MEMS陀螺儀工作原理及創新應用

MEMS陀螺儀並不是最早應用在消費電子上的運動傳感器，加速度傳感器、電子羅盤早先一步進入了消費電子市場。雖然以重力為參照的加速度傳感器和以地磁為參照的電子羅盤可以在地球表面形成垂直和水平面的三維空間覆蓋，但因為二者均以地球而並非物體本身為參照物，因此不能很好地模擬物體的整個運動過程。此外，由於加速度傳感器容易受到線性運動時產生的力的幹擾、電子羅盤容易受到諸如金屬及手機等其他磁場的幹擾，其應用受到了很大的局限。陀螺儀這個測量角速度的傳感器不僅以物體本身作為參照物，而且具有很高的精度，因此可以對其他運動傳感器做有益的補充，從而使得運動檢測更加完備。

任天堂的Wii最初採用了三軸(X、Y、Z)加速度傳感器，後來又增加了陀螺儀。「任天堂早就知道光有三軸加速度傳感器是不夠的。只是當時市面上還沒有消費電子級別的陀螺儀可以使用，直到Invensense推出了第一款用於消費電子的MEMS陀螺儀。」Invensense移動產品事業部系統工程總監林尚宏表示。這一情況也發生在了蘋果CEO賈伯斯的身上。在2010年6月iPhone 4的發布會上，賈伯斯親自演示了陀螺儀帶來的偵測出物體水平方向旋轉的創新應用—這一應用是單獨基於其他運動傳感器無法實現的。因此，通過了解陀螺儀的工作原理，我們可以切身體會到任天堂和蘋果對陀螺儀曾經的企盼，而且也可以幫助國內的消費電子終端廠商巧妙地應用該器件以實現多樣化的創新應用。

陀螺儀可以對加速度傳感器和電子羅盤進行有益的補充。當三軸陀螺儀加上三軸加速度傳感器形成六軸的運動傳感器之後，基本上可以檢測到所有形式的運動，包括速度、方向、位移等參數。「物體的運動無外乎六種，X、Y、Z三個方向的位移和X、Y、Z三個方向的轉動。這六種運動方式組成了物體完整的運動軌跡。」 Invensense移動產品事業部副總裁姜正耀表示。如果在六軸運動傳感器上加上電子羅盤，則在檢測運動軌跡的同時還可以修正絕對位置，實現完美的物體運動軌跡跟蹤。因此，未來陀螺儀的進一步發展應用，是和加速度傳感器及電子羅盤緊密聯繫的。

加速度傳感器相當於一個重錘在中間的彈簧系統，四面八方有彈簧撐著它。平放在桌面時，有的彈簧被拉長，有的被壓扁。變化時，不同的彈簧受到不同的壓縮，從而偵測出不同方向的力。它的典型應用包括手機/相機畫面水平和垂直的切換。

電子羅盤主要偵測地磁。常見的電子羅盤主要基於霍爾效應。但是地磁環境不完美，比如地磁的南極在地球不同的表面不一定指的同一個北方；而在地球不同緯度，地磁的方向和水平方向的夾角也不同。因此電子羅盤只能指一個大致的方向，然後進行修正。此外，電子羅盤還容易受到如金屬、揚聲器、天線等磁場的幹擾。尤其是應用在手機上時，需要特別小心地在PCB上選一個合適的位置。

陀螺儀偵測的是角速度。基於科裡奧利力的原理：當一個物體在坐標系中直線移動時，假設坐標系做一個旋轉，那麼在旋轉的過程中，物體會感受到一個垂直的力和垂直方向的加速度。「颱風的形成就是基於這個原理。地球轉動帶動大氣轉動，如果大氣轉動時受到一個切向力，便容易形成颱風。而北半球和南半球檯風轉動的方向是不一樣的。」林尚宏用一個形象的比喻解釋了科裡奧利力的原理。而要在MEMS器件中實現該原理做成陀螺儀，則複雜許多。「先用MEMS做一個震動系統，通過快速穩定的震動產生一個線性的運動V，當V的平面有一個旋轉的拓撲出來的時候，就可以檢測出科裡奧利力的方向，根據公式可以算出角速度。用不同方向的震動來偵測出X、Y、Z軸的角速度，並可通過穩定的震蕩去掉重力的幹擾。」林尚宏解釋道。

圖2：MEMS陀螺儀工作原理模擬圖示

「加速度傳感器和電子羅盤以地球為參照物進行方向的偵測。加速度傳感器偵測物體和重力角度的差異，電子羅盤偵測物體和北方角度的差異，如果偵測到地心和北方，就能定三軸。但是加速度傳感器不光偵測重力，所有各個方向的力都會被偵測到；而電子羅盤偵測的磁場會被其他磁場所幹擾。因此二者在檢測物體運動時，有很多不足的地方。陀螺儀的參照物是自己本身，因此可以偵測出物體轉換位置的過程。如果物體平放不動的時候，則只要使用加速度傳感器或電子羅盤就夠了。通過上述原理，我們可以把幾種傳感器配合使用，比如相互做精度校正，或一起完備地偵測出物體的運動方向和軌跡等。」林尚宏表示。

表一：常見傳感器使用概況與分析

陀螺儀開啟消費電子創新應用

陀螺儀的出現，給了消費電子很大的應用發揮空間。比如就設備輸入的方式來說，在鍵盤、滑鼠、觸控螢幕之後，陀螺儀又給我們帶來了手勢輸入，由於它的高精度，甚至還可以實現電子籤名；還比如讓智慧型手機變得更智慧：除了移動上網、快速處理數據外，還能「察言觀色」，知道主人在哪裡，興趣是什麼，並提供相應的服務。除了以上幾種，還有很多應用領域值得廠商們去探索。林尚宏推薦了下面幾種創新的應用方式供參考。

1. 遊戲

可通過陀螺儀實現高速遊戲，如高爾夫、羽毛球和鬥劍等。這些遊戲要偵測到很快速的揮動，這對目前的加速度傳感器來說，是很大__的挑戰。「泰格•伍茲揮桿時，桿頭在0.2s內達到180km/s的速度，這相當於瞬間的加速度達到11個重力加速度。現在面向消費電子類的加速度傳感器測量範圍達不到這麼大。如果利用陀螺儀則可以精確地偵測到這個快速揮動，揮桿時桿頭角速度約為1,800°/s，相當於1s揮5~6圈，這在陀螺儀角速度偵測範圍內，因此可以很好地模擬出這個遊戲的真實場景。」林尚宏表示。

另一種如射擊類遊戲要求設備保持不動，然後做很細微的調整後進行射擊。這種遊戲要求高精度和低幹擾，現有的加速度傳感器不能達到該要求。林尚宏舉例說，「我們假設射擊遊戲的誤差角度為±5°，換算給加速度傳感器後，cos5°相當於3~4‰的重力加速度，現有的加速度傳感器精度達不到這個量級，沒法瞄準射擊。陀螺儀可以偵測到很細微的手的抖動，幹擾也很低，拿著10s不動時偏移才0.05°左右，很適合用於這種瞄準的遊戲。」

2. 人機界面

在人機界面領域，陀螺儀也可以進行很好的創新。早在兩三年前，羅技就在其滑鼠上添加陀螺儀和加速度傳感器實現指示器(雷射筆)的功能。現在，通過陀螺儀，可以在消費電子產品上實現手勢的輸入，比如在空中寫字，或者通過晃動、振蕩等方式實現手勢對設備功能的控制。陀螺儀對角速度的偵查很精準，甚至還可以實現識別籤名等生物特徵，因此可以用手勢籤信用卡、支票，實現E Cash的應用。「手勢控制的另一個好處是可以為消費電子省電。當你依靠手勢進行某些功能的控制時，不需要開啟屏幕背光。例如打電話給爸爸，握著手機在空中寫一個『D』，手機就自動撥號給爸爸，而不需點亮屏幕進行撥號，這種方式可以大大節省屏幕背光的耗電量。」林尚宏補充道。

3. 定位功能

利用陀螺儀可以對GPS和電子羅盤進行補充。例如在隧道或停車場等地，GPS會丟失信號，這時陀螺儀可以根據車子運動的方向和速度，輔助盲區導航；在立交橋等立體道路上，GPS無法識別汽車在哪一層，陀螺儀則可以通過偵測到汽車上坡的動作，根據速度推算汽車到了第幾層。盲區導航功能如果用加速度傳感器來實現，需要先去除重力加速度，測得線性加速度，再根據車速推算車的行徑軌跡，運算起來比較複雜；而如果用電子羅盤來實現盲區導航時，則容易出現漂移，需要對導航儀畫「8」字形進行校正，從而識別和去掉雜磁。這個校正的動作對司機來說很不方便，但如果配合陀螺儀使用，則可以在很小的位移範圍內快速實現電子羅盤的校正。

除了汽車導航外，還可以通過陀螺儀實現行人盲區導航。不過林尚宏指出，行人的盲區導航比車子的盲區導航更難，因為車子的運行相對簡單，而行人將設備放在不同位置時測得的數據相差很大，例如放腰部和放腿部檢測到的信號跳動不一樣，需要傳感器濾波。實現行人的盲區導航是一項浩大的工程，目前還正在探討過程中。

4. 影像防手震

目前有兩種實現方式，一是EIS(電子防手震)，另一種是OIS(光學防手震)。陀螺儀目前已經被廣泛使用在了EIS上，通過兩軸陀螺儀檢測到手震動，快速實現幾次重複拍照，然後把手震動前後拍下的照片中影像重複的地方切下來。如果配合電子羅盤使用，還可以做到絕對位置的修正。「用陀螺儀實現防手震有很多好處，比如精確，使得圖片疊加的質量更好；陀螺儀檢測到的是攝像頭本身的震動，可以與物體的震動區分開來，避免誤操作；同時還可以與其他傳感器做配合等。」林尚宏指出。姜正耀則表示，影像防抖動的功能即將被應用到手機中去。「陀螺儀應用在遊戲機中時，只需要6%的精度就夠用，而手機需要的精度高很多。Invensense現在有1%精度的產品供手機使用，在2011年上半年，就將有實現了影像防抖動技術的手機面市。」他介紹道。當手機藉助陀螺儀實現了EIS之後，對可視電話功能有很大的幫助。因為影像抖動時，數據量很大，陀螺儀對影像進行防抖處理後數據量將大幅減少，再傳輸時既可以節省無線帶寬，又可提高幀幅，從而優化視頻的清晰度和流暢度。

此外，還可以實現計步器應用，以及通過攝像頭將設備的運動和實景相結合等應用。

表二：傳感器在消費電子中的應用