相較於傳統用於測量角位移的陀螺儀，今日的MEMS振動式陀螺儀感測器（Vibratory Gyro Sensor）可用來測量以度/秒為單位的角速度，又分為壓電式（Piezoelectric）和矽製程式（Silicon Type）兩種，請參考圖一。這類感測器是運用柯氏力效應（Coriolis Effect）的原理所發展出來的量測技術。簡單地說，當一個物體在旋轉的參考座標上做線性方向運動，就會產生偏離的柯氏力效應現象。

《圖一　振動式陀螺儀分類表》

一些石英廠商以音叉型石英晶體來設計陀螺儀感測器，其運作方式是將基本訊號輸入細長的石英晶體臂（Crystal Arm），此模式稱為驅動模式（Drive Mode）：當石英臂進行旋轉時，會藉由柯氏力效應產生電壓，而此電荷會被有效地偵測到，進而判斷出旋轉的動作，此模式稱為偵測模式（Detect Mode）。這種架構因驅動與偵測都藉由相同的晶體臂，容易造成彼此間的振動雜訊干擾，零點也容易偏移，想要做到薄型化相當困難。

相較之下，同樣基於相同的原理，但Epson Toyocom運用QMEMS精密加工技術開發出Double-T架構，透過簡單的設計獲得有效的感測，同時亦能將雜訊減到最少。Double-T 架構運作時，分布於兩側的兩個T 型振盪器，會先以50.3kHz的對稱波形進行基礎振動，營造出可以形成柯氏力的環境，此為驅動模式。在驅動模式中，兩個T 型振盪器所產生的細微波動，將會在對稱軸上相互抵消。請參考圖二。

《圖二　double-T結構示意圖》

當旋轉發生時，柯氏力效應作用在與基礎振動位移垂直的方向上，進而產生感測振動，啟動偵測模式。一旦進入偵測模式，壓電裝置會感測到振動位移，並經由電路處理進行垂直座標的轉換，再產生線性的電位差（Potential Variation），最後計算出角速度的變化值。

Double-T 架構的優點在於感測臂只在旋轉時發生形變，且感測臂位於整體結構的中央，因此不會遺漏任何振動。同時，其收縮振動位於同一平面上，使其對外部雜訊擁有強大的抵抗力，是一種極為理想的架構。相較於音叉型架構，Double-T架構的驅動軸和偵測軸是分離的，但又是使用同一平面內的振動模式，所以能讓感測器的感度與穩定性大幅改善。其他的優勢包括不會產生振動洩漏，也容易做到平衡調節（Balance Tuning）、歸零偏移低；此外，由於有中央重心的支持，且整體的設計是扁平式架構，因此能夠做到薄型化的設計要求。

QMEMS陀螺儀技術優勢

一顆感測器性能的好壞，一般有五個評估的標準（5個S）：

• ●Speed：回應物理量變化的速度





• ●Sensitivity：對變化回應程度的敏感度





• ●Selectivity：只針對特定變化回應的選擇能力





• ●Straight Response：回應物理變化量的準確性





• ●Stability：保持不受外部環境影響的穩定性

依此標準來看，一顆高品質的感測器必須在各種狀況下都能確保原點不會偏移，刻度也不能因為溫濕度等外部環境影響而產生變化，以及絕對不能出現磁滯現象（hysteresis），或與其他軸線（雜訊）出現相互干擾的現象。除了5S 標準之外，Epson Toyocom 為了因應感測器走向消費性行動應用的趨勢，更增加了兩項S 特性：Small（精巧）與Energy Saving（節能）使感測器能做到更小、更省電。

採石英晶體設計的陀螺儀感測器，是目前最能滿足上述評估標準的高性能解決方案。由於石英晶體的表面溫度特性比其他材料好得多，即使在不同溫度下，驅動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，因而能得到高度的準確性，請參考圖三。在相同雜訊水準之下，石英晶體穩定的平面溫度特性，以及無磁滯（Hysteresis-free）零點溫度特性，也優於其他產品。

《圖三　QMEMS陀螺儀較其他類型產品具有穩定的溫度特性》

陀螺儀應用領域

相機影像穩定系統

數位相機愈做愈小、愈輕的同時也產生手持不穩的晃動現象。要解決此問題，除了提高ISO值來縮短曝光時間外，另一個途徑即是導入防手震的技術。相較於高ISO值會帶來高雜訊的問題，良好的防手震機制能在拍攝過程中，偵測並抑制因手部晃動而造成的影像模糊現象。

防手震的作法有幾種，平價的消費性機種或照相手機會透過軟體演算法將影像做優化處理，不過效果有限；較好的作法是硬體式的鏡頭防手震或CCD防手震，前者將防手震功能做在鏡頭內，後者則做在機身的感測元件上。

硬體式的防手震技術通常被用於數位單眼相機中，即所謂的影像穩定系統。要做到影像穩定系統，有的廠商採用CCD機械浮動原理來設計，也有廠商採用陀螺儀來進行偵測CCD感光元件或鏡頭的震動狀態，回傳到處理器後，再對CCD或鏡頭進行位移補償。一般來說，一台相機需要選用兩個單軸（或一個雙軸）的陀螺儀來進行感測，以對應左右（Yaw），或上下（Pitch）的晃動。

在影像穩定系統中，陀螺儀專門用來偵測角速度（Angular Velocity），也就是相機震動的幅度，並將偵測到的數據回傳給機身的處理器，再透過致動器（Actuator）來修正鏡頭。隨著陀螺儀技術的精進，相較於十年前相機防手震功能只能提升約一級的快門速度，目前的防手震效果已大幅提升。

以Epson Toyocom的超小型振動陀螺儀感測器為例，即便在持續震動的環境中，也能準確地進行歸零的動作，將快門速度一舉提升四級。這種高性能優勢讓該公司的陀螺儀在數位單眼相機中普遍被採用（約佔七成以上市場），其中Canon、Nikon與Panasonic將防手震系統做於鏡頭端，Sony數位單眼（Konica Minolta技術）和Olympus則用於影像感測器端。現今包括輕薄消費型相機也開始加入光學防手震系統，以加強其性能表現，其中25%選擇使用Epson Toyocom的陀螺儀解決方案。

汽車航位推算應用

目前GPS已廣泛被用於行車地圖的導航應用上，但當汽車一進入隧道或高樓間的街道中（或稱城市峽谷，Urban Canyon），往往會因收不到衛星訊號或信號太過紊亂而無法正常導航。此時利用航位推算（DR，Dead Reckoning）技術即可繼續進行輔助導航。航位推算的基本原理是透過特定的感測器來得到移動的速度和方向。在汽車中可結合里程計（Odometer）和方向盤來得到這兩項資訊，也可利用加速度感測器、陀螺儀、電子羅盤等感測器來實現這項功能。

不過，每種感測方式皆有其誤差限制，尤其是長時間的累積誤差會讓航位推算失效。更理想的作法是發展出GPS與DR互補的運作模式，為導航系統做到最佳化。此外，可利用軟體所提供地圖匹配功能，有效鎖定道路，進一步強化定位能力。

由於QMEMS陀螺儀能提供精準的角速度量測，目前GPS解決方案廠商皆與Epson Toyocom合作開發DR應用解決方案，合作對象包括CSR-SiRF、Trimble、u-blox、MediaTek、O2Micro、Qualcomm和SkyTraQ等。

除了汽車輔助慣性導航外，陀螺儀等運動感測器也可延伸用於個人導航設備（Personal Navigation Device；PND）中。個人導航功能可透過加速度感測器來測量速度與位移、利用電子羅盤來獲得正確方位，或利用陀螺儀來測量轉動角度，並可加裝壓力感測器來測量高度的變化，進而了解個人是處於那一個樓層。對於個人導航設備來說，這些感測器的輔助用途極大，能大幅改善因衛星訊號不良而造成的位置漂移現象，讓可定位的環境更大，進而有助於提升LBS（Location Based Service）的使用經驗與接受度。

汽車安全防護感測系統

為了提供汽車更佳的操控性及安全性，目前加裝於汽車中的運動感測器愈來愈多。除了上述的導航應用外，這些感測器也被用於車身翻覆保護系統（Rollover Protection System；RPS）和電子穩定控制系統（Electronic Stability Control；ESC）等安全防護應用上。舉例來說，前者會用到偵測車身翻覆的Y軸陀螺儀（Roll Rate Sensor），後者則會是偵測車頭擺動的Z軸陀螺儀（Yaw Rate Sensor），如圖四。

以翻覆保護系統來說，當Y軸陀螺儀感測到汽車即將翻覆，此系統會立即打開安全氣囊來保護乘客。這屬於被動的安全防護作法，今日的汽車設計更強調主動防護，也就是透過各式汽車電子設備，提前預防汽車事故的發生。其中電子穩定控制系統，即是為了有效防止汽車行駛失控的情況發生。

當ESC系統（又稱Electronic Stability Program；ESP）中的Y軸陀螺儀偵測車頭擺動速度過快，或由加速度感測器偵測到車輪出現滑行現象，汽車電腦會及時對特定的車輪施加制動力（如剎車），以幫助車輛按照駕駛者預期的方向前進。進一步來看，當車輛有轉向不足的傾向時，系統會向轉彎內側的後輪施加制動力；當有轉向過度的傾向時，系統會向轉彎外側的前輪施加制動力，從而保證了行駛的穩定。部分的電子穩定控制系統還會在車輛失控時減低發動機的動力。

《圖四　汽車RPS與ESC中分別採用Yaw及Roll陀螺儀》

《圖五　採用及未採用ESP系統的車子發生緊急狀況時的行駛路線示意圖》

由於QMEMS陀螺儀對衝撞的抵抗力強，即使路狀差造成車子的顛簸，仍能穩定的輸出，因此很適合汽車安全防護的偵測應用。而為了滿足車載安全系統的對使用元件嚴格要求，Epson Toyocom著手開發符合車用認證標準（AEC Q200）的陀螺儀元件。由於汽車輸出的電壓存有不穩定的可能性，因此有別於採用固定參考電壓的消費性應用，車載用陀螺儀的參考電壓是設定為操作電壓的一半，與車用電壓保持浮動平衡。

遠端搖控操作

任天堂的Wii遊戲機一推出市場，由於配備能對使用者動作感測的遠端搖控操作，立即引發市場熱潮。為了提升其操控性，Wii又在原先的搖控器後端加了新的Wii Motion Plus，此一外加組件中的關鍵元件即為陀螺儀感測器，參考圖六。除了 Wii Motion Plus外，目前包括PS3 SIXAXIS和ASUS Eee Stick等遊戲搖控器都採用了Epson Toyocom的陀螺儀感測器。為了滿足更複雜的動作感測能力，未來將再推出六軸的感測器元件（三軸的陀螺儀加三軸的加速度感測器），讓遊戲及3D搖控器等運動感測型介面應用能更得心應手。

《圖六　外加的Wii Motion Plus中採用了陀螺儀感測器》

Epson投入石英型感測器開發

看好石英型感測器的優勢，Epson Toyocom從1995年就開始投入陀螺儀感測器的開發，經過八年，在2003年發表商用化的double-T架構陀螺儀產品。再經過這幾年的持續開發，目前因應不同的應用需求已有一系列的對應產品。性能上的規格差異主要包括可偵測的角速度範圍、尺寸、操作電壓、參考電壓、輸出電壓/角速度（Vout/dps），及是否符合車規要求等等。

為了滿足小型化的需求，Epson Toyocom進一步採用尺寸極小的表面黏著元件（Surface Mount Device；SMD）技術，使其石英振盪器陀螺儀封裝後的尺寸僅5.0mm×3.2mm，小到足以放在指尖；而下一代產品還會做到更小。此外，完全密封的封裝方式使其擁有絕佳的環境耐受力，並同時具有石英晶體振盪器的高穩定性及低耗電睡眠模式等優異特點。

結語

從Wii和iPhone的成功，已可感受到直覺性感測介面對產品價值提升的重要性。而未來，還有更多領域會採用到感測器來實現嶄新的應用，例如對機器人或無人飛行器的遠端操控。目前就有搖控直升機加入了精準的QMEMS陀螺儀，大幅提升了其操控性，能夠從靜止狀態穩定的升空，並能夠精確地做出升降、前進、後退及傾斜等飛行動作，甚至可以穩定的暫停在半空中。

其實，感測器未來發展的關鍵正在於發現人們真實的需求為何？這樣才能思考相對應的解決方案與應用功能，並進一步善用感測器來達成這些功能。很顯然地，感測器應用開發的可能性是非常寬廣的，而QMEMS感測器將在其中扮演重要的推手角色。

到目前為止，本系列技術文章共為讀者介紹了石英元件的發展歷史、時脈元件的應用、石英振盪線路的分析與調整、石英振盪器的類型與特性、QMEMS的特性與優點，以及QMEMS陀螺儀關鍵應用等，相信各位讀者現在對我們日常生活中隨處可見的石英元件，有了更深一層的認識。本系列文章就到這邊告一個段落，我們衷心期盼在不久的將來，石英元件及其應用產品能為世人帶來更大的福利。

---作者任職於台灣愛普生科技 電子零件事業群---