中心議題：

• 商業化MEMS加速計和陀螺儀通過5種類型的運動感測來改變眾多不同範圍的終端產品的方法

解決方案：

• 加速感測用於功率管理
• 震動感測用於監控和節能
• 傾斜感測用於高精度應用
• 旋轉感測用於陀螺儀和IMU

雖然MEMS(微電子機械係統)技術被用於安全氣囊和汽車壓力傳感器領域已有二十年左右，但卻是任天堂Wii和蘋果iPhone的熱銷使人們更廣泛地了解慣性傳感器的用途，這些產品使用了基於運動感測技術的用戶界麵。

盡jin管guan如ru此ci，在zai一yi定ding程cheng度du上shang業ye界jie的de觀guan念nian仍reng停ting留liu在zai慣guan性xing傳chuan感gan器qi主zhu要yao是shi用yong於yu終zhong端duan產chan品pin檢jian測ce加jia速su度du和he減jian速su度du的de應ying用yong。從cong純chun粹cui的de科ke學xue角jiao度du來lai看kan，這zhe種zhong說shuo法fa完wan全quan正zheng確que，但dan這zhe樣yang的de觀guan點dian卻que忽hu略lve了le許xu多duoMEMS加速計和陀螺儀的擴展應用
，包括在醫療設備、工業設備
、消費電子產品和汽車電子等領域。

五種運動感測模式中，每一種模式都將極大地超越當前大批量MEMS的應用。這五種模式分別是：加速(包括平移運動，如位置和方向的改變)，震動，衝擊
，傾斜，旋轉。

例(li)如(ru)，一(yi)個(ge)帶(dai)運(yun)動(dong)檢(jian)測(ce)的(de)加(jia)速(su)計(ji)在(zai)設(she)備(bei)沒(mei)有(you)受(shou)到(dao)外(wai)界(jie)移(yi)動(dong)或(huo)震(zhen)動(dong)時(shi)將(jiang)其(qi)界(jie)定(ding)為(wei)非(fei)激(ji)活(huo)狀(zhuang)態(tai)，並(bing)指(zhi)示(shi)設(she)備(bei)進(jin)入(ru)最(zui)低(di)功(gong)耗(hao)模(mo)式(shi)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)功(gong)率(lv)管(guan)理(li)。複(fu)雜(za)的(de)控(kong)製(zhi)機(ji)構(gou)和(he)物(wu)理(li)按(an)鈕(niu)被(bei)手(shou)勢(shi)識(shi)別(bie)接(jie)口(kou)替(ti)代(dai)，而(er)它(ta)是(shi)通(tong)過(guo)手(shou)指(zhi)點(dian)擊(ji)來(lai)控(kong)製(zhi)。在(zai)其(qi)它(ta)使(shi)用(yong)案(an)例(li)中(zhong)，終(zhong)端(duan)產(chan)品(pin)的(de)操(cao)作(zuo)變(bian)得(de)更(geng)精(jing)確(que)，例(li)如(ru)，對(dui)用(yong)戶(hu)手(shou)中(zhong)的(de)指(zhi)南(nan)針(zhen)進(jin)行(xing)傾(qing)斜(xie)角(jiao)度(du)補(bu)償(chang)。

本文介紹了一些應用案例，分享先進的商業化MEMS加速計和陀螺儀通過5種類型的運動感測來改變眾多不同範圍的終端產品的方法。

運動感測和MEMS介紹



加速、震動
、衝擊、傾斜和旋轉——除chu了le旋xuan轉zhuan外wai
，其qi它ta四si種zhong運yun動dong實shi事shi上shang都dou是shi加jia速su度du在zai不bu同tong時shi間jian段duan的de表biao現xian。然ran而er

，我wo們men人ren類lei是shi無wu法fa靠kao直zhi覺jiao來lai做zuo出chu運yun動dong狀zhuang態tai的de判pan斷duan，例li如ru震zhen動dong是shi加jia速su還hai是shi減jian速su。分fen別bie地di考kao慮lv每mei一yi種zhong模mo式shi可ke以yi幫bang助zhu我wo們men想xiang出chu更geng多duo可ke能neng的de應ying用yong。

加速度(包括平移運動)是測量在單位時間內的速度變化。速度以米/秒(m/s)來表示
，並且同時包括位移速率和運動方向。因此
，加速度就以米/秒2(m/s2)來表示。加速度有時候會是負值——如司機踩刹車時車速變慢，這時也被稱作減速度。

現xian在zai來lai考kao慮lv加jia速su度du在zai不bu同tong時shi間jian段duan的de表biao現xian。震zhen動dong可ke被bei認ren為wei是shi迅xun速su且qie周zhou期qi性xing發fa生sheng的de加jia速su和he減jian速su運yun動dong。類lei似si的de
，衝chong擊ji則ze是shi瞬shun間jian發fa生sheng的de加jia速su，但dan是shi不bu同tong於yu震zhen動dong，衝chong擊ji是shi一yi種zhong非fei周zhou期qi性xing運yun動dong，一yi般ban隻zhi發fa生sheng一yi次ci。

我(wo)們(men)把(ba)時(shi)間(jian)再(zai)延(yan)長(chang)一(yi)些(xie)。當(dang)對(dui)象(xiang)被(bei)移(yi)動(dong)而(er)改(gai)變(bian)傾(qing)斜(xie)度(du)或(huo)偏(pian)角(jiao)時(shi)，與(yu)重(zhong)力(li)相(xiang)關(guan)的(de)一(yi)些(xie)位(wei)置(zhi)變(bian)化(hua)被(bei)牽(qian)扯(che)進(jin)來(lai)。與(yu)震(zhen)動(dong)和(he)衝(chong)擊(ji)相(xiang)比(bi)，傾(qing)斜(xie)運(yun)動(dong)的(de)發(fa)生(sheng)往(wang)往(wang)相(xiang)當(dang)緩(huan)慢(man)。

由於前四種模式的運動感測各自都與加速度有某種關係，它們可通過“g力”(地球引力)來測量

，g是萬有引力對地球上物體產生的單位力(1g等於9.8m/s2。)。MEMS加速計通過測量重力對加速計軸的作用力來檢測傾斜度。以3軸加速計為例，三個不同的輸出分別測量運動的X
、Y和Z軸加速度。

時下占市場最大份額的加速計使用差分電容測量g力，接著g力被轉換成電壓或數據位(數字輸出加速計應用)
，最後被傳遞到微處理器上以便執行某種行為。近來在技術上取得的進步，使業界能製造出低g和高g感測範圍的微型MEMS加速計
，且比以往產品的帶寬更高
，從而大大增加了潛在應用領域。低g感測範圍是指低於20g
，這可以涉及到人類能產生的運動。高g則用於感測與機器或交通工具有關的運動—也就是人類沒法產生的運動。

以上我們討論的僅是線性速率運動，運動類型包括加速、震動、chongjiheqingxie。xuanzhuanzeshiyizhongjiaosulvyundongdeceliang，tabutongyuqitayundongmoshi，zheshiyinweixuanzhuanyundongkenengbubanyoujiasududebianhua。weilelijiexuanzhuandegongzuoyuanli，womenxiangxiangyige3軸慣性傳感器：假定傳感器的X和Y軸與地球表麵是平行的，Z軸指向地心。在這個位置，Z軸測得的作用力為1g，而X和Y軸則為0g。現在轉動傳感器使其運動僅與Z軸相關。X和Y平麵在轉動，繼續測得0g
，同時Z軸仍然為1g。

MEMStuoluoyibeiyongyugancezhezhongxuanzhuanyundong。youyumouxiezhongduanchanpinchuleceliangqitaleixingdeyundongwaihaibixuceliangxuanzhuanyundong
，tuoluoyikebeijichengzaiyigeneiqianduozhoutuoluoyiheduozhoujiasujideIMU(慣性測量單元)中。

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加速感測用於功率管理

在早期，加速度感測技術被用於檢測運動和位置變化。利用MEMSjiasujikeyigancedaoshebeibeinaqihuofangxia
，dangjiancedaozheliangzhongdongzuoshijiukeyifachuyigezhongduanxinhaolaizidongkongzhidianyuandekaiheguangongneng。butongdegongnengzuhekebeibaochizaijihuozhuangtai，huozhebeizhiyudigonghaozhuangtai。duiyonghulaishuo
，zhezhongyouyundongjiancekongzhidekai/guangongnengshishouhuanyingde，yinweitabimianleyonghudezhongfudongzuo。lingwai
，tamenshixianlegonglvguanli，nengshishebeizaixiacichongdianhuogenghuandianchizhiqianyougengchangdeshiyongshijian。daibeiguangLCD的智能遙控器是眾多可能的應用之一。

另ling一yi種zhong使shi用yong加jia速su計ji來lai感gan測ce運yun動dong和he產chan生sheng中zhong斷duan信xin號hao的de應ying用yong
，則ze是shi用yong於yu軍jun事shi或huo公gong共gong安an全quan人ren員yuan的de無wu線xian通tong信xin設she備bei。為wei保bao證zheng通tong信xin的de安an全quan，當dang該gai設she備bei被bei使shi用yong者zhe卸xie下xia或huo放fang起qi來lai後hou，下xia次ci使shi用yong前qian必bi須xu再zai次ci進jin行xing身shen份fen認ren證zheng。對dui便bian攜xie或huo小xiao外wai形xing的de設she計ji來lai說shuo，上shang麵mian這zhe些xie應ying用yong需xu要yao采cai用yong隻zhi需xu要yao很hen小xiao電dian流liu的de加jia速su度du計ji，最zui多duo幾ji個ge微wei安an(µA)就夠了。

運動感測的另一種應用是在醫療設備中，例如自動外部除顫器(AED)。典型地AED被設計用來產生一次震動以使病人的心髒重新跳動。當失敗時
，必須進行徒手心肺複蘇(CPR)。一位經驗不足的救助者也許沒有用到足夠大的力壓病人胸口以獲得有效CPR。在AED接觸胸部的墊子內嵌入加速計


，就可通過測量墊子移動的距離來告訴救助者適當壓力的大小。

震動感測用於監控和節能

震動的輕微變化可以用於了解軸承磨損、機械部件未對準以及包括工業設備在內的其它機械問題。具有很高帶寬的小型MEMS加速計是監控馬達、風feng扇shan和he壓ya縮suo機ji內nei震zhen動dong的de理li想xiang產chan品pin。如ru果guo能neng夠gou進jin行xing預yu測ce性xing的de維wei護hu，可ke以yi使shi製zhi造zao廠chang商shang避bi免mian損sun壞huai昂ang貴gui的de設she備bei，以yi及ji避bi免mian那na些xie可ke能neng導dao致zhi降jiang低di生sheng產chan效xiao率lv的de代dai價jia高gao昂ang的de故gu障zhang。

測ce量liang設she備bei的de震zhen動dong變bian化hua也ye可ke用yong於yu檢jian測ce機ji械xie是shi否fou被bei設she置zhi在zai高gao能neng效xiao的de工gong作zuo方fang式shi。如ru果guo不bu加jia以yi校xiao正zheng，低di能neng效xiao的de運yun轉zhuan可ke能neng會hui損sun害hai公gong司si的de綠lv色se製zhi造zao計ji劃hua
，使shi得de電dian費fei飆biao升sheng，甚shen至zhi最zui終zhong還hai會hui導dao致zhi設she備bei損sun壞huai。

衝擊感測用於手勢識別及更多其它應用

在許多筆記本電腦中都能看到的磁盤驅動器保護裝置是目前眾多衝擊感測應用中使用最廣泛的一種。加速計檢測微小的g力，從而判別出筆記本是放下還是跌落
，g力(li)的(de)變(bian)化(hua)是(shi)衝(chong)擊(ji)事(shi)件(jian)的(de)發(fa)生(sheng)前(qian)兆(zhao)，其(qi)後(hou)果(guo)可(ke)能(neng)就(jiu)是(shi)筆(bi)記(ji)本(ben)撞(zhuang)向(xiang)地(di)板(ban)。在(zai)檢(jian)測(ce)到(dao)跌(die)落(luo)狀(zhuang)態(tai)後(hou)的(de)數(shu)毫(hao)秒(miao)之(zhi)內(nei)

，係(xi)統(tong)指(zhi)示(shi)硬(ying)盤(pan)讀(du)寫(xie)頭(tou)歸(gui)位(wei)。在(zai)撞(zhuang)擊(ji)期(qi)間(jian)，讀(du)寫(xie)頭(tou)的(de)歸(gui)位(wei)能(neng)中(zhong)止(zhi)與(yu)磁(ci)盤(pan)的(de)接(jie)觸(chu)
，從(cong)而(er)預(yu)防(fang)硬(ying)盤(pan)損(sun)壞(huai)和(he)避(bi)免(mian)數(shu)據(ju)損(sun)失(shi)。

手勢識別接口是這種類型慣性感測的一種有大好前景的新應用。采用預先定義的手勢(例如點擊/雙擊或晃動)
，用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)激(ji)活(huo)不(bu)同(tong)功(gong)能(neng)或(huo)調(tiao)整(zheng)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)。手(shou)勢(shi)識(shi)別(bie)使(shi)那(na)些(xie)物(wu)理(li)按(an)鈕(niu)和(he)開(kai)關(guan)難(nan)以(yi)操(cao)作(zuo)的(de)設(she)備(bei)更(geng)便(bian)於(yu)使(shi)用(yong)。無(wu)按(an)鈕(niu)設(she)計(ji)能(neng)減(jian)少(shao)總(zong)的(de)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)，還(hai)能(neng)提(ti)高(gao)終(zhong)端(duan)產(chan)品(pin)的(de)耐(nai)用(yong)性(xing)，如(ru)水(shui)下(xia)照(zhao)相(xiang)機(ji)

，如(ru)果(guo)采(cai)用(yong)物(wu)理(li)按(an)鈕(niu)會(hui)導(dao)致(zhi)水(shui)從(cong)按(an)鈕(niu)周(zhou)圍(wei)縫(feng)隙(xi)滲(shen)入(ru)照(zhao)相(xiang)機(ji)機(ji)身(shen)。

小外形消費電子產品隻是基於加速計的手勢識別技術能大顯身手的一種應用領域。由於MEMS加速計極小的尺寸和低功率
，利用MEMS加速計的點擊接口能夠成為穿戴式和可植入醫療設備(如藥物傳輸泵和助聽器)的絕佳選擇。

傾斜感測用於高精度應用

qingxiegancezaishoushishibiejiekouyingyonglingyuyeyoujudaqianli。liru，zaijianzhuhuogongyejianzhashebeidengyingyongzhong
，yexurenmengengqingxiangyudanshoucaozuo。lingyizhimeiyoucaozuoshebeideshoukeyitengchulaikongzhitonghuocaozuoyuanzhanlidepingtai，huozhechuyuanquankaolvzhuazhushengsuo。caozuoyuankeyijiandanxuanzhuantanzhenhuoshebeilaitiaozhengtadeshezhi。

在這種情況下，3軸加速計可以像感測傾斜度那樣感測出“旋轉度”：在存在重力的狀態下測量傾斜的低速變化、檢測重力矢量的變化，以及確定方向是順時針還是逆時針。傾斜檢測也可以與點擊(衝擊)識別結合使用，以便操作員能以單手控製設備的更多功能。

設備的位置補償是傾斜測量的另一重大應用領域。以GPS(全球定位係統)或移動電話中的電子指南針為例，有一個眾所周知的難題就是當指南針的放置沒有與地球表麵平行時，會得到錯誤指向。

工業稱是另一個例子。在這種應用中
，必須計算一個裝有東西的桶相對地球的傾斜度以便精確得出重量。壓力傳感器(例如用於汽車和工業機械中)同樣受重力作用的影響
，這些傳感器包含偏移變化取決於傳感器安裝位置的膜片。在所有這些情況下，MEMS加速計執行必要的傾斜度感測，以便進行誤差補償。

旋轉感測用於陀螺儀和IMU

我們已經認識到

，當旋轉和其它慣性感測形式結合使用時
，MEMS技術的實際應用有更多優勢。事實上，這要求使用加速計和陀螺儀。

慣性測量單元包括多軸加速計和多軸陀螺儀，為了進一步增加方向精度還包括多軸磁力計。IMU還可以額外提供完整的6自由度(6DoF)。這給應用帶來極其精密的分辨率
，例如醫療成像設備、外科儀器、先進的彌補術和工業車輛的自動引導。除高度精確的操作之外，選擇IMU的另一好處是它的多項功能可由傳感器製造商預測試和預校準。

IMU在(zai)那(na)些(xie)對(dui)精(jing)度(du)要(yao)求(qiu)也(ye)許(xu)不(bu)是(shi)那(na)麼(me)明(ming)顯(xian)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)也(ye)有(you)用(yong)武(wu)之(zhi)地(di)。其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)例(li)子(zi)是(shi)智(zhi)能(neng)高(gao)爾(er)夫(fu)球(qiu)杆(gan)，能(neng)通(tong)過(guo)跟(gen)蹤(zong)和(he)記(ji)錄(lu)每(mei)次(ci)揮(hui)杆(gan)運(yun)動(dong)以(yi)便(bian)幫(bang)助(zhu)提(ti)升(sheng)該(gai)球(qiu)杆(gan)使(shi)用(yong)者(zhe)的(de)技(ji)術(shu)。在(zai)揮(hui)杆(gan)過(guo)程(cheng)中(zhong)，球(qiu)杆(gan)內(nei)的(de)加(jia)速(su)計(ji)測(ce)量(liang)加(jia)速(su)度(du)和(he)揮(hui)杆(gan)平(ping)麵(mian)，同(tong)時(shi)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)測(ce)量(liang)回(hui)旋(xuan)(或打高爾夫球的人的手的旋轉度)。高爾夫球杆記錄每次比賽或練習中收集到的數據，用於稍後在PC上進行分析。

信號處理的新浪潮

無論是用戶友好型特性需求
、功耗最小化需求，還是為消除物理按鈕和控件、補償重力和位置的需求

，或者為實現更智能的操作
，利用5種運動感測方法的MEMS慣性感測技術總是能提供大量的各種選擇。

ADI作為創新技術的領導者，利用其iMEMS Motion Signal Processing係列技術為下一波的信號處理應用提供了先進的加速計和陀螺儀產品。運動感測應用的擴展將得益於這些IC解決方案所提供的小尺寸
、高分辨率
、低功耗
、高可靠性等性能
，以及其上的信號調理電路和集成功能等特性。

作者： ADI MEMS台灣市場經理 Stephen Wu