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石英加速度计将为感测领域带来新风貌

话题调查中国仪表网2009年10月12日 10:15人气:1252

石英拥有高准确性、极低耗电量,以及绝佳稳定性等卓越特性,使其特别适合用于感测相关市场领域,创造出许多客户能够安心采用的全新应用产品 ,并进一步为我们的日常生活带来重大改变。本文将从传感器在装置中扮演的角色谈起,探讨优良的传感器应具备的基本要素,并以Epson Toyocom原创的“double-T”架构为例,说明以石英晶体为材质制造的陀螺仪,如何为感测领域带来崭新的风貌。

优良传感器的“5S”标准

若拿“以量尺量测物体”为例,探讨何谓优良的传感器,则可以归纳出五项前缀均为S开头的标准,我们姑且称之为“5S”。

首先,为了准确地测量物体的长度,我们必须先把量尺的原点校准受测物体的末端。若量尺的长度不及受测物体,我们通常会进行多段式测量:第一次测量先在量尺长度所及之处先做记号,然后再将量尺的原点对准记号处进行第二次测量,以此类推。但是,这样的方式可能产生各式各样的错误,譬如量尺摆放的角度倾斜、原点校准的偏差、移动量尺时所做的记号偏离,甚至量尺本身刻度是不正确等等。

将上述概念应用在传感器上,为了避免可能的误差产生,优良的传感器无论在任何情况下,都必须确保“原点”的固定,绝不能出现原点偏移,刻度也不能因为温湿度等外部环境影响而变化、绝对不能出现磁滞现象(hysteresis),或与其它轴线(噪声)出现相互干扰的现象。

再以“汽车紧急煞车”的例子进一步说明,当驾驶踩下煞车踏板时,系统便会产生线性地产生煞车作用。也就是说,系统将会立即以改变物理量的方式,响应煞车这项指令,而感测的结果将与变化程度成正比,而这样的特性对感测装置来说至关重要。

基于以上两个例子,我们可以归纳出5个以S为前缀的传感器特性,包括Speed(回应物理量变化的速度)、Sensitivity(对变化响应程度的敏感度)、Selectivity(只针对特定变化响应的选择能力)、Straight Response(回应物理变化量的准确性),以及Stability(保持不受外部环境影响的稳定性)。5S同时也可以作为衡量传感器效能的重要标准。

更佳的归零特性

陀螺仪传感器(gyro-sensor)正好符合上述的5S标准,并且已被广泛运用在数字单眼相机(digital single-lens reflex,泛称DSLR)中,大幅改善数位单眼相机的影像稳定效能。

陀螺仪传感器目前在数位单眼相机中,是专门用来侦测角速度(angular velocity),也就是相机震动的幅度。之后再透过致动器(actuator),将侦测到的相机震动幅度数据回传到镜头。10年前相机防手震功能首度问世时,陀螺仪传感器的5S效能远逊于目前的水平,且只能提升约一级的快门速度。然而,时至今日,陀螺仪传感器的5S效能已大幅提升。以Epson Toyocom于2005 年推出的XV-3500CB超小型振动陀螺仪传感器为例,即便在持续震动的环境中,也能准确地进行归零的动作,将快门速度一举提升4级。

Epson Toyocom为专业的石英晶体组件制造商,是由日本精工爱普生公司 (Seiko Epson Corp.)的石英组件事业部,以及日本东洋通信机公司(Toyocom Corp.)合并组成。由于该两家公司在设计生产石英晶体电子组件方面,均拥有十分丰富的经验,透过整合两家公司优势所带来的综效,进一步促使产业大量开发以石英单晶体为材料的创新产品。

如前所述,陀螺仪传感器由于具备稳定光学影像的特性,目前已被应用在为数众多的数位单眼相机中,并逐渐延伸至汽车导航系统及其他产品。随着封装技术的不断进步,芯片尺寸的持续缩减,拥有高度准确性、稳定性及其他特性陀螺仪传感器,更将逐步应用在更多元的产品应用当中。

虽然许多人都听过陀螺仪传感器(gyro-sensor)这个名词,但出乎意料地,大多数人都不清楚其内涵到底为何,并似乎有许多人将它与加速度传感器(acceleration sensor)混为一谈。陀螺仪传感器是角速度传感器的一种,能够量测人类无法感觉到的物理量变化。目前角速度传感器尚不普及的主要原因,除了测量角速度本身有其困难性之外,人类感官无法感觉到角速度的变化,也是一个重要的因素。毕竟,对大多数人而言,正确地体会一件自己无法感觉得到的事物是相当困难的事情。

以石英晶体振荡器为基础的陀螺仪

基于在石英晶体组件方面的长足经验,Epson Toyocom以石英晶体振荡器制造陀螺仪,并在需要高准确性、无磁滞现象、低归零偏移及其他特性的产品领域中获得极高评价,现今已应用于各式各样的产品之中。Epson Toyocom采用单一侦测轴线,及尺寸极小的表面黏着组件(SMD,surface mount device),使其石英振荡器陀螺仪封装后的尺寸仅5.0mm x 3.5mm,小到足以放在指尖。完全密封的封装方式使其拥有绝佳的环境耐受力,并同时具有石英晶体振荡器的高稳定性及低耗电睡眠模式等优异特点。

石英振荡器陀螺仪的运作方式,首先将基本信号输入细长的石英晶体臂(crystal arm),当石英臂进行旋转时,会藉由科氏力效应产生电压,而此电荷会被有效地侦测到,进而判断出旋转的动作。此技术通常多采用音叉传感器(tuning sensor),但Epson Toyocom将相同的原理套用在其原创的double-T架构中,透过简单的设计获得有效的感测,同时亦能有效将噪声减到最少。

double-T架构运作时,分布于两侧的两个T型振荡器,会先以10 kHz左右的对称波形进行基础振动,此为驱动模式(drive mode)。在驱动模式中,两个T型振荡器所产生的细微波动,将会在对称轴上相互抵消。当旋转发生时,科氏力效应作用在与基础振动位移垂直的方向上,进而产生感测振动,启动感测模式(sensing mode)。一旦进入感测模式,压电装置会侦测到感测振动位移,并经由相位偏移后或重复施用等电路处理,进行垂直坐标的转换,最后产生线性的电位差(potential variation)。

double-T架构的优点在于感测臂只在旋转时振动,其设计从底座开始收缩,因此不会遗漏任何振动。同时,其收缩振动位于同一平面上,使其对外部噪声拥有强大的抵抗力,是一种极为理想的架构。此外,石英单晶体的表面温度特性比压电陶瓷好得多,即使在不同温度下,驱动模式和感测模式依然呈现相同的变化程度,输出结果也仅有极小的温度相依性。在相同噪声水平之下,石英单晶体稳定的平面温度特性,以及无磁滞(hysteresis-free)零点温度特性,也优于其他产品。

QMEMS让“5S”升级“7S”- 实现“Pure”的境界

由于具备5S特性,使得Epson Toyocom的陀螺传感器,几乎能在任何环境下传回精确的资料。然而,除了5S标准之外,Epson Toyocom更增加了两项S特性:Small(精巧)与Energy Saving(节能)。这项创举,为传感器产业树立了全新的7S标准。7S设计同时也意谓着芯片具有高度的可移动性,因此,未来也许可以用于移动电话之中,以减少手部振动的影响。

所谓的“Pure”,意指即使在环境具有内部或外部噪声的情况下,传感器也能够针对目标物体,正确地进行量测并回传清晰的结果,并且能够量测在静止状态下的物体,也因此这类传感器的易用性会比较高。Epson Toyocom的石英晶体组件已经可以达成这样的效果,因为它能够提供高信噪比、高敏感性及高稳定性,并且能够避免温度相依性或磁滞现象。它所具备的优异效能,将使其更能广泛地被应用在各种领域之中。

Epson Toyocom在2008年10月举办的CEATEC展览中,展示嵌入石英晶体陀螺仪传感器的气垫船。为了让石英晶体陀螺仪传感器的效果更好,气垫船以一般的船尾漂移方式前进,而陀螺仪传感器则试图在前进时让船身不产生漂移。不过,这个展示仍有与现实状况不符合的地方,例如:航道的摩擦系数实际上为零。

传感器装置制造商现阶段的目标,就是能够尽可能提供效果极接近“Pure”的产品,以促进传感器的广泛使用。目前的传感器是以电位型式输出信号,用户如欲将此信号传送到微处理器,必须藉由滤波器、类比数位转换器或其他组件来转换信号。而装置制造商的目标,就是将这些后续处理功能全部内建于产品之中,以期在不同使用状态下皆能传回相同的数值。在达到这个目标之后,下一步便将朝向智能型感测(smart sensing)阶段发展。

传感器未来应用趋势 - 智能型传感器

在逐步发展之下,可以预期智能型传感器将开启各种产品新应用的大门,例如会晕车的机器人!目前有许多公司正着手将三轴加速度传感器与三轴陀螺仪传感器加以整合,并开发能仿真人类感官机能的系统。若此构想能够实现,制造出会晕车的机器人将不再是梦想,并将有助于测试开发防止晕车的汽车。

事实上,迫切需要高感度传感器的应用项目之一就是整车控制(overall vehicle control),包括处理水平滑动(偏离角)、加速度、摇晃及颠簸等状况的能力。此类技术的开发将会让司机的工作从实际驾驶汽车,转变为仅需指示目的地和监控自动驾驶系统的效能。

若传感器用于保健或安全等相关领域,对传感器的要求将会更加严格。高感度传感器必须严格控管温度和磁滞特性等规格特性进行改善,以确保其准确度。目前用户必须自行追踪传感器的外部变量,并消除任何可能产生的影响,以至于他们必须具备某些技能,才能够有效地操作传感器。而工程师未来的目标则是希望智能型传感器能够自主作业,在此情况下,传感器的设计标准可能要从5S 进一步发展为7S或9S。

石英晶体在传感器上的下个应用-压力、加速度传感器

目前,Epson Toyocom正着手开发各种石英晶体传感器,除了目前已有的陀螺仪传感器外,更包括压力和加速度传感器。石英晶体压力传感器透过侦测对石英晶体振荡器施用张力或压缩应力产生的振荡频率变化,来进行运作。此设计能提供高解析的感测,因为在装置的动态范围内,频率变化能在广达10%的振荡频率范围中转换为压力值,而频率稳定性则可落在1ppm的区间内。透过以数位频率值的方式呈现输出结果,即可简化后续设计程序。

另一方面,石英晶体加速传感器实际上属于频率变更传感器,因此也可用于量测重力加速度。加速度将压力施于石英晶体压电振荡器上,使其压电特性和振荡频率产生变化。在±1G的加速度下,它具备100ppm/G 的敏感性和约1mG 的解析度。若能将陀螺仪传感器和压力、加速等传感器,妥善搭配石英晶体的卓越特性,将可大幅扩展产品应用的范围。

改善用户接口的关键组件

最后,传感器未来发展的最关键要素在于找出人们想要做什么。知道人们想要什么后,就能够为其建立所需的接口,并得知其运作应该搭配何种传感器。因为,解决应用问题要从确定传感器究竟需要何种程度的效能开始。

若将石英晶体的优点结合微机电系统(MEMS)制程,将可能开发出小型、轻巧、低功耗且即插即用的感应装置。Epson Toyocom已藉此建置其传感器的产品线,并将该制造方法称为QMEMS。QMEMS的应用范围将无远弗届,举例来说,将陀螺仪传感器嵌入手表内,即可用来量测人体的动作。QMEMS传感器拥有彻底革新人类日常生活的潜力。
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