石英加速度計將為感測領(lǐng)域帶來(lái)全新風(fēng)貌

　　如前所述，陀螺儀傳感器由于具備穩定光學(xué)影像的特性，目前已被應用在為數眾多的數位單眼相機中，并逐漸延伸至汽車(chē)導航系統及其他產(chǎn)品。隨著(zhù)封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，芯片尺寸的持續縮減，擁有高度準確性、穩定性及其他特性陀螺儀傳感器，更將逐步應用在更多元的產(chǎn)品應用當中。

　　雖然許多人都聽(tīng)過(guò)陀螺儀傳感器(gyro-sensor)這個(gè)名詞，但出乎意料地，大多數人都不清楚其內涵到底為何，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(lèi)無(wú)法感覺(jué)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(lèi)感官無(wú)法感覺(jué)到角速度的變化，也是一個(gè)重要的因素。畢竟，對大多數人而言，正確地體會(huì )一件自己無(wú)法感覺(jué)得到的事物是相當困難的事情。

　　以石英晶體振蕩器為基礎的陀螺儀

　　基于在石英晶體組件方面的長(cháng)足經(jīng)驗，Epson Toyocom以石英晶體振蕩器制造陀螺儀，并在需要高準確性、無(wú)磁滯現象、低歸零偏移及其他特性的產(chǎn)品領(lǐng)域中獲得極高評價(jià)，現今已應用于各式各樣的產(chǎn)品之中。Epson Toyocom采用單一偵測軸線(xiàn)，及尺寸極小的表面黏著(zhù)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(shí)具有石英晶體振蕩器的高穩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作方式，首先將基本信號輸入細長(cháng)的石英晶體臂(crystal arm)，當石英臂進(jìn)行旋轉時(shí)，會(huì )藉由科氏力效應產(chǎn)生電壓，而此電荷會(huì )被有效地偵測到，進(jìn)而判斷出旋轉的動(dòng)作。此技術(shù)通常多采用音叉傳感器(tuning sensor)，但Epson Toyocom將相同的原理套用在其原創(chuàng )的double-T架構中，透過(guò)簡(jiǎn)單的設計獲得有效的感測，同時(shí)亦能有效將噪聲減到最少(圖3)。

　　double-T架構運作時(shí)，分布于兩側的兩個(gè)T型振蕩器，會(huì )先以10 kHz左右的對稱(chēng)波形進(jìn)行基礎振動(dòng)，此為驅動(dòng)模式(drive mode)。在驅動(dòng)模式中，兩個(gè)T型振蕩器所產(chǎn)生的細微波動(dòng)，將會(huì )在對稱(chēng)軸上相互抵消。當旋轉發(fā)生時(shí)，科氏力效應作用在與基礎振動(dòng)位移垂直的方向上，進(jìn)而產(chǎn)生感測振動(dòng)，啟動(dòng)感測模式(sensing mode)。一旦進(jìn)入感測模式，壓電裝置會(huì )偵測到感測振動(dòng)位移，并經(jīng)由相位偏移后或重復施用等電路處理，進(jìn)行垂直坐標的轉換，最后產(chǎn)生線(xiàn)性的電位差(potential variation)。

　　double-T架構的優(yōu)點(diǎn)在于感測臂只在旋轉時(shí)振動(dòng)，其設計從底座開(kāi)始收縮，因此不會(huì )遺漏任何振動(dòng)。同時(shí)，其收縮振動(dòng)位于同一平面上，使其對外部噪聲擁有強大的抵抗力，是一種極為理想的架構。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，驅動(dòng)模式和感測模式依然呈現相同的變化程度，輸出結果也僅有極小的溫度相依性。在相同噪聲水平之下，石英單晶體穩定的平面溫度特性，以及無(wú)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(shí)現“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標準之外，Epson Toyocom更增加了兩項S特性：Small(精巧)與Energy Saving(節能)。這項創(chuàng )舉，為傳感器產(chǎn)業(yè)樹(shù)立了全新的7S標準。7S設計同時(shí)也意謂著(zhù)芯片具有高度的可移動(dòng)性，因此，未來(lái)也許可以用于移動(dòng)電話(huà)之中，以減少手部振動(dòng)的影響。

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