，系統便會根據加速度計所傳來的資訊，在第一時間關閉不耐震的電子元件的電源，避免在與地面接觸時該電子元件仍持續運轉，造成更大的實體傷害，這些不耐震的電子元件包含了如高速旋轉的硬碟機、光碟機等具有可動部分的元件。

圖說：加速計在筆記型電腦中的線路設計。（資料來源：www.hope.com.tw）
加速度計在手機上的應用將會成為手機新增功能的潮流，如應用它能感知手機的左右搖晃，並可通過MCU控制手機上的LED發光次序，在搖晃的瞬間，便會出現由光點組成的文字，即所謂「閃訊」功能，藉由揮動手機，便可在空中顯示出使用者自行編輯的文字。 對流式加速度計還可用於手持設備中的遙控器、手持操縱器的左／右、前／後方向（或加／減速）的控制，或在手持產品中加入計步器功能，或幫助照相手機、數位相機、PMP的LCD／TFT顯示螢幕圖像自動修正。並能檢測手持設備的振動／晃動幅度，當振動／晃動幅度過大時，則會利用馬達對鏡頭進行微動調整，以補償手晃動的影響，實現防手震拍照。
至於在流行的GPS導航系統中，加入了動作感測元件，便可以在無訊號的地區利用動作感應偵測移動的距離，進而計算出在地圖上相對應的位址，這對於在高樓大廈林立之處，或者是深山隧道中有著相當大的幫助，使用導航裝置時，也不會因為收不到訊號而直接給個錯誤訊息便撒手不理。

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