MEMS陀螺儀內(nèi)嵌進(jìn)階電源管理更省電
摘要： MEMS陀螺儀的制電路內(nèi)部可內(nèi)嵌進(jìn)階電源管理功能，可在不需要?jiǎng)討B(tài)傳感器功能的狀態(tài)下直接將MEMS傳感器整組關(guān)閉，或搭配系統(tǒng)的使用狀態(tài)區(qū)隔深度睡眠、一般睡眠與正常運(yùn)作狀態(tài)，藉此達(dá)到MEMS陀螺儀最大幅度的節(jié)能效用，降低MEMS組件的驅(qū)動(dòng)功耗。
關(guān)鍵字： MEMS， 電路， 電源管理， 動(dòng)態(tài)傳感器
近年來(lái)，不只是電視游戲主機(jī)的體感控制器持續(xù)發(fā)燒，智能手機(jī)也必須搭載更多元的MEMS組件，來(lái)使產(chǎn)品整合更多元的應(yīng)用價(jià)值，而自電視游戲機(jī)、手機(jī)、筆記本電腦，甚至是白家電，已有越來(lái)越多的消費(fèi)電子產(chǎn)品開(kāi)始使用低g加速計(jì)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制的使用者接口設(shè)計(jì)應(yīng)用。
低g加速計(jì)感測(cè)精度有限
在終端應(yīng)用方面，低g值的加速度計(jì)MEMS產(chǎn)品，在因應(yīng)基本型態(tài)的動(dòng)作感測(cè)可以獲得不錯(cuò)的使用效益，但實(shí)際上，低g值的加速度計(jì)在組件性能表現(xiàn)、感測(cè)精度有一定程度極限，若使用者想獲得更高精度的體感操作體驗(yàn)，會(huì)因傳感器的感應(yīng)反應(yīng)限制，而相對(duì)限制了體感應(yīng)用設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)表現(xiàn)。
同樣的，直線型的加速度計(jì)MEMS，其實(shí)在芯片感測(cè)的能力受限架構(gòu)設(shè)計(jì)，而使其表現(xiàn)在更高精密度的應(yīng)用方案呈現(xiàn)限制，尤其在人機(jī)界面應(yīng)用與互動(dòng)設(shè)計(jì)方案中。目前，較優(yōu)的設(shè)計(jì)是，使用支持多軸MEMS的陀螺儀(Gyro sensor)組件，同時(shí)搭配地磁感應(yīng)計(jì)參照，來(lái)發(fā)揮高精度動(dòng)態(tài)感測(cè)設(shè)計(jì)方案。
體感游戲應(yīng)用加溫MEMS陀螺儀使用
所謂的陀螺儀，簡(jiǎn)言之即為可測(cè)量沿著一個(gè)軸、或多軸運(yùn)動(dòng)的角速度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，基本上陀螺儀的使用是用來(lái)補(bǔ)充MEMS加速計(jì)設(shè)計(jì)方案、提升動(dòng)態(tài)感測(cè)精度的輔助強(qiáng)化組件，透過(guò)加速度感測(cè)搭配角速度的實(shí)時(shí)參照，可以讓操作系統(tǒng)獲得更精確的動(dòng)作感測(cè)數(shù)據(jù)。
陀螺儀解決方案在組件用量越來(lái)越多、料件成本也持續(xù)壓低。如，Nintendo于2009年推出Wii Motion Plus控制器游戲桿，利用追加MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)方案，來(lái)補(bǔ)強(qiáng)原有體感游戲控制器的感測(cè)精度，透過(guò)Motion Plus偵測(cè)體感游戲桿的3D角速度變化量，帶動(dòng)游戲機(jī)導(dǎo)入MEMS陀螺儀銷售額成長(zhǎng)近3倍!
另智能手機(jī)產(chǎn)品也跟上MEMS陀螺儀使用風(fēng)潮，iPhone 4為全球第一支內(nèi)建MEMS陀螺儀的智能手機(jī)，而針對(duì)智能手機(jī)應(yīng)用方案供應(yīng)MEMS陀螺儀的業(yè)者，包含STMicroelectronics、InvenSense、Analog Devices等。
MEMS陀螺儀目前還廣泛用在數(shù)字相機(jī)的電子防震設(shè)計(jì)、筆記本電腦的硬盤(pán)防摔落動(dòng)態(tài)保護(hù)、3D空間鼠標(biāo)、數(shù)字電子羅盤(pán)、汽車的ESC/ESP等系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，或是搭配自動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制手臂之動(dòng)態(tài)平衡設(shè)計(jì)方案中。
加速度計(jì)整合陀螺儀提升應(yīng)用價(jià)值
目前多數(shù)以加速度計(jì)搭配陀螺儀通常經(jīng)過(guò)整合設(shè)計(jì)、來(lái)建構(gòu)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤與捕捉3D空間的完整運(yùn)動(dòng)軌跡。
以現(xiàn)有的MEMS陀螺儀為例，MEMS陀螺儀(Gyroscope)又名角速度計(jì)，其實(shí)MEMS陀螺儀的核心組件，是一組經(jīng)過(guò)硅制程的微加工機(jī)械組合，在硅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上為參照一組如同音叉機(jī)制的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用裝置的角速度感測(cè)，其工作原理為由相互正交之振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的交變科里奧利力，至于振動(dòng)的物體由柔軟之彈性結(jié)構(gòu)懸掛于基座上，MEMS陀螺儀整體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，是由2D彈性阻尼系統(tǒng)整合，系統(tǒng)中的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的科里奧利力將角速度之能量轉(zhuǎn)移至傳感模式，角速率轉(zhuǎn)換為特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的直向位移，透過(guò)MEMS的結(jié)構(gòu)進(jìn)而取得變化量的感測(cè)信息。
至于陀螺儀與加速計(jì)最大的不同是，陀螺儀的量測(cè)數(shù)據(jù)較偏向斜度、偏航等動(dòng)態(tài)信息，反而與重力、線性動(dòng)作感測(cè)數(shù)據(jù)較無(wú)關(guān)，陀螺儀多在偵測(cè)物體水平改變狀態(tài)時(shí)較能達(dá)到效用，無(wú)法如加速度計(jì)對(duì)于物體移動(dòng)或移動(dòng)動(dòng)能具較高的感測(cè)能力。相反的，加速度計(jì)可在偵測(cè)物體移動(dòng)狀態(tài)具較高實(shí)用效益，但卻無(wú)法感測(cè)物體的小幅角度改變。因而將加速度計(jì)與陀螺儀整合，即可讓動(dòng)態(tài)感測(cè)系統(tǒng)同時(shí)具備直向速度與轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)的感測(cè)信息，讓動(dòng)態(tài)感測(cè)系統(tǒng)的偵測(cè)范圍更全面、完整。
在MEMS的節(jié)能設(shè)計(jì)方面，在系統(tǒng)毋須使用動(dòng)態(tài)感測(cè)應(yīng)用時(shí)，MEMS可以搭配關(guān)閉部分功能達(dá)到高效節(jié)能效用。例如，在陀螺儀設(shè)計(jì)方案中，可將陀螺儀的傳遞訊號(hào)與調(diào)節(jié)電路區(qū)分為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部份、加速傳感器感應(yīng)電路兩大部份，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部份為利用靜電驅(qū)動(dòng)的原理令機(jī)械組件產(chǎn)生前/后振蕩，產(chǎn)生感測(cè)過(guò)程所需的諧振作用，至于感應(yīng)部份為利用量測(cè)系統(tǒng)電容變化量，來(lái)取得科里奧利力的數(shù)值變化，于對(duì)應(yīng)感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)上所生成的微弱位移數(shù)據(jù)，將角速率變化量，轉(zhuǎn)換成對(duì)比角速度變化量之對(duì)應(yīng)模擬訊號(hào)(或數(shù)字訊號(hào))輸出。
內(nèi)嵌進(jìn)階電源管理更省電
MEMS陀螺儀的制電路內(nèi)部可內(nèi)嵌進(jìn)階電源管理功能，可在不需要?jiǎng)討B(tài)傳感器功能的狀態(tài)下直接將MEMS傳感器整組關(guān)閉，或搭配系統(tǒng)的使用狀態(tài)區(qū)隔深度睡眠、一般睡眠與正常運(yùn)作狀態(tài)，藉此達(dá)到MEMS陀螺儀最大幅度的節(jié)能效用，降低MEMS組件的驅(qū)動(dòng)功耗。
通常MEMS組件的整合形式，會(huì)利用SiP系統(tǒng)級(jí)封裝的方式，將多個(gè)MEMS組件整合在同一個(gè)料件中，或?qū)EMS的微機(jī)電部分與應(yīng)用調(diào)節(jié)預(yù)處理的ASIC電路封裝在同一封裝體內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，多軸的陀螺儀使用的系統(tǒng)封裝，使用SiP制作方式可以將多組陀螺儀內(nèi)置于同一組封裝中，封裝面積也僅有3x5mm2以下，其組件厚度僅需要1mm以下，多軸設(shè)計(jì)方案其動(dòng)態(tài)軌跡追蹤精度將大幅提升，組件體積在硅制程改善下可維持微縮體積，未來(lái)應(yīng)用將持續(xù)增加。
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