石英擁有高準確性、極低耗電量，以及絕佳穩(wěn)定性等卓越特性，使其特別適合用于感測相關(guān)市場領(lǐng)域，創(chuàng)造出許多客戶能夠安心采用的全新應(yīng)用產(chǎn)品，并進一步為我們的日常生活帶來重大改變。本文將從傳感器在裝置中扮演的角色談起，探討優(yōu)良的傳感器應(yīng)具備的基本要素，并以Epson Toyocom原創(chuàng)的“double-T”架構(gòu)為例，說明以石英晶體為材質(zhì)制造的陀螺儀，如何為感測領(lǐng)域帶來嶄新的風(fēng)貌。 優(yōu)良傳感器的“5S”標準 　　若拿“以量尺量測物體”為例，探討何謂優(yōu)良的傳感器，則可以歸納出五項前綴均為S開頭的標準，我們姑且稱之為“5S”。 　　首先，為了準確地測量物體的長度，我們必須先把量尺的原點校準受測物體的末端。若量尺的長度不及受測物體，我們通常會進行多段式測量：第一次測量先在量尺長度所及之處先做記號，然后再將量尺的原點對準記號處進行第二次測量，以此類推。但是，這樣的方式可能產(chǎn)生各式各樣的錯誤，譬如量尺擺放的角度傾斜、原點校準的偏差、移動量尺時所做的記號偏離，甚至量尺本身刻度是不正確等等。 　　將上述概念應(yīng)用在傳感器上，為了避免可能的誤差產(chǎn)生，優(yōu)良的傳感器無論在任何情況下，都必須確?！霸c”的固定，絕不能出現(xiàn)原點偏移，刻度也不能因為溫濕度等外部環(huán)境影響而變化、絕對不能出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象（hysteresis），或與其它軸線（噪聲）出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象。 　　再以“汽車緊急煞車”的例子進一步說明，當(dāng)駕駛踩下煞車踏板時，系統(tǒng)便會產(chǎn)生線性地產(chǎn)生煞車作用。也就是說，系統(tǒng)將會立即以改變物理量的方式，響應(yīng)煞車這項指令，而感測的結(jié)果將與變化程度成正比，而這樣的特性對感測裝置來說至關(guān)重要。 　　基于以上兩個例子，我們可以歸納出5個以S為前綴的傳感器特性，包括Speed（回應(yīng)物理量變化的速度）、Sensitivity（對變化響應(yīng)程度的敏感度）、Selectivity（只針對特定變化響應(yīng)的選擇能力）、Straight Response（回應(yīng)物理變化量的準確性），以及Stability（保持不受外部環(huán)境影響的穩(wěn)定性）。5S同時也可以作為衡量傳感器效能的重要標準。 更佳的歸零特性 　　陀螺儀傳感器（gyro-sensor）正好符合上述的5S標準，并且已被廣泛運用在數(shù)字單眼相機（digital single-lens reflex，泛稱DSLR）中，大幅改善數(shù)位單眼相機的影像穩(wěn)定效能。 　　陀螺儀傳感器目前在數(shù)位單眼相機中，是專門用來偵測角速度（angular velocity），也就是相機震動的幅度。之后再透過致動器（actuator），將偵測到的相機震動幅度數(shù)據(jù)回傳到鏡頭。10年前相機防手震功能首度問世時，陀螺儀傳感器的5S效能遠遜于目前的水平，且只能提升約一級的快門速度。然而，時至今日，陀螺儀傳感器的5S效能已大幅提升。以Epson Toyocom于2005 年推出的XV-3500CB超小型振動陀螺儀傳感器為例，即便在持續(xù)震動的環(huán)境中，也能準確地進行歸零的動作，將快門速度一舉提升4級。 　　Epson Toyocom為專業(yè)的石英晶體組件制造商，是由日本精工愛普生公司（Seiko Epson Corp.）的石英組件事業(yè)部，以及日本東洋通信機公司（Toyocom Corp.）合并組成。由于該兩家公司在設(shè)計生產(chǎn)石英晶體電子組件方面，均擁有十分豐富的經(jīng)驗，透過整合兩家公司優(yōu)勢所帶來的綜效，進一步促使產(chǎn)業(yè)大量開發(fā)以石英單晶體為材料的創(chuàng)新產(chǎn)品。 　　如前所述，陀螺儀傳感器由于具備穩(wěn)定光學(xué)影像的特性，目前已被應(yīng)用在為數(shù)眾多的數(shù)位單眼相機中，并逐漸延伸至汽車導(dǎo)航系統(tǒng)及其他產(chǎn)品。隨著封裝技術(shù)的不斷進步，芯片尺寸的持續(xù)縮減，擁有高度準確性、穩(wěn)定性及其他特性陀螺儀傳感器，更將逐步應(yīng)用在更多元的產(chǎn)品應(yīng)用當(dāng)中。 　　雖然許多人都聽過陀螺儀傳感器（gyro-sensor）這個名詞，但出乎意料地，大多數(shù)人都不清楚其內(nèi)涵到底為何，并似乎有許多人將它與加速度傳感器（acceleration sensor）混為一談。陀螺儀傳感器是角速度傳感器的一種，能夠量測人類無法感覺到的物理量變化。目前角速度傳感器尚不普及的主要原因，除了測量角速度本身有其困難性之外，人類感官無法感覺到角速度的變化，也是一個重要的因素。畢竟，對大多數(shù)人而言，正確地體會一件自己無法感覺得到的事物是相當(dāng)困難的事情。 以石英晶體振蕩器為基礎(chǔ)的陀螺儀 　　基于在石英晶體組件方面的長足經(jīng)驗，Epson Toyocom以石英晶體振蕩器制造陀螺儀，并在需要高準確性、無磁滯現(xiàn)象、低歸零偏移及其他特性的產(chǎn)品領(lǐng)域中獲得極高評價，現(xiàn)今已應(yīng)用于各式各樣的產(chǎn)品之中。Epson Toyocom采用單一偵測軸線，及尺寸極小的表面黏著組件（SMD，surface mount device），使其石英振蕩器陀螺儀封裝后的尺寸僅5.0mm x 3.5mm，小到足以放在指尖。完全密封的封裝方式使其擁有絕佳的環(huán)境耐受力，并同時具有石英晶體振蕩器的高穩(wěn)定性及低耗電睡眠模式等優(yōu)異特點。 　　石英振蕩器陀螺儀的運作方式，首先將基本信號輸入細長的石英晶體臂（crystal arm），當(dāng)石英臂進行旋轉(zhuǎn)時，會藉由科氏力效應(yīng)產(chǎn)生電壓，而此電荷會被有效地偵測到，進而判斷出旋轉(zhuǎn)的動作。此技術(shù)通常多采用音叉?zhèn)鞲衅鳎╰uning sensor），但Epson Toyocom將相同的原理套用在其原創(chuàng)的double-T架構(gòu)中，透過簡單的設(shè)計獲得有效的感測，同時亦能有效將噪聲減到最少。 　　double-T架構(gòu)運作時，分布于兩側(cè)的兩個T型振蕩器，會先以10 kHz左右的對稱波形進行基礎(chǔ)振動，此為驅(qū)動模式（drive mode）。在驅(qū)動模式中，兩個T型振蕩器所產(chǎn)生的細微波動，將會在對稱軸上相互抵消。當(dāng)旋轉(zhuǎn)發(fā)生時，科氏力效應(yīng)作用在與基礎(chǔ)振動位移垂直的方向上，進而產(chǎn)生感測振動，啟動感測模式（sensing mode）。一旦進入感測模式，壓電裝置會偵測到感測振動位移，并經(jīng)由相位偏移后或重復(fù)施用等電路處理，進行垂直坐標的轉(zhuǎn)換，最后產(chǎn)生線性的電位差（potential variation）。 　　double-T架構(gòu)的優(yōu)點在于感測臂只在旋轉(zhuǎn)時振動，其設(shè)計從底座開始收縮，因此不會遺漏任何振動。同時，其收縮振動位于同一平面上，使其對外部噪聲擁有強大的抵抗力，是一種極為理想的架構(gòu)。此外，石英單晶體的表面溫度特性比壓電陶瓷好得多，即使在不同溫度下，驅(qū)動模式和感測模式依然呈現(xiàn)相同的變化程度，輸出結(jié)果也僅有極小的溫度相依性。在相同噪聲水平之下，石英單晶體穩(wěn)定的平面溫度特性，以及無磁滯（hysteresis-free）零點溫度特性，也優(yōu)于其他產(chǎn)品。 QMEMS讓“5S”升級“7S”- 實現(xiàn)“Pure”的境界 　　由于具備5S特性，使得Epson Toyocom的陀螺傳感器，幾乎能在任何環(huán)境下傳回精確的資料。然而，除了5S標準之外，Epson Toyocom更增加了兩項S特性：Small（精巧）與Energy Saving（節(jié)能）。這項創(chuàng)舉，為傳感器產(chǎn)業(yè)樹立了全新的7S標準。7S設(shè)計同時也意謂著芯片具有高度的可移動性，因此，未來也許可以用于移動電話之中，以減少手部振動的影響。 　　所謂的“Pure”，意指即使在環(huán)境具有內(nèi)部或外部噪聲的情況下，傳感器也能夠針對目標物體，正確地進行量測并回傳清晰的結(jié)果，并且能夠量測在靜止?fàn)顟B(tài)下的物體，也因此這類傳感器的易用性會比較高。Epson Toyocom的石英晶體組件已經(jīng)可以達成這樣的效果，因為它能夠提供高信噪比、高敏感性及高穩(wěn)定性，并且能夠避免溫度相依性或磁滯現(xiàn)象。它所具備的優(yōu)異效能，將使其更能廣泛地被應(yīng)用在各種領(lǐng)域之中。 　　Epson Toyocom在2008年10月舉辦的CEATEC展覽中，展示嵌入石英晶體陀螺儀傳感器的氣墊船。為了讓石英晶體陀螺儀傳感器的效果更好，氣墊船以一般的船尾漂移方式前進，而陀螺儀傳感器則試圖在前進時讓船身不產(chǎn)生漂移。不過，這個展示仍有與現(xiàn)實狀況不符合的地方，例如：航道的摩擦系數(shù)實際上為零。 　　傳感器裝置制造商現(xiàn)階段的目標，就是能夠盡可能提供效果極接近“Pure”的產(chǎn)品，以促進傳感器的廣泛使用。目前的傳感器是以電位型式輸出信號，用戶如欲將此信號傳送到微處理器，必須藉由濾波器、類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器或其他組件來轉(zhuǎn)換信號。而裝置制造商的目標，就是將這些后續(xù)處理功能全部內(nèi)建于產(chǎn)品之中，以期在不同使用狀態(tài)下皆能傳回相同的數(shù)值。在達到這個目標之后，下一步便將朝向智能型感測（smart sensing）階段發(fā)展。 傳感器未來應(yīng)用趨勢 - 智能型傳感器 　　在逐步發(fā)展之下，可以預(yù)期智能型傳感器將開啟各種產(chǎn)品新應(yīng)用的大門，例如會暈車的機器人!目前有許多公司正著手將三軸加速度傳感器與三軸陀螺儀傳感器加以整合，并開發(fā)能仿真人類感官機能的系統(tǒng)。若此構(gòu)想能夠?qū)崿F(xiàn)，制造出會暈車的機器人將不再是夢想，并將有助于測試開發(fā)防止暈車的汽車。 　　事實上，迫切需要高感度傳感器的應(yīng)用項目之一就是整車控制（overall vehicle control），包括處理水平滑動（偏離角）、加速度、搖晃及顛簸等狀況的能力。此類技術(shù)的開發(fā)將會讓司機的工作從實際駕駛汽車，轉(zhuǎn)變?yōu)閮H需指示目的地和監(jiān)控自動駕駛系統(tǒng)的效能。 　　若傳感器用于保健或安全等相關(guān)領(lǐng)域，對傳感器的要求將會更加嚴格。高感度傳感器必須嚴格控管溫度和磁滯特性等規(guī)格特性進行改善，以確保其準確度。目前用戶必須自行追蹤傳感器的外部變量，并消除任何可能產(chǎn)生的影響，以至于他們必須具備某些技能，才能夠有效地操作傳感器。而工程師未來的目標則是希望智能型傳感器能夠自主作業(yè)，在此情況下，傳感器的設(shè)計標準可能要從5S 進一步發(fā)展為7S或9S。 石英晶體在傳感器上的下個應(yīng)用-壓力、加速度傳感器 　　目前，Epson Toyocom正著手開發(fā)各種石英晶體傳感器，除了目前已有的陀螺儀傳感器外，更包括壓力和加速度傳感器。石英晶體壓力傳感器透過偵測對石英晶體振蕩器施用張力或壓縮應(yīng)力產(chǎn)生的振蕩頻率變化，來進行運作。此設(shè)計能提供高解析的感測，因為在裝置的動態(tài)范圍內(nèi)，頻率變化能在廣達10%的振蕩頻率范圍中轉(zhuǎn)換為壓力值，而頻率穩(wěn)定性則可落在1ppm的區(qū)間內(nèi)。透過以數(shù)位頻率值的方式呈現(xiàn)輸出結(jié)果，即可簡化后續(xù)設(shè)計程序。 　　另一方面，石英晶體加速傳感器實際上屬于頻率變更傳感器，因此也可用于量測重力加速度。加速度將壓力施于石英晶體壓電振蕩器上，使其壓電特性和振蕩頻率產(chǎn)生變化。在±1G的加速度下，它具備100ppm/G 的敏感性和約1mG 的解析度。若能將陀螺儀傳感器和壓力、加速等傳感器，妥善搭配石英晶體的卓越特性，將可大幅擴展產(chǎn)品應(yīng)用的范圍（表1）。 改善用戶接口的關(guān)鍵組件 　　最后，傳感器未來發(fā)展的最關(guān)鍵要素在于找出人們想要做什么。知道人們想要什么后，就能夠為其建立所需的接口，并得知其運作應(yīng)該搭配何種傳感器。因為，解決應(yīng)用問題要從確定傳感器究竟需要何種程度的效能開始。 　　若將石英晶體的優(yōu)點結(jié)合微機電系統(tǒng)（MEMS）制程，將可能開發(fā)出小型、輕巧、低功耗且即插即用的感應(yīng)裝置。Epson Toyocom已藉此建置其傳感器的產(chǎn)品線，并將該制造方法稱為QMEMS。QMEMS的應(yīng)用范圍將無遠弗屆，舉例來說，將陀螺儀傳感器嵌入手表內(nèi)，即可用來量測人體的動作。QMEMS傳感器擁有徹底革新人類日常生活的潛力。