体感控制渐成主流 MEMS传感器市场迅速升温

2013-11-20 13:53:41来源: 互联网

近年来,不只是电视游戏主机的体感控制器持续发烧,智能手机也必须搭载更多元的MEMS组件,来使产品整合更多元的应用价值,而自电视游戏机、手机、笔记本电脑,甚至是白家电,已有越来越多的消费电子产品开始使用低g加速计,实现了运动控制的使用者接口设计应用。

  低g加速计感测精度有限

  在终端应用方面,低g值的加速度计MEMS产品,在因应基本型态的动作感测可以获得不错的使用效益,但实际上,低g值的加速度计在组件性能表现、感测精度有一定程度极限,若使用者想获得更高精度的体感操作体验,会因传感器的感应反应限制,而相对限制了体感应用设计的细节表现。

  同样的,直线型的加速度计MEMS,其实在芯片感测的能力受限架构设计,而使其表现在更高精密度的应用方案呈现限制,尤其在人机界面应用与互动设计方案中。目前,较优的设计是,使用支持多轴MEMS的陀螺仪(Gyro sensor)组件,同时搭配地磁感应计参照,来发挥高精度动态感测设计方案。

  体感游戏应用加温MEMS陀螺仪使用

  所谓的陀螺仪,简言之即为可测量沿着一个轴、或多轴运动的角速度动态数据,基本上陀螺仪的使用是用来补充MEMS加速计设计方案、提升动态感测精度的辅助强化组件,透过加速度感测搭配角速度的实时参照,可以让操作系统获得更精确的动作感测数据。

  陀螺仪解决方案在组件用量越来越多、料件成本也持续压低。如,Nintendo于2009年推出Wii Motion Plus控制器游戏杆,利用追加MEMS陀螺仪设计方案,来补强原有体感游戏控制器的感测精度,透过Motion Plus侦测体感游戏杆的3D角速度变化量,带动游戏机导入MEMS陀螺仪销售额成长近3倍!

  另智能手机产品也跟上MEMS陀螺仪使用风潮,iPhone 4为全球第一支内建MEMS陀螺仪的智能手机,而针对智能手机应用方案供应MEMS陀螺仪的业者,包含STMicroelectronics、InvenSense、Analog Devices等。

  MEMS陀螺仪目前还广泛用在数字相机的电子防震设计、笔记本电脑的硬盘防摔落动态保护、3D空间鼠标、数字电子罗盘、汽车的ESC/ESP等系统设计之中,或是搭配自动控制系统、机器人控制手臂之动态平衡设计方案中。

  加速度计整合陀螺仪提升应用价值

  目前多数以加速度计搭配陀螺仪通常经过整合设计、来建构可进行动态追踪与捕捉3D空间的完整运动轨迹。以现有的MEMS陀螺仪为例,MEMS陀螺仪(Gyroscope)又名角速度计,其实MEMS陀螺仪的核心组件,是一组经过硅制程的微加工机械组合,在硅结构设计上为参照一组如同音叉机制的运转结构,其应用装置的角速度感测,其工作原理为由相互正交之振动与转动导致的交变科里奥利力,至于振动的物体由柔软之弹性结构悬挂于基座上,MEMS陀螺仪整体动力学系统,是由2D弹性阻尼系统整合,系统中的振动和转动所产生的科里奥利力将角速度之能量转移至传感模式,角速率转换为特定感应结构的直向位移,透过MEMS的结构进而取得变化量的感测信息。

  至于陀螺仪与加速计最大的不同是,陀螺仪的量测数据较偏向斜度、偏航等动态信息,反而与重力、线性动作感测数据较无关,陀螺仪多在侦测物体水平改变状态时较能达到效用,无法如加速度计对于物体移动或移动动能具较高的感测能力。相反的,加速度计可在侦测物体移动状态具较高实用效益,但却无法感测物体的小幅角度改变。因而将加速度计与陀螺仪整合,即可让动态感测系统同时具备直向速度与转动数据的感测信息,让动态感测系统的侦测范围更全面、完整。

  在MEMS的节能设计方面,在系统毋须使用动态感测应用时,MEMS可以搭配关闭部分功能达到高效节能效用。例如,在陀螺仪设计方案中,可将陀螺仪的传递讯号与调节电路区分为马达驱动部份、加速传感器感应电路两大部份,马达驱动部份为利用静电驱动的原理令机械组件产生前/后振荡,产生感测过程所需的谐振作用,至于感应部份为利用量测系统电容变化量,来取得科里奥利力的数值变化,于对应感应质点上所生成的微弱位移数据,将角速率变化量,转换成对比角速度变化量之对应模拟讯号(或数字讯号)输出。

  内嵌进阶电源管理更省电

  MEMS陀螺仪的制电路内部可内嵌进阶电源管理功能,可在不需要动态传感器功能的状态下直接将MEMS传感器整组关闭,或搭配系统的使用状态区隔深度睡眠、一般睡眠与正常运作状态,藉此达到MEMS陀螺仪最大幅度的节能效用,降低MEMS组件的驱动功耗

  通常MEMS组件的整合形式,会利用SiP系统级封装的方式,将多个MEMS组件整合在同一个料件中,或将MEMS的微机电部分与应用调节预处理的ASIC电路封装在同一封装体内。一般来说,多轴的陀螺仪使用的系统封装,使用SiP制作方式可以将多组陀螺仪内置于同一组封装中,封装面积也仅有3x5mm2以下,其组件厚度仅需要1mm以下,多轴设计方案其动态轨迹追踪精度将大幅提升,组件体积在硅制程改善下可维持微缩体积,未来应用将持续增加。

关键字:体感控制  MEMS  传感器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1120/article_20976.html
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