改善動態感測體驗 MEMS陀螺儀感測器用量激增
- DIGITIMES企劃
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MEMS元件技術在微縮與晶片化製程呈現跳躍性進展，不只讓元件的感測能力精密度持續提升，在微縮製程助攻下，MEMS元件尺寸還越做越小，恰好符合行動裝置追求的輕、薄、短、小設計趨勢...
智慧型手機市場持續擴張，也令MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)元件市場需求未減反增，加上消費性電子產品的市場競爭越來越激烈，MEMS必須在元件上朝持續微縮、功能整合兩大方向持續強化元件功效，而為了達到新穎3C產品的設計目的，也成為MEMS不同業者展示產品競爭力的重要關鍵。
事實上，在3C產品上追加體感控制應用、與多元感測設計，已漸成智慧型行動裝置、智能家電的設計常態！而MEMS感測器的效能表現，已是消費電子實現創新應用不可或缺的關鍵零組件。近年來，不只是電視遊戲主機的體感控制器持續發燒，智慧型手機也必須搭載更多元的MEMS元件，來使產品整合更多元的應用價值，而自電視遊戲機、手機、筆記型電腦，甚至是白色家電，已有越來越多的消費電子產品開始使用低g加速計，實現了運動控制的使用者介面設計應用。
低g值加速度計MEMS產品 感測精度有限
在終端應用方面，低g值的加速度計MEMS產品，在因應基本型態的動作感測可以獲得不錯的使用效益，但實際上，低g值的加速度計在元件性能表現、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，會變成受限感測器的感應反應限制，而相對限制了體感應用設計的細節表現。
而直線型的加速度計MEMS，其實在晶片感測的能力受限架構設計，而使其表現在更高精密度的應用方案呈現限制，尤其在人機介面應用與互動設計方案中，必須使用支援多軸MEMS的陀螺儀(Gyro sensor)元件，同時搭配地磁感應計參照，來發揮高精度動態感測設計方案。
體感遊戲應用加溫 陀螺儀MEMS使用量激增
陀螺儀解決方案在元件用量越來越多、料件成本也持續壓低，Nintendo於2009年推出Wii Motion Plus控制器搖桿，利用追加MEMS陀螺儀設計方案，來補強原有體感遊戲控制器的感測精度，透過Motion Plus偵測體感搖桿的3D角速度變化量，帶動遊戲機導入陀螺儀MEMS元件銷售額成長近3倍！
另智慧型手機產品也跟上MEMS陀螺儀使用風潮，iPhone 4為全球第一支內建MEMS陀螺儀的智慧型手機，而針對智慧型手機應用方案供應陀螺儀MEMS元件的業者，包含STMicroelectronics、InvenSense、Analog Devices...等。
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數據，基本上陀螺儀的使用是用來補充MEMS加速計設計方案、提升動態感測精度的輔助強化元件，透過加速度感測搭配角速度的即時參照，可以讓作業系統獲得更精確的動作感測數據。
加速度計整合陀螺儀 整合使用提升應用價值
MEMS陀螺儀目前廣泛用在數位相機的電子防震設計、筆記型電腦的硬碟防摔落動態保護、3D空間滑鼠、數位電子羅盤、汽車的電子穩定控制(Electronic Stabilty Program；ESC/ESP)等系統設計之中，或是搭配自動控制系統、機器人控制手臂之動態平衡設計方案中。
有趣的是，目前多數以加速度計搭配陀螺儀通常經過整合設計、來建構可進行動態追蹤與捕捉3D空間的完整運動軌跡，而取得3D動態軌跡後，除可即時產生定位資料供用戶搭配系統操控之人機介面應用外，也可以提供更高精細度的動態數據，讓體感控制、動態感測的反饋操控表現更為細緻，讓系統提供更具現場感受的用戶使用體驗。
以現有的陀螺儀MEMS元件為例，MEMS陀螺儀(Gyroscope)又名角速度計，其實MEMS陀螺儀的核心元件，是一組經過矽製程的微加工機械組合，在矽結構設計上為參照一組如同音叉機制的運轉結構，其應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動導致的交變科里奧利力，至於振動的物體由柔軟之彈性結構懸掛於基座上，MEMS陀螺儀整體動力學系統，是由2D彈性阻尼系統整合，系統中的振動和轉動所產生的科里奧利力將角速度之能量轉移至傳感模式，角速率轉換為特定感應結構的直向位移，透過MEMS的結構進而取得變化量的感測資訊。
至於陀螺儀與加速計最大的不同是，陀螺儀的量測數據較偏向斜度、偏航等動態資訊，反而與重力、線性動作感測數據較無關，陀螺儀多在偵測物體水平改變狀態時較能達到效用，無法如加速度計對於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，即可讓動態感測系統同時具備直向速度與轉動數據的感測資訊，讓動態感測系統的偵測範圍更全面、完整。
在MEMS的節能設計方面，在系統毋須使用動態感測應用時，MEMS可以搭配關閉部分功能達到高效節能效用。例如，在陀螺儀設計方案中，可將陀螺儀的傳遞訊號與調節電路區分為馬達驅動部份、加速感測器感應電路兩大部份，馬達驅動部份為利用靜電驅動的原理令機械元件產生前？後振盪，產生感測過程所需的諧振作用，至於感應部份為利用量測系統電容變化量，來取得科里奧利力的數值變化，於對應感應質點上所生成的微弱位移數據，將角速率變化量，轉換成對比角速度變化量之對應類比訊號(或數位訊號)輸出。
利用內嵌進階電源管理 MEMS元件更省電
MEMS陀螺儀的制電路內部可內嵌進階電源管理功能，可在不需要動態感測器功能的狀態下直接將MEMS感測器整組關閉，或搭配系統的使用狀態區隔深度睡眠、一般睡眠與正常運作狀態，藉此達到陀螺儀MEMS最大幅度的節能效用，降低MEMS元件的驅動功耗。
通常MEMS元件的整合形式，會利用SiP系統級封裝的方式，將多個MEMS元件整合在同一個料件中，或將MEMS的微機電部分與應用調節預處理的ASIC電路封裝在同一封裝體內。一般來說，多軸的陀螺儀使用的系統封裝，使用SiP製作方式可以將多組陀螺儀內置於同一組封裝中，封裝面積也僅有3x5mm2以下，其元件厚度僅需要1mm以下，多軸設計方案其動態軌跡追蹤精度將大幅提升，元件體積在矽製程改善下可維持微縮體積，未來應用將持續增加。
