石英加速度計(jì)將為感測(cè)領(lǐng)域帶來全新風(fēng)貌

　　Epson Toyocom在2008年10月舉辦的CEATEC展覽中，展示嵌入石英晶體陀螺儀傳感器的氣墊船。為了讓石英晶體陀螺儀傳感器的效果更好，氣墊船以一般的船尾漂移方式前進(jìn)，而陀螺儀傳感器則試圖在前進(jìn)時(shí)讓船身不產(chǎn)生漂移。不過，這個(gè)展示仍有與現(xiàn)實(shí)狀況不符合的地方，例如：航道的摩擦系數(shù)實(shí)際上為零(圖5)。

　　傳感器裝置制造商現(xiàn)階段的目標(biāo)，就是能夠盡可能提供效果極接近“Pure”的產(chǎn)品，以促進(jìn)傳感器的廣泛使用。目前的傳感器是以電位型式輸出信號(hào)，用戶如欲將此信號(hào)傳送到微處理器，必須藉由濾波器、類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器或其他組件來轉(zhuǎn)換信號(hào)。而裝置制造商的目標(biāo)，就是將這些后續(xù)處理功能全部?jī)?nèi)建于產(chǎn)品之中，以期在不同使用狀態(tài)下皆能傳回相同的數(shù)值。在達(dá)到這個(gè)目標(biāo)之后，下一步便將朝向智能型感測(cè)(smart sensing)階段發(fā)展。

　　傳感器未來應(yīng)用趨勢(shì) - 智能型傳感器

　　在逐步發(fā)展之下，可以預(yù)期智能型傳感器將開啟各種產(chǎn)品新應(yīng)用的大門，例如會(huì)暈車的機(jī)器人!目前有許多公司正著手將三軸加速度傳感器與三軸陀螺儀傳感器加以整合，并開發(fā)能仿真人類感官機(jī)能的系統(tǒng)。若此構(gòu)想能夠?qū)崿F(xiàn)，制造出會(huì)暈車的機(jī)器人將不再是夢(mèng)想，并將有助于測(cè)試開發(fā)防止暈車的汽車。

　　事實(shí)上，迫切需要高感度傳感器的應(yīng)用項(xiàng)目之一就是整車控制(overall vehicle control)，包括處理水平滑動(dòng)(偏離角)、加速度、搖晃及顛簸等狀況的能力。此類技術(shù)的開發(fā)將會(huì)讓司機(jī)的工作從實(shí)際駕駛汽車，轉(zhuǎn)變?yōu)閮H需指示目的地和監(jiān)控自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的效能。

　　若傳感器用于保健或安全等相關(guān)領(lǐng)域，對(duì)傳感器的要求將會(huì)更加嚴(yán)格。高感度傳感器必須嚴(yán)格控管溫度和磁滯特性等規(guī)格特性進(jìn)行改善，以確保其準(zhǔn)確度。目前用戶必須自行追蹤傳感器的外部變量，并消除任何可能產(chǎn)生的影響，以至于他們必須具備某些技能，才能夠有效地操作傳感器。而工程師未來的目標(biāo)則是希望智能型傳感器能夠自主作業(yè)，在此情況下，傳感器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可能要從5S 進(jìn)一步發(fā)展為7S或9S。

　　石英晶體在傳感器上的下個(gè)應(yīng)用-壓力、加速度傳感器

　　目前，Epson Toyocom正著手開發(fā)各種石英晶體傳感器，除了目前已有的陀螺儀傳感器外，更包括壓力和加速度傳感器。石英晶體壓力傳感器透過偵測(cè)對(duì)石英晶體振蕩器施用張力或壓縮應(yīng)力產(chǎn)生的振蕩頻率變化，來進(jìn)行運(yùn)作。此設(shè)計(jì)能提供高解析的感測(cè)，因?yàn)樵谘b置的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，頻率變化能在廣達(dá)10%的振蕩頻率范圍中轉(zhuǎn)換為壓力值，而頻率穩(wěn)定性則可落在1ppm的區(qū)間內(nèi)。透過以數(shù)位頻率值的方式呈現(xiàn)輸出結(jié)果，即可簡(jiǎn)化后續(xù)設(shè)計(jì)程序。

　　另一方面，石英晶體加速傳感器實(shí)際上屬于頻率變更傳感器，因此也可用于量測(cè)重力加速度。加速度將壓力施于石英晶體壓電振蕩器上，使其壓電特性和振蕩頻率產(chǎn)生變化。在±1G的加速度下，它具備100ppm/G 的敏感性和約1mG 的解析度。若能將陀螺儀傳感器和壓力、加速等傳感器，妥善搭配石英晶體的卓越特性，將可大幅擴(kuò)展產(chǎn)品應(yīng)用的范圍(表1)。

　　改善用戶接口的關(guān)鍵組件

　　最后，傳感器未來發(fā)展的最關(guān)鍵要素在于找出人們想要做什么。知道人們想要什么后，就能夠?yàn)槠浣⑺璧慕涌?，并得知其運(yùn)作應(yīng)該搭配何種傳感器。因?yàn)?，解決應(yīng)用問題要從確定傳感器究竟需要何種程度的效能開始。

　　若將石英晶體的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)制程，將可能開發(fā)出小型、輕巧、低功耗且即插即用的感應(yīng)裝置。Epson Toyocom已藉此建置其傳感器的產(chǎn)品線，并將該制造方法稱為QMEMS。QMEMS的應(yīng)用范圍將無遠(yuǎn)弗屆，舉例來說，將陀螺儀傳感器嵌入手表內(nèi)，即可用來量測(cè)人體的動(dòng)作。QMEMS傳感器擁有徹底革新人類日常生活的潛力。