架構多軸慣性量測MEMS設計 簡化人機互動介面

高度整合的動態感測解決方案，可降低產品設計複雜度。EPSON

在消費性電子產品導入MEMS解決方案，利用如加速度計、陀螺儀、地磁計的微型機電整合方案，除可為消費性電子提供更多元的互動體感控制應用外，整合多軸慣性量測系統，亦可讓動態感測用於取代傳統觸控、選單等人機介面，將更加直覺與人性...

消費性電子產品，已經開始掀起導入MEMS元件風潮，因為MEMS元件如加速度計、陀螺儀等關鍵元件，可以輕鬆整合智能裝置建構如晃動產品就能下達操作指令的加值應用，尤其是取代(輔助)現有的設備人機操作介面，導入MEMS微機電解決方案，將可為消費性電子產品增添更多應用加值。

而改變產品設計的方向，除了微機電系統(MEMS)元件的應用效益是最主要的推力外，其實由多樣化MEMS整合的慣性量測系統(Inertial Measurement Unit；IMU)，可以透過更豐富的微機電元件整合，建構更完善的動態感應機制，進而為不易操控的消費性電子裝置，建構更多更簡單、更直覺的用戶使用介面、使用機制。

IMU慣性量測單元

IMU慣性測量單元可結合多軸運動處理技術，使用MEMS運動處理與感測，來實踐多軸控制感測系統的功能與感測元件整合。但要讓整合方案成型的重點在於，多軸感測需使用較多MEMS元件搭配ASIC進行功能整合與封裝，而在新的矽晶片製程加持下，MEMS功能得以更加精進、體積持續壓縮，也讓搭配新的系統級封裝來使IMU解決方案可達到成本更低、體積更小、性能更高的加乘效用。

對於早期整合IMU的產品來說，採行運動處理技術進而實現的動態感測螢幕遊戲控制應用，使用三軸的IMU整合遊戲控制器，已可針對用戶的搖桿運動具相當高的追蹤精度，三軸方案已可完成1:1的螢幕與動作追蹤需求。

而由電視遊戲機所建構的體感應用方案，在三軸應用中幾乎已經成為相關設計方案的效能標準，緊接著行動智慧裝置所導入的IMU方案，也開始朝向更高階的IMU等級設計方案前進。例如，Apple的iPhone就導入相當多的體感控制設計應用來改善行動裝置的操作複雜度，如以手機晃動來作為人機介面的操作「shake-to-undo」體感指令等，但新產品勢必會朝向整合更多軸向感測支援的應用方案，來達到更細緻的體感控制應用支援。

多軸感測可以強化動態感測精度

在手持式智能裝置中，若可以在系統IMU搭載六軸的運動處理技術，這將可以讓行動裝置的系統端的裝置動態感應精確度大幅提升，在第三方軟體開發商方面，將可使用更高精度的環境、動態感應資料進行更高精度的裝置狀態感測。例如，進行如智慧型行動裝置的3D空間即時測量，架構如AR虛擬實境的應用基礎，甚至將進階感測應用進一步整合遊戲、娛樂軟體，提升MEMS的應用附加價值。

尤其是在人機介面的設計應用案例中，早期滑鼠之於鍵盤，或是滑鼠增設滾輪鍵的設計方案，均以「人機介面」的設計應用改善，引發IT業界在相關應用與設計上的重大變革。而以MEMS微機電技術架構的IMU系統，也如同滑鼠與滾輪鍵的革命性設計方案，目前已經是人機介面的應用熱門技術，未來更是整合新穎產品設計的必用技術方案。

一般低階的體感應用系統，可能僅用簡單的加速度計已可建構基本應用，進行如晃動、搖動等動作操作指令感測，但實際上加速度計僅可應付簡單的方向性動作感測，或是相當基本的傾斜角度感測，這用在如數位相機的對焦穩定設計方案中，可能略可改善系統設計，但IMU系統中若可以追加陀螺儀MEMS整合，將可在除了提供直向性的加速度運動資訊外，額外整合出更精密的動態感應數據，透過參照相對高精度的感測數據，以IMU資訊為基礎的體感人機介面設計，才能真實發揮提供更直覺的操作型態效用。

利用陀螺儀降低動態感測誤差

同時，IMU光是靠加速度計等MEMS元件整合可能還不夠，為了改善IMU的輸出誤差，通常也會在封裝中追加地磁感應(磁力計感測器)，來改善加速度計的旋轉誤差，但地磁感應仍有改善精度的限制，因為過快的旋轉動作可能地磁感應器會來不及反應，同時，設備若在具磁性的設備或零組件(如揚聲器)旁時，也會造成地磁感應的數據出現偏差，若要使IMU的旋轉誤差達到最低、不受磁力、重力與延遲影響，最好的整合選擇仍是以陀螺儀MEMS為最佳。

為建構3D環境的最基本運動資訊，使用三軸方案可以說是達到環境運動軌跡的最低標準，一般需要有三軸直線運動測量、搭配三軸旋轉運動測量。對開發者而言，陀螺儀方案可以快速掌握高解析度的旋轉方向感測，而加速度計為具固定軌跡、高效能重力參考座標參照，或是傾斜運動感測，而要做高度自由度的動態感測，系統必須具備直向、旋轉運動同時進行偵測，即結合加速度計與陀螺儀的併用解決方案。

至於為開發中的消費性電子產品，選擇合宜的IMU系統，必須審慎分析多個重點要素，包含設備的應用範圍、裝置對動態感測的靈敏度要求、系統補償性能、噪訊處理、溫度？濕度？震動等各方面因素，對於終端設計產品的影響，都需要一一考量。而在多數開發方案中，系統工程師在建構IMU時，第一個需要面臨的選擇即要決定，使用不同廠商的加速度計、陀螺儀元件？還是使用整合的應用方案？基本上前者或是後者都有不同的好處與設計挑戰。

利用高度整合方案 降低零件佔位面積

基本上自行架構IMU所需的加速度計、陀螺儀，是可以自行針對裝置設計做最佳化調校，但基本上在消費性電子產品體積越做越小，可使用的載板空間相當有限，使用獨立元件方案在載板空間過於緊密下，並不容易辦到，而且多元件系統方案也會造成元件耗能較高，況且分離式的設計型態，不只是電路板的設計會趨複雜，也會讓日後量產產品的料件表複雜化。

而離散式設計對於產品終端，除了成本、佔位面積、整合難度外，開發者還要自行架構動態系統的對外數據介面，甚至還要搞定運動軌跡的整合防呆設計，雖然在部分具較多開發資源的系統平台，可利用現成的開發資源來整合硬體設計，但若終端設計產品無較普及的系統核心，那開發過程可能必須在架構感測系統上投入過多成本。

至於使用高度整合的IMU方案，由於加速度計、陀螺儀已經採SiP系統整合於單一元件，對於載板的佔位面積較小，加上SiP封裝中同時也利用ASIC預先處理加速度計、陀螺儀的感測數據，故可利用解決方案中的ASIC預先處理、濾除雜訊等，對硬體與系統開發人員來說，可以更專注處理開發需求。

但整合型應用方案的單位成本較高，若在用量有達經濟規模時，方可可將單位零件的成本壓低。且因為整合型設計方案為利用SiP封裝，設計開發時較易受限原有功能設計方案的限制，因此若選擇整合型的應用方案，對於日後的升級彈性，或許在同廠牌的應用解決方案可以找到pin-to-pin的直接升級解決方案、進行設計方案的感測精度升級，但對於要換用不同的解決方案時，就可能沒這麼容易，在終端設計需要更動的地方會較多。

以目前產品開發趨勢，多數的終端產品大多會選擇整合型的應用方案為主，一方面是產品可用的主機板空間限制越來越高，設計方案往往必須利用SoC來減少使用的零組件數量，除非是無法整合的類比元件，否則多數都會以高度整合的應用方案為主要選項。而整合型的動態感測方案，只要在設計之初先定義好所需的動態感應精度，多數可以在現成的應用方案找到對應的選項。