可搭配觸控人機械面應用的MEMS動態感測元件設計方案

MEMS陀螺儀可讓行動裝置除了觸控人機介面應用外，增加更多操控應用延伸效益。

在使用者應用端，觸控式的人機介面確實造成相關應用的大改變，但實際的裝置應用中，尤其是面板尺寸相對較小的行動裝置設計，若能在操作機制與新興的加速度計進行整合，讓裝置本身的加速度感應也能參與人機介面開發，將可創造行動裝置更多應用樂趣...

在觸控技術大量導入行動裝置的同時，也出現一個常見的問題，即行動裝置本身的螢幕配置就相對小巧，能在畫面中置入的相關控制元素也相對有限，當消費性電子產品的操作應用出現不敷使用的狀況時，除了搭配實體機械式控制按鍵外，還有哪些人機介面的技術可以搭配使用？加速度計在MEMS微機電技術持續成熟的現況下，消費性電子產品搭配觸控操作以外的人機介面技術應用主流。

微機電系統(MEMS)在消費用品等級的慣性測量單元(IMU)元件，已有整合多軸運動感測、處理的技術，目前主流元件可以做到6軸或是更多、更精細的動作感測，這可提供多數設備用戶另一種操作人機械面選擇，尤其是針對手持式消費性電子產品開發的PND導航器與相關控制作業，提供一種更簡單、直覺式的使用者介面設計。

3維空間測量 輔助人機介面設計

MEMS的整合應用，可以從遊戲機產業大致了解重要的發展脈絡，例如，3大遊戲機品牌(Microsoft、Sony、Nintend)均針對最新的運動偵測人機介面，進行相關控制器與遊戲軟體的研發與應用，以Nintend來說，在其Wii MotionPlus配件即提供內含6軸運動感測機制的應用方案，而遊戲軟體開發商亦可在遊戲中整合6軸運動處理的運動感測機制，實現螢幕遊戲控制之於控制器的運動感測，達到接近1:1的動作追蹤與對應遊戲控制需求。

除遊戲產業嘗試利用多軸動作感測去達到全新的應用體驗外，Apple所發展的iOS Device系列產品，如iPhone、iPod Touch、iPad等，也嘗試整合3軸加速度感應器開發更多行動裝置的遊戲娛樂新嘗試。例如，早在iOS 3.0版即已導入3軸感測的SDK開發資源，以目前相關MEMS元件可以輕易達成6軸的感測應用，將可讓軟體開發者得以利用更高精確度、快速反應與高準確度的量測能力，去感測裝置於3D立體空間的絕對位置，以因應未來更精細的遊戲或是輔助操作應用。

MEMS的陀螺儀感測關鍵技術

能讓裝置可具備「運動」偵測處理能力的關鍵，就在於傳統用於量測絕對旋轉速率應用，根據根據柯氏加速度(Coriolis acceleration)理論，為在旋轉參考座標系中，所出現的加速度狀況將和旋轉的速度呈正比關係，因此可藉由振動中的陀螺儀於1個結構中的2個共振模間所產生的能量數值進行柯氏加速度的感測目的，藉此測得角速度數值。而作為振動調諧音叉陀螺儀設計中，通常必須包含1對振幅相等且方向對應相反的模組，當陀螺儀旋轉時，此時柯氏力會引起與之旋轉角速度成正比之正交振動力。

若要判定一個好的陀螺儀設計，可以觀察其應具備較高的柯氏加速度，同時在偵測的條件下，需得到較低的機械噪音與干擾，此外，晶片所嘗試放大的些微變化量倍數，必須以較高的靈敏度來降低輸出數值的噪訊影響。為校正加速度計可能產生的旋轉誤差，部分元件廠會採取整合磁力計，去改善陀螺儀的感測表現。

陀螺儀搭配加速度計 提供更完美的動作感測

為滿足終端用戶對於運動感測的功能應用需求，基本上必須採行3軸旋轉運動搭配3軸直線運動的裝置資訊，去重現裝置於空間的真實動作。但一般誤解手持系統想具備運動處理與偵測功能，只需導入陀螺儀或加速度計就能達成設計目的，即在陀螺儀或加速度間擇一選用即可？但事實是想準確描述裝置的旋轉與線性動態，裝置開發者必須藉由加速度整合陀螺儀的設計方案，才能兼具應用需求！若單純應用陀螺儀方案，會適用在需快速反應與高解析度的旋轉檢測用途，若單純以加速度計方案，則必須搭配固定重力參考座標系，但卻必須忽略可能的旋轉運動，或是接受旋轉運動的偵測精度較差的結果。

整合產品設計需考量的重要因素

其實，在追蹤傾斜與旋轉運動用途方面，加速度計的設計於設備不運動時，可提供更準確的加速度測量結果，但若有搭配陀螺儀，則可善用陀螺儀在動態時更精密的運動量測效果，提供高精度的量測數據，實現準確的旋轉測量應用。但在實際設計方案中，選擇元件仍需考量合適的運動感測處理方案，例如偵測範圍、反應的靈敏度、噪訊補償性能、交叉軸向的靈敏程度，與溫/濕度環境問題，甚至是機械性的加速度震動對產品可能造成的影響。

◎計時精確度要求/頻率相容性

陀螺儀角度數據，其實是由採樣頻率搭配所量測的角速度測量結果換算取得，此時同步計時的精確度將影響陀螺儀角度測量的精密度。另外，工程師必須確認陀螺儀的驅動元件在感測時不會與裝置的其它元件頻率干擾，以便減少感測器輸出的失真發生。基本上作業在5kHz以下、對聲音敏感的陀螺儀，是不能用於電視、收音機、警報器或有音訊的訊號源附近，整合設計時需考慮各種可能的干擾因素，才不致於犧牲該有的量測精度。

◎濾波方面的線路設計要求

實際的運動處理應用方案中，必須搭配濾波的功能設計，去減低雜訊或誤動作的影響。濾波技術可分成類比與數位2大方面，在類比訊號方面，由類比/數位轉換器(ADC)濾波器或電阻/電容RC電路即可完成濾波設計；在數位訊號方面，可於ADC之後利用數位訊號處理器進行改善。

◎同步處理運動數據設計

在可攜式的消費性電子裝置中，通常內建多種運動感測器已成一股趨勢！工程師在開發時必須確保各個感測器所取得的偵測數據，均是在收集時即確保為同步進行處理，這在一些採行多感測元件的設計方案中，是個相當困難的工作，但若改用整合型的MEMS元件方案，即可避免同步處理產生的訊號遞延誤差，同時採集多種感測器的偵測數據，實現更高的精確度。