中心議題：

• 商業化MEMS加速計和陀螺儀通過5種類型的運動感測來改變眾多不同範圍的終端產品的方法

解決方案：

• 加速感測用於功率管理
• 震動感測用於監控和節能
• 傾斜感測用於高精度應用
• 旋轉感測用於陀螺儀和IMU

雖然MEMS(微電子機械係統)技術被用於安全氣囊和汽車壓力傳感器領域已有二十年左右，但卻是任天堂Wii和蘋果iPhone的熱銷使人們更廣泛地了解慣性傳感器的用途，這些產品使用了基於運動感測技術的用戶界麵。

盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)業(ye)界(jie)的(de)觀(guan)念(nian)仍(reng)停(ting)留(liu)在(zai)慣(guan)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)主(zhu)要(yao)是(shi)用(yong)於(yu)終(zhong)端(duan)產(chan)品(pin)檢(jian)測(ce)加(jia)速(su)度(du)和(he)減(jian)速(su)度(du)的(de)應(ying)用(yong)。從(cong)純(chun)粹(cui)的(de)科(ke)學(xue)角(jiao)度(du)來(lai)看(kan)，這(zhe)種(zhong)說(shuo)法(fa)完(wan)全(quan)正(zheng)確(que)
，但(dan)這(zhe)樣(yang)的(de)觀(guan)點(dian)卻(que)忽(hu)略(lve)了(le)許(xu)多(duo)MEMS加速計和陀螺儀的擴展應用，包括在醫療設備、工業設備、消費電子產品和汽車電子等領域。

五種運動感測模式中
，每一種模式都將極大地超越當前大批量MEMS的應用。這五種模式分別是：加速(包括平移運動，如位置和方向的改變)，震動
，衝擊
，傾斜，旋轉。

例li如ru，一yi個ge帶dai運yun動dong檢jian測ce的de加jia速su計ji在zai設she備bei沒mei有you受shou到dao外wai界jie移yi動dong或huo震zhen動dong時shi將jiang其qi界jie定ding為wei非fei激ji活huo狀zhuang態tai，並bing指zhi示shi設she備bei進jin入ru最zui低di功gong耗hao模mo式shi，從cong而er實shi現xian功gong率lv管guan理li。複fu雜za的de控kong製zhi機ji構gou和he物wu理li按an鈕niu被bei手shou勢shi識shi別bie接jie口kou替ti代dai，而er它ta是shi通tong過guo手shou指zhi點dian擊ji來lai控kong製zhi。在zai其qi它ta使shi用yong案an例li中zhong，終zhong端duan產chan品pin的de操cao作zuo變bian得de更geng精jing確que，例li如ru
，對dui用yong戶hu手shou中zhong的de指zhi南nan針zhen進jin行xing傾qing斜xie角jiao度du補bu償chang。

本文介紹了一些應用案例
，分享先進的商業化MEMS加速計和陀螺儀通過5種類型的運動感測來改變眾多不同範圍的終端產品的方法。

運動感測和MEMS介紹



加速、震動


、衝擊、傾斜和旋轉——chulexuanzhuanwai
，qitasizhongyundongshishishangdoushijiasuduzaibutongshijianduandebiaoxian。raner

，womenrenleishiwufakaozhijiaolaizuochuyundongzhuangtaidepanduan，liruzhendongshijiasuhaishijiansu。fenbiedikaolvmeiyizhongmoshikeyibangzhuwomenxiangchugengduokenengdeyingyong。

加速度(包括平移運動)是測量在單位時間內的速度變化。速度以米/秒(m/s)來表示，並且同時包括位移速率和運動方向。因此，加速度就以米/秒2(m/s2)來表示。加速度有時候會是負值——如司機踩刹車時車速變慢
，這時也被稱作減速度。

xianzailaikaolvjiasuduzaibutongshijianduandebiaoxian。zhendongkebeirenweishixunsuqiezhouqixingfashengdejiasuhejiansuyundong。leiside
，chongjizeshishunjianfashengdejiasu，danshibutongyuzhendong，chongjishiyizhongfeizhouqixingyundong，yibanzhifashengyici。

我(wo)們(men)把(ba)時(shi)間(jian)再(zai)延(yan)長(chang)一(yi)些(xie)。當(dang)對(dui)象(xiang)被(bei)移(yi)動(dong)而(er)改(gai)變(bian)傾(qing)斜(xie)度(du)或(huo)偏(pian)角(jiao)時(shi)，與(yu)重(zhong)力(li)相(xiang)關(guan)的(de)一(yi)些(xie)位(wei)置(zhi)變(bian)化(hua)被(bei)牽(qian)扯(che)進(jin)來(lai)。與(yu)震(zhen)動(dong)和(he)衝(chong)擊(ji)相(xiang)比(bi)，傾(qing)斜(xie)運(yun)動(dong)的(de)發(fa)生(sheng)往(wang)往(wang)相(xiang)當(dang)緩(huan)慢(man)。

由於前四種模式的運動感測各自都與加速度有某種關係，它們可通過“g力”(地球引力)來測量
，g是萬有引力對地球上物體產生的單位力(1g等於9.8m/s2。)。MEMS加速計通過測量重力對加速計軸的作用力來檢測傾斜度。以3軸加速計為例

，三個不同的輸出分別測量運動的X、Y和Z軸加速度。

時下占市場最大份額的加速計使用差分電容測量g力，接著g力被轉換成電壓或數據位(數字輸出加速計應用)，最後被傳遞到微處理器上以便執行某種行為。近來在技術上取得的進步，使業界能製造出低g和高g感測範圍的微型MEMS加速計，且比以往產品的帶寬更高，從而大大增加了潛在應用領域。低g感測範圍是指低於20g，這可以涉及到人類能產生的運動。高g則用於感測與機器或交通工具有關的運動—也就是人類沒法產生的運動。

以上我們討論的僅是線性速率運動，運動類型包括加速
、震動、衝(chong)擊(ji)和(he)傾(qing)斜(xie)。旋(xuan)轉(zhuan)則(ze)是(shi)一(yi)種(zhong)角(jiao)速(su)率(lv)運(yun)動(dong)的(de)測(ce)量(liang)，它(ta)不(bu)同(tong)於(yu)其(qi)它(ta)運(yun)動(dong)模(mo)式(shi)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)旋(xuan)轉(zhuan)運(yun)動(dong)可(ke)能(neng)不(bu)伴(ban)有(you)加(jia)速(su)度(du)的(de)變(bian)化(hua)。為(wei)了(le)理(li)解(jie)旋(xuan)轉(zhuan)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)，我(wo)們(men)想(xiang)像(xiang)一(yi)個(ge)3軸慣性傳感器：假定傳感器的X和Y軸與地球表麵是平行的
，Z軸指向地心。在這個位置
，Z軸測得的作用力為1g
，而X和Y軸則為0g。現在轉動傳感器使其運動僅與Z軸相關。X和Y平麵在轉動，繼續測得0g
，同時Z軸仍然為1g。

MEMStuoluoyibeiyongyugancezhezhongxuanzhuanyundong。youyumouxiezhongduanchanpinchuleceliangqitaleixingdeyundongwaihaibixuceliangxuanzhuanyundong，tuoluoyikebeijichengzaiyigeneiqianduozhoutuoluoyiheduozhoujiasujideIMU(慣性測量單元)中。

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加速感測用於功率管理

在早期，加速度感測技術被用於檢測運動和位置變化。利用MEMS加(jia)速(su)計(ji)可(ke)以(yi)感(gan)測(ce)到(dao)設(she)備(bei)被(bei)拿(na)起(qi)或(huo)放(fang)下(xia)
，當(dang)檢(jian)測(ce)到(dao)這(zhe)兩(liang)種(zhong)動(dong)作(zuo)時(shi)就(jiu)可(ke)以(yi)發(fa)出(chu)一(yi)個(ge)中(zhong)斷(duan)信(xin)號(hao)來(lai)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)電(dian)源(yuan)的(de)開(kai)和(he)關(guan)功(gong)能(neng)。不(bu)同(tong)的(de)功(gong)能(neng)組(zu)合(he)可(ke)被(bei)保(bao)持(chi)在(zai)激(ji)活(huo)狀(zhuang)態(tai)，或(huo)者(zhe)被(bei)置(zhi)於(yu)低(di)功(gong)耗(hao)狀(zhuang)態(tai)。對(dui)用(yong)戶(hu)來(lai)說(shuo)，這(zhe)種(zhong)由(you)運(yun)動(dong)檢(jian)測(ce)控(kong)製(zhi)的(de)開(kai)/關(guan)功(gong)能(neng)是(shi)受(shou)歡(huan)迎(ying)的(de)，因(yin)為(wei)它(ta)避(bi)免(mian)了(le)用(yong)戶(hu)的(de)重(zhong)複(fu)動(dong)作(zuo)。另(ling)外(wai)

，它(ta)們(men)實(shi)現(xian)了(le)功(gong)率(lv)管(guan)理(li)
，能(neng)使(shi)設(she)備(bei)在(zai)下(xia)次(ci)充(chong)電(dian)或(huo)更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)之(zhi)前(qian)有(you)更(geng)長(chang)的(de)使(shi)用(yong)時(shi)間(jian)。帶(dai)背(bei)光(guang)LCD的智能遙控器是眾多可能的應用之一。

另(ling)一(yi)種(zhong)使(shi)用(yong)加(jia)速(su)計(ji)來(lai)感(gan)測(ce)運(yun)動(dong)和(he)產(chan)生(sheng)中(zhong)斷(duan)信(xin)號(hao)的(de)應(ying)用(yong)，則(ze)是(shi)用(yong)於(yu)軍(jun)事(shi)或(huo)公(gong)共(gong)安(an)全(quan)人(ren)員(yuan)的(de)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)設(she)備(bei)。為(wei)保(bao)證(zheng)通(tong)信(xin)的(de)安(an)全(quan)，當(dang)該(gai)設(she)備(bei)被(bei)使(shi)用(yong)者(zhe)卸(xie)下(xia)或(huo)放(fang)起(qi)來(lai)後(hou)，下(xia)次(ci)使(shi)用(yong)前(qian)必(bi)須(xu)再(zai)次(ci)進(jin)行(xing)身(shen)份(fen)認(ren)證(zheng)。對(dui)便(bian)攜(xie)或(huo)小(xiao)外(wai)形(xing)的(de)設(she)計(ji)來(lai)說(shuo)，上(shang)麵(mian)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)隻(zhi)需(xu)要(yao)很(hen)小(xiao)電(dian)流(liu)的(de)加(jia)速(su)度(du)計(ji)
，最(zui)多(duo)幾(ji)個(ge)微(wei)安(an)(µA)就夠了。

運動感測的另一種應用是在醫療設備中，例如自動外部除顫器(AED)。典型地AED被設計用來產生一次震動以使病人的心髒重新跳動。當失敗時，必須進行徒手心肺複蘇(CPR)。一位經驗不足的救助者也許沒有用到足夠大的力壓病人胸口以獲得有效CPR。在AED接觸胸部的墊子內嵌入加速計，就可通過測量墊子移動的距離來告訴救助者適當壓力的大小。

震動感測用於監控和節能

震動的輕微變化可以用於了解軸承磨損

、機械部件未對準以及包括工業設備在內的其它機械問題。具有很高帶寬的小型MEMS加速計是監控馬達、fengshanheyasuojineizhendongdelixiangchanpin。ruguonenggoujinxingyucexingdeweihu
，keyishizhizaochangshangbimiansunhuaiangguideshebei，yijibimiannaxiekenengdaozhijiangdishengchanxiaolvdedaijiagaoangdeguzhang。

celiangshebeidezhendongbianhuayekeyongyujiancejixieshifoubeishezhizaigaonengxiaodegongzuofangshi。ruguobujiayixiaozheng，dinengxiaodeyunzhuankenenghuisunhaigongsidelvsezhizaojihua，shidedianfeibiaosheng，shenzhizuizhonghaihuidaozhishebeisunhuai。

衝擊感測用於手勢識別及更多其它應用

在許多筆記本電腦中都能看到的磁盤驅動器保護裝置是目前眾多衝擊感測應用中使用最廣泛的一種。加速計檢測微小的g力，從而判別出筆記本是放下還是跌落
，g力li的de變bian化hua是shi衝chong擊ji事shi件jian的de發fa生sheng前qian兆zhao，其qi後hou果guo可ke能neng就jiu是shi筆bi記ji本ben撞zhuang向xiang地di板ban。在zai檢jian測ce到dao跌die落luo狀zhuang態tai後hou的de數shu毫hao秒miao之zhi內nei
，係xi統tong指zhi示shi硬ying盤pan讀du寫xie頭tou歸gui位wei。在zai撞zhuang擊ji期qi間jian，讀du寫xie頭tou的de歸gui位wei能neng中zhong止zhi與yu磁ci盤pan的de接jie觸chu，從cong而er預yu防fang硬ying盤pan損sun壞huai和he避bi免mian數shu據ju損sun失shi。

手勢識別接口是這種類型慣性感測的一種有大好前景的新應用。采用預先定義的手勢(例如點擊/雙擊或晃動)，yonghukeyijihuobutonggongnenghuotiaozhenggongzuomoshi。shoushishibieshinaxiewulianniuhekaiguannanyicaozuodeshebeigengbianyushiyong。wuanniushejinengjianshaozongdexitongchengben，hainengtigaozhongduanchanpindenaiyongxing
，rushuixiazhaoxiangji，ruguocaiyongwulianniuhuidaozhishuiconganniuzhouweifengxishenruzhaoxiangjijishen。

小外形消費電子產品隻是基於加速計的手勢識別技術能大顯身手的一種應用領域。由於MEMS加速計極小的尺寸和低功率
，利用MEMS加速計的點擊接口能夠成為穿戴式和可植入醫療設備(如藥物傳輸泵和助聽器)的絕佳選擇。

傾斜感測用於高精度應用

傾qing斜xie感gan測ce在zai手shou勢shi識shi別bie接jie口kou應ying用yong領ling域yu也ye有you巨ju大da潛qian力li。例li如ru，在zai建jian築zhu或huo工gong業ye檢jian查zha設she備bei等deng應ying用yong中zhong
，也ye許xu人ren們men更geng傾qing向xiang於yu單dan手shou操cao作zuo。另ling一yi隻zhi沒mei有you操cao作zuo設she備bei的de手shou可ke以yi騰teng出chu來lai控kong製zhi桶tong或huo操cao作zuo員yuan站zhan立li的de平ping台tai
，或huo者zhe出chu於yu安an全quan考kao慮lv抓zhua住zhu繩sheng索suo。操cao作zuo員yuan可ke以yi簡jian單dan旋xuan轉zhuan探tan針zhen或huo設she備bei來lai調tiao整zheng它ta的de設she置zhi。

在這種情況下
，3軸加速計可以像感測傾斜度那樣感測出“旋轉度”：在存在重力的狀態下測量傾斜的低速變化、檢測重力矢量的變化，以及確定方向是順時針還是逆時針。傾斜檢測也可以與點擊(衝擊)識別結合使用
，以便操作員能以單手控製設備的更多功能。

設備的位置補償是傾斜測量的另一重大應用領域。以GPS(全球定位係統)或移動電話中的電子指南針為例
，有一個眾所周知的難題就是當指南針的放置沒有與地球表麵平行時，會得到錯誤指向。

工業稱是另一個例子。在這種應用中
，必須計算一個裝有東西的桶相對地球的傾斜度以便精確得出重量。壓力傳感器(例如用於汽車和工業機械中)同樣受重力作用的影響，這些傳感器包含偏移變化取決於傳感器安裝位置的膜片。在所有這些情況下，MEMS加速計執行必要的傾斜度感測，以便進行誤差補償。

旋轉感測用於陀螺儀和IMU

我們已經認識到

，當旋轉和其它慣性感測形式結合使用時，MEMS技術的實際應用有更多優勢。事實上，這要求使用加速計和陀螺儀。

慣性測量單元包括多軸加速計和多軸陀螺儀
，為了進一步增加方向精度還包括多軸磁力計。IMU還可以額外提供完整的6自由度(6DoF)。這給應用帶來極其精密的分辨率
，例如醫療成像設備、外科儀器、先進的彌補術和工業車輛的自動引導。除高度精確的操作之外

，選擇IMU的另一好處是它的多項功能可由傳感器製造商預測試和預校準。

IMU在(zai)那(na)些(xie)對(dui)精(jing)度(du)要(yao)求(qiu)也(ye)許(xu)不(bu)是(shi)那(na)麼(me)明(ming)顯(xian)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)也(ye)有(you)用(yong)武(wu)之(zhi)地(di)。其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)例(li)子(zi)是(shi)智(zhi)能(neng)高(gao)爾(er)夫(fu)球(qiu)杆(gan)
，能(neng)通(tong)過(guo)跟(gen)蹤(zong)和(he)記(ji)錄(lu)每(mei)次(ci)揮(hui)杆(gan)運(yun)動(dong)以(yi)便(bian)幫(bang)助(zhu)提(ti)升(sheng)該(gai)球(qiu)杆(gan)使(shi)用(yong)者(zhe)的(de)技(ji)術(shu)。在(zai)揮(hui)杆(gan)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，球(qiu)杆(gan)內(nei)的(de)加(jia)速(su)計(ji)測(ce)量(liang)加(jia)速(su)度(du)和(he)揮(hui)杆(gan)平(ping)麵(mian)
，同(tong)時(shi)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)測(ce)量(liang)回(hui)旋(xuan)(或打高爾夫球的人的手的旋轉度)。高爾夫球杆記錄每次比賽或練習中收集到的數據，用於稍後在PC上進行分析。

信號處理的新浪潮

無論是用戶友好型特性需求、功耗最小化需求
，還是為消除物理按鈕和控件、補償重力和位置的需求

，或者為實現更智能的操作，利用5種運動感測方法的MEMS慣性感測技術總是能提供大量的各種選擇。

ADI作為創新技術的領導者
，利用其iMEMS Motion Signal Processing係列技術為下一波的信號處理應用提供了先進的加速計和陀螺儀產品。運動感測應用的擴展將得益於這些IC解決方案所提供的小尺寸
、高分辨率、低功耗、高可靠性等性能，以及其上的信號調理電路和集成功能等特性。

作者： ADI MEMS台灣市場經理 Stephen Wu