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《MEMS多軸感測旋風起》

動作感測面面俱到 慣性感測應用變化萬千

2010/5  Rob O'Reilly/Harvey Weinberg
耐用而且低成本的微機電加速度計與陀螺儀的開發,使動作感測功能得以整合至更多不同的裝置中,透過對速度、震動、衝擊、傾斜及旋轉等五種動作模式的偵測,更將變化出各種豐富的應用功能。
雖然微機電系統(MEMS)技術被應用在安全氣囊及汽車胎壓感測器上,已有大約20年時間,不過在任天堂(Nintendo)Wii以及蘋果(Apple)iPhone將其用於動作感測使用者介面下,慣性感測器所具備的能力,再度受到市場廣大注目。

目前,仍然有一些人堅持,慣性感測器主要是在終端產品須要偵測加速度及減速度的狀況下使用。就純科學的角度來說確實是如此,然而,這樣的想法將會喪失許多微機電加速度計及陀螺儀的延伸使用性,其中包括醫療裝置、工業設備、消費性電子裝置與汽車電子裝置等領域。

事實上,動作感測包含加速度(Acceleration)、震動(Vibration)、衝擊(Shock)、傾斜(Tilt)及旋轉(Rotation)等五種模式,只要進一步探究其特性,即可擴展其應用選項,使其超越現今的微機電應用裝置。

舉例來說,當裝置因為沒有移動或是震動而被判定為閒置狀態時,具有主動式偵測功能的加速度計可以使該裝置進入最低電力耗損模式,藉以實現電源管理。複雜的控制以及實體按鈕可以藉由微機電元件的姿態辨識(Gesture-recognition)介面取代。在其他的使用狀況中,終端產品的運作可變得更為精密,例如加速度計對電子指南針的傾斜角度進行補償。

掌握各類感測元件特性 開拓更多應用潛能

在上述五種動作感測模式中,除旋轉外,其餘的動作實際上都是在不同時間區間中之加速度的不同表現型式(圖1)。然而,人類不能直覺的將這些動作感測當成是加速度/減速度的變化。因此,分別考慮每一種模式,將會有助於開展更多的可能性。

圖1 五種動作感測示意圖

加速度是量測在單位時間內的速度變化,包括位置與方向之類的平移運動。速度的計量方式是以每秒所行公尺數(m/s)來表示,其中包括了位移速率以及運動方向。加速度的量測則是以每秒平方所行公尺數(m/s2)來表示。負值的加速度,即為減速度,例如當駕駛人踩下煞車,使汽車速度減慢的狀況。

若將不同時間區間的加速度納入考量,震動就可以被當成是以週期性型態快速發生的加速度與減速度。與其類似的衝擊則是突然發生的加速度,但是與震動不同之處在於衝擊是一種通常只會發生一次的非週期性函數。

在此把時間的長度再次加以延伸。當一個物體因為移動而改變傾斜度或是斜角時,就會牽涉到與重力有關的位置變化。與震動和衝擊相較之下,這種移動的發生較為緩慢。

由於前述這四種動作感測的模式都包含有一項特定方面的加速度,因此它們都可以利用重力(g-force),即重力施加於地球上物體的力量單位來加以量測(1g等於9.8m/s2)。微機電加速度計可以藉由量測加速度計中不同軸上之重力所產生的效應,進而偵測出傾斜度。以一組三軸加速度計為例,三組個別的輸出所分別量測的是沿著X、Y以及Z軸之動作的加速度。

圖2 ADI的ADXL 345 三軸數位MEMS加速度計

目前擁有最高市占率的加速度計(圖2)採用差動電容器來量測重力,然後將其轉換為伏特或是位元(使用數位化輸出加速度計時)並傳送至微處理器以執行特定動作。由於最近在技術方面的進步,使得比以往具有更廣頻寬的g感測範圍之微型微機電加速度計能夠開始生產,進而增加潛在應用領域的範疇。低g感測範圍意指低於20g,也就是處理人類所能產生之動作。高g則是用於機械或是汽車等之動作感測。基本上來說,就是人類所無法產生的動作。

截至目前,只有探討過線性動作,包括加速度、震動、衝擊及傾斜的動作類型。旋轉乃是對於角速度動作的量測。這個模式與其他的模式不同,原因是旋轉的發生可能不會有加速度的改變。為了解其如何運作,可以畫出一組三軸慣性感測器,感測器的X和Y軸與地球表面平行,而Z軸則是指向地球的中心點。在這個位置上,Z軸測得1g;而X與Y軸則顯示為0g。現在旋轉此感測器,使其只沿著Z軸移動,X與Y平面只有旋轉,量測結果持續為0g,而Z軸也仍然測得1g。微機電陀螺儀(圖3)就是用來感測這種旋轉動作。由於某些終端產品除了其他形式的動作外,還必須要量測旋轉動作,因此陀螺儀與加速度計的整合產品已然產生,目前已有多軸陀螺儀及多軸加速度計的慣性量測單元(IMU)。

圖3 ADI的ADXRS 610陀螺儀

利用移/震動感測 實現節能/安全管理

由前述可知,加速度會對移動與位置的偵測產生影響。這使得裝置被拿起及放下時能夠利用微機電加速度計來發出警示,當這些動作被偵測到後,會產生一組能夠自動將裝置功能予以啟動和關閉的中斷訊號。不同的功能組合可以維持在啟動狀態,或是進入可能的最低電力狀態。藉由移動而加以驅動的開/關特點對於人類而言較易於使用,因為這些特點可以減少使用者端的重複性動作。不僅如此,還能夠更進一步的實現電源管理功能,使裝置在重新充電或是更換電池前可以使用得更久。液晶顯示器(LCD)背光的智慧型控制也是潛在方案之一。

另一種使用加速度計來感測移動以及產生中斷的潛在應用方式,就是軍用或是公共安全人員的無線電。為了要維持通訊的安全,當無線電的配戴或是攜帶情況終止時,在允許使用者存取之前必須要經過重新確認。上述兩種使用情況都須要使用加速度計,而這些加速度計只會汲取少量的電流,最多數個微安培,對於可攜式或小尺寸的設計而言,相當實用。

醫療設備則是另一個感測動作的應用領域。自動化體外電擊器(AED)的設計是用以提供電擊,藉以使病患的心臟能夠再次跳動。當這個行動無效時,就必須執行手動的心肺復甦術(CPR)。經驗較淺的急救人員可能無法對病患的胸部施加足夠的壓力,以便達成有效的CPR。嵌入於自動化體外電擊器胸墊當中的加速度計,可用以量測出胸墊移動的距離,進而為急救人員提供擠壓量是否適當的反饋。 在震動方面的輕微改變,會被視為是機械裝置發生了軸承磨損、機械零件偏移以及其他問題的領先指標。具有非常寬廣頻寬的極小型微機電加速度計,可用來監測馬達、風扇與壓縮機內的震動,以執行預防性的維護,免於昂貴設備的損壞,導致成本大量增加。針對設備的震動特徵量測其變化,也可偵測出機械是否已經調節到具有能源效率的運作狀態。

由衝擊偵測延伸至姿勢辨識應用

在許多筆記型電腦中所使用的磁碟機保護功能,就是目前受到最廣泛採用之衝擊感測的應用領域之一。加速度計會偵測因為電源線受到意外的猛拉,或是螢幕遭到撞擊所產生的小量衝擊,而這通常就是衝擊事件的前兆(亦即筆記型電腦正要撞擊地板)。在數毫秒之內,系統會對磁碟機下達指令,將讀寫頭收回與固定,使其在衝擊發生時不會與磁碟片有所接觸,進而避免對磁碟機造成損壞。

姿勢辨識介面乃是此類型慣性感測中大有可為的全新用途。經過定義的姿勢像是輕敲/雙敲擊,或是搖動等,讓使用者能夠啟用不同的特點或是調整作業的模式。姿勢辨識使得原本採用實體按鈕與開關所難以操控的裝置提高了使用性。無按鈕的設計除能夠改善終端產品的耐用性(例如水中照相機上,其按鈕的開放性外圍會讓水滲漏至相機本體內)之外,也可以降低總體系統成本。

對於以加速度計驅動的姿勢辨識應用領域而言,小尺寸的消費性電子裝置只是其中一種應用領域。輕觸式介面也可以成為耐用的植入式醫療裝置,像是藥物輸送泵(Medication Delivery Pump)以及助聽器等的良好配件。

傾斜感測適用於精密作業

傾斜感測在姿勢辨識介面的使用上也同樣具有潛力。舉例來說,在像是建築或者工業檢驗設備之類的應用領域,單手操作的方式應會比較受歡迎。而不用操作裝置的另一隻手則用來控制作業員所站立的吊籃或平台,或者用來抓住繫繩以策安全。作業員可以只靠「旋轉」探針裝置就能調整其設定。

在以下所述的情境中,三軸加速度計會將「旋轉」判斷為傾斜,包括在有重力加速度出現之斜面上量測低速度的變化、偵測重力向量上的變化以及判定其方向究竟為順時針或逆時針。傾斜偵測也能夠與輕敲(搖動)辨識加以結合,使作業員能夠只使用單手就可以控制更多的功能。

對一個裝置的位置進行補償,這是傾斜量測用途的另一個領域,如將電子式指南針放入全球衛星定位系統(GPS)或是行動電話中。此處有一個眾所周知的問題,就是當指南針沒有完全擺放至與地球表面平行時,所顯示的指向結果就會產生錯誤。在工業用磅秤中,負載用吊籃相對於地表的傾斜度必須要納入計算,以便正確的讀出其重量。像是使用於汽車與工業機械中的壓力感測器也同樣容易受到重力的影響,因為這些感測器都具有膜片,其偏斜度會依據其附著於感測器之位置而有所變化。在以上的這些情況當中,微機電加速度計會執行必要的傾斜度量測,以便對誤差進行補償。

IMU方案滿足更多樣應用

當旋轉與其他形式的慣性感測加以結合時,微機電技術在真實世界的應用就會獲得更多的好處。實際上這須要使用加速度計及陀螺儀。

有一些慣性量測單元已整合多軸加速度計與多軸陀螺儀,以及為了進一步增加指向正確性的多軸地磁儀。IMU還額外提供完整的6自由度(6 DoF)量測,對於如醫療影像設備、外科手術用儀器、先進的義肢及工業用車輛的自動導航等應用裝置,此特點提供超精細的解析度。選用IMU的另一項優點則是其所具有的多樣功能可由感測器生產廠商進行預先測試和預先校正。

IMU也能夠在較為平常的使用情況中提供很有用的功能。舉例來說,它可被整合至智慧型高爾夫球桿,這些球桿會追蹤與記錄每一個揮桿的動作,如此將可讓高爾夫球愛好者的技術更加精進。球桿內的加速度計會量測加速度與揮動的平面,而陀螺儀則量測內轉(Pronation),或是揮桿時手腕的扭轉度。此外,高爾夫球桿還會記錄比賽或是練習時所蒐集到的資料,以便稍後可以在電腦上進行分析。

動作感測勢不可當

無論其需求是針對易於使用的特點、電力耗損最小化、取代實體按鈕與控制、對重力與位置加以補償,或是更聰明的作業方式,以微機電為基礎的慣性感測為探索這五種動作感測提供了豐富的選項。

未來,在具有創新能力的MEMS感測器供應商的努力下,加速度計及陀螺儀等感測方案,將持續以小尺寸、高解析度、低電力耗損、高可靠度、訊號調節電路及整合式的功能,持續擴展動作感測的應用範疇。

(本文作者皆任職於亞德諾)

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