石英加速度計將為感測領(lǐng)域帶來全新風(fēng)貌

　　如前所述，陀螺儀傳感器由于具備穩(wěn)定光學(xué)影像的特性，目前已被應(yīng)用在為數(shù)眾多的數(shù)位單眼相機(jī)中，并逐漸延伸至汽車導(dǎo)航系統(tǒng)及其他產(chǎn)品。隨著封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，芯片尺寸的持續(xù)縮減，擁有高度準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及其他特性陀螺儀傳感器，更將逐步應(yīng)用在更多元的產(chǎn)品應(yīng)用當(dāng)中。

　　雖然許多人都聽過陀螺儀傳感器(gyro-sensor)這個名詞，但出乎意料地，大多數(shù)人都不清楚其內(nèi)涵到底為何，并似乎有許多人將它與加速度傳感器(acceleration sensor)混為一談。陀螺儀傳感器是角速度傳感器的一種，能夠量測人類無法感覺到的物理量變化。目前角速度傳感器尚不普及的主要原因，除了測量角速度本身有其困難性之外，人類感官無法感覺到角速度的變化，也是一個重要的因素。畢竟，對大多數(shù)人而言，正確地體會一件自己無法感覺得到的事物是相當(dāng)困難的事情。

　　以石英晶體振蕩器為基礎(chǔ)的陀螺儀

　　基于在石英晶體組件方面的長足經(jīng)驗，Epson Toyocom以石英晶體振蕩器制造陀螺儀，并在需要高準(zhǔn)確性、無磁滯現(xiàn)象、低歸零偏移及其他特性的產(chǎn)品領(lǐng)域中獲得極高評價，現(xiàn)今已應(yīng)用于各式各樣的產(chǎn)品之中。Epson Toyocom采用單一偵測軸線，及尺寸極小的表面黏著組件(SMD，surface mount device)，使其石英振蕩器陀螺儀封裝后的尺寸僅5.0mm x 3.5mm，小到足以放在指尖。完全密封的封裝方式使其擁有絕佳的環(huán)境耐受力，并同時具有石英晶體振蕩器的高穩(wěn)定性及低耗電睡眠模式等優(yōu)異特點(diǎn)。

　　石英振蕩器陀螺儀的運(yùn)作方式，首先將基本信號輸入細(xì)長的石英晶體臂(crystal arm)，當(dāng)石英臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，會藉由科氏力效應(yīng)產(chǎn)生電壓，而此電荷會被有效地偵測到，進(jìn)而判斷出旋轉(zhuǎn)的動作。此技術(shù)通常多采用音叉?zhèn)鞲衅?tuning sensor)，但Epson Toyocom將相同的原理套用在其原創(chuàng)的double-T架構(gòu)中，透過簡單的設(shè)計獲得有效的感測，同時亦能有效將噪聲減到最少(圖3)。

　　double-T架構(gòu)運(yùn)作時，分布于兩側(cè)的兩個T型振蕩器，會先以10 kHz左右的對稱波形進(jìn)行基礎(chǔ)振動，此為驅(qū)動模式(drive mode)。在驅(qū)動模式中，兩個T型振蕩器所產(chǎn)生的細(xì)微波動，將會在對稱軸上相互抵消。當(dāng)旋轉(zhuǎn)發(fā)生時，科氏力效應(yīng)作用在與基礎(chǔ)振動位移垂直的方向上，進(jìn)而產(chǎn)生感測振動，啟動感測模式(sensing mode)。一旦進(jìn)入感測模式，壓電裝置會偵測到感測振動位移，并經(jīng)由相位偏移后或重復(fù)施用等電路處理，進(jìn)行垂直坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，最后產(chǎn)生線性的電位差(potential variation)。

　　double-T架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于感測臂只在旋轉(zhuǎn)時振動，其設(shè)計從底座開始收縮，因此不會遺漏任何振動。同時，其收縮振動位于同一平面上，使其對外部噪聲擁有強(qiáng)大的抵抗力，是一種極為理想的架構(gòu)。此外，石英單晶體的表面溫度特性比壓電陶瓷好得多，即使在不同溫度下，驅(qū)動模式和感測模式依然呈現(xiàn)相同的變化程度，輸出結(jié)果也僅有極小的溫度相依性。在相同噪聲水平之下，石英單晶體穩(wěn)定的平面溫度特性，以及無磁滯(hysteresis-free)零點(diǎn)溫度特性，也優(yōu)于其他產(chǎn)品(圖4)。

　　QMEMS讓“5S”升級“7S”- 實現(xiàn)“Pure”的境界

　　由于具備5S特性，使得Epson Toyocom的陀螺傳感器，幾乎能在任何環(huán)境下傳回精確的資料。然而，除了5S標(biāo)準(zhǔn)之外，Epson Toyocom更增加了兩項S特性：Small(精巧)與Energy Saving(節(jié)能)。這項創(chuàng)舉，為傳感器產(chǎn)業(yè)樹立了全新的7S標(biāo)準(zhǔn)。7S設(shè)計同時也意謂著芯片具有高度的可移動性，因此，未來也許可以用于移動電話之中，以減少手部振動的影響。

　　所謂的“Pure”，意指即使在環(huán)境具有內(nèi)部或外部噪聲的情況下，傳感器也能夠針對目標(biāo)物體，正確地進(jìn)行量測并回傳清晰的結(jié)果，并且能夠量測在靜止?fàn)顟B(tài)下的物體，也因此這類傳感器的易用性會比較高。Epson Toyocom的石英晶體組件已經(jīng)可以達(dá)成這樣的效果，因為它能夠提供高信噪比、高敏感性及高穩(wěn)定性，并且能夠避免溫度相依性或磁滯現(xiàn)象。它所具備的優(yōu)異效能，將使其更能廣泛地被應(yīng)用在各種領(lǐng)域之中。