加 速 度 感 測 器 與 電 子 羅 盤 的 原 理 介 紹 引 文 : 加 速 度 感 測 器 與 電 子 羅 盤 這 名 詞 對 大 家 可 能 比 較 陌 生, 但 如 果 提 到 G sensor 及 E-compass 在 近 幾 年 消 費 性 市 場 上 可 說 是 大 大 有 名, 因 為 任 何 手 持 式 產 品 或 是 人 機 互 動 介 面 都 會 加 入 此 功 能 本 文 會 從 工 作 原 理 介 紹 起, 並 討 論 兩 者 搭 配 及 應 用 本 文 : 在 討 論 G+M solution ( 加 速 度 器 + 地 磁 感 測 器 解 決 方 案 ) 的 應 用 前, 就 要 先 介 紹 G sensor 的 製 程 與 架 構, 也 必 須 先 了 解 何 謂 MEMS (micro electronic mechanical system 微 機 械 電 子 系 統 ), 因 為 MEMS 技 術 的 演 進, 包 含 電 容 製 程 的 陀 螺 儀 (Gyro) 與 加 速 度 儀 (G sensor) 感 測 器, 才 能 越 做 越 小, 小 到 足 以 放 進 講 究 輕 薄 短 小 及 功 能 強 大 的 智 慧 型 手 機 內 1970's Bulk micromachining Bulk micromachining structure( 圖 片 提 供 Kionix) 使 用 化 學 液 體 對 矽 晶 圓 去 做 蝕 刻, 當 時 的 技 術 只 能 蝕 刻 簡 單 的 幾 何 塊 狀 晶 格, 且 只 能 做 到 2 軸 (X 與 Y 軸 ), 穩 定 度 與 解 析 度 也 較 差 1980's Surface micromachining Surface micromachining structure( 圖 片 提 供 Kionix) 相 同 是 使 用 化 學 液 體 對 矽 晶 圓 去 做 蝕 刻, 完 成 了 3D 全 方 位 加 速 度 感 測 (X,Y,Z 軸 ), 但 是 Z 軸 受 限 於 液 體 蝕 刻 會 受 到 引 力 的 影 響, 垂 直 蝕 刻 會 有 表 面 不 平 整 的 問 題, 使 用 堆 疊 蝕 刻 技 術, 所 以 造 成 Z 軸 穩 定 度 與 解 析 度 跟 X,Y 軸 相 比 會 比 較 差, 所 以 總 體 來 看 效 能 還 是 不 佳
1990's Plasma micromachining Plasma micromachining structure( 圖 片 提 供 Kionix) MEMS 在 90 年 代 有 重 大 突 破, 美 商 Kionix 開 發 出 新 製 程 將 原 本 會 受 到 引 力 影 響 的 電 化 學 液 體 蝕 刻 改 成 電 化 學 氣 體 蝕 刻, 不 僅 改 善 了 電 化 學 液 體 對 Z 軸 垂 直 蝕 刻 的 難 度, 也 加 強 了 3 軸 晶 格 的 穩 定 度 與 精 密 度, 大 大 減 低 了 自 體 雜 訊 比, 也 成 為 美 國 國 防 部 唯 一 指 定 加 速 度 感 測 器 ( 符 合 軍 規 ), 也 在 消 費 性 市 場 打 響 了 知 名 度 目 前 業 界 最 常 被 選 用 型 號, 皆 為 歐 美 系 廠 商 為 主, 其 內 部 製 程 為 電 容 式 感 測 結 構, 其 原 理 為 藉 由 加 速 度 運 動 造 成 內 部 形 狀 如 梳 子 狀 交 錯 的 電 容 極 板 移 動, 極 板 中 的 雜 散 電 容 量 會 有 等 量 的 變 化, 收 集 此 電 容 變 化 量 後 經 由 放 大 再 交 ASIC 轉 換 後 可 得 到 類 比 式 或 數 位 式 輸 出 那 如 何 得 之 3 軸 的 方 向 變 化 呢? 簡 單 來 說 只 是 將 相 同 的 結 構 擺 放 不 同 的 位 置,X 軸 擺 放 橫 向,Y 軸 擺 縱 向 而 Z 軸 擺 垂 直 方 向 即 可 機 械 結 構 內 部 電 容 晶 格 等 效 電 路 ( 圖 片 提 供 Kionix) 機 械 結 構 內 部 電 容 晶 格 ( 圖 片 提 供 Kionix) 內 部 晶 格 3 軸 擺 放 位 置 ( 圖 片 提 供 Kionix)
再 來 介 紹 電 子 羅 盤 (e-compass) 內 部 的 原 理 結 構 非 等 方 性 磁 性 阻 抗 AMR(Anisotropic Magnetic Resistance) 此 為 美 商 Honeywell 的 專 利, 磁 阻 傳 感 器 有 多 種 形 式 對 於 磁 阻 傳 感 器 最 新 的 增 長 的 市 場 是 用 在 磁 帶 和 磁 帶 驅 動 器 中 的 高 密 度 讀 取 頭 其 它 的 應 用 包 括 車 輪 速 的 測 量 羅 盤 方 向 車 輛 檢 測 等 AMR 感 測 器 是 其 中 一 種 形 式, 最 適 合 用 於 地 球 磁 場 範 圍 偵 測 可 檢 測 直 流 靜 態 磁 場, 也 可 以 檢 測 磁 場 的 強 度 和 方 向 傳 感 器 的 製 作 過 程 是 將 鎳 鐵 合 金 薄 膜 沉 積 在 矽 晶 體 上, 形 成 電 阻 條 狀 帶 四 個 電 阻 條 連 接 成 一 個 惠 斯 頓 電 橋, 可 以 測 出 沿 著 單 一 軸 的 磁 場 的 強 度 和 方 向 磁 阻 效 應 的 反 應 是 很 快 的, 不 會 受 到 諸 如 線 圈 和 振 盪 頻 率 的 影 響 AMR 傳 感 器 的 一 個 關 鍵 的 優 點 是 可 以 在 矽 片 上 大 量 生 產, 與 ASIC 一 同 封 裝 這 樣 使 得 磁 傳 感 器 可 以 和 其 它 電 路 和 系 統 元 件 組 合 在 一 起 AMR 傳 感 器 電 路 ( 圖 片 提 供 Honeywell) AMR 傳 感 器 的 工 作 特 性 有 以 下 幾 點 : 1. 每 次 測 量 讀 值 前, 會 對 內 部 感 測 結 構 做 充 / 放 電, 保 持 輸 出 能 夠 避 免 磁 飽 和 2. 3 軸 的 輸 出 規 範 完 全 匹 配 3. 專 門 偵 測 細 微 磁 感 量, 因 為 地 球 磁 場 為 500 毫 高 斯 左 右 4. 內 建 零 點 準 位 取 消 電 路, 可 減 少 零 點 校 正 的 需 要 5. 抗 磁 飽 和 能 力 強, 可 減 少 被 影 響 的 強 度 6. AMR 結 構 可 以 保 持 高 準 確 度 減 少 溫 度 變 化 影 響 AMR 內 部 動 作 原 理 ( 圖 片 提 供 Honeywell)
地 球 磁 場 的 強 度 為 0.5 至 0.6 高 斯, 可 以 簡 化 成 如 下 圖 所 示 的 雙 極 性 磁 場, 相 當 於 沿 著 地 球 中 心 有 一 個 大 磁 鐵 磁 極 相 對 與 地 理 的 兩 極 存 在 著 一 個 約 11.5 度 的 夾 角 磁 場 的 南 極 代 表 著 地 理 的 北 極 地 磁 場 方 向 在 北 半 球 指 向 下, 在 赤 道 平 行, 在 南 半 球 指 向 上 這 一 全 球 性 的 變 化 被 稱 作 磁 傾 角 (Dip Angle), 定 義 為 磁 場 和 當 地 水 平 面 之 間 的 夾 角 磁 傾 角 會 隨 緯 度 變 化 來 改 變, 變 化 範 圍 為 ± 90 度 電 子 羅 盤 會 沿 著 當 地 磁 場 指 向 決 定 方 向, 這 個 方 向 通 常 為 當 地 的 磁 北 因 為 磁 北 和 真 北 不 相 同, 所 以 磁 北 和 真 北 通 常 不 在 一 起 的 這 一 當 地 的 偏 差 被 成 作 磁 偏 角 (declination angle) 簡 單 說 它 是 磁 北 和 地 理 北 之 間 的 角 度 差, 表 示 為 偏 東 的 或 偏 西 的 方 向 地 球 磁 場 可 等 效 為 一 雙 極 磁 場 ( 圖 片 提 供 Honeywell) 電 子 羅 盤 所 受 到 的 各 種 干 擾 可 大 致 可 區 分 為 兩 類 : PCB 上 的 干 擾 物 件 ( 圖 片 提 供 Honeywell) Hard Iron ( 硬 磁 干 擾 ) 固 定 強 度 的 磁 干 擾 物, 例 如 sensor 週 遭 原 有 的 電 子 零 件, 例 如 : 喇 叭, 麥 克 風, 電 池, 面 板, 金 屬 屏 蔽 等, 會 釋 放 出 固 定 的 磁 力 去 影 響 電 子 羅 盤 的 讀 值 必 須 做 校 正 去 做 歸 零 Soft Iron ( 軟 磁 干 擾 ) 會 改 變 強 度 及 方 向 或 是 可 扭 曲 磁 力 線 的 干 擾 物, 例 如 : 電 池 的 用 電 量 變 化, 使 用 者 的 環 境, 週 遭 原 有 電 子 零 件 的 干 擾, 會 依 精 準 度 的 規 格 去 決 定 是 否 需 要 校 正
硬 磁 與 軟 磁 干 擾 ( 圖 片 提 供 Honeywell) Hard / Soft Iron Calibration ( 硬 磁 干 擾 校 正 ) 最 常 見 也 最 簡 單 的 校 正 方 式 為 劃 8 字 型, 其 目 的 為 得 到 整 個 裝 置 的 磁 感 量 最 大 值 與 最 小 值, 當 求 到 相 對 最 大 與 最 小 值 後 ( 因 為 每 個 人 操 作 的 手 勢 有 所 不 同 ), 即 可 大 約 找 出 圓 心 的 偏 移 量, 用 套 入 公 式 用 軟 體 方 式 做 校 正 而 產 線 端 可 使 用 治 具 求 得 絕 對 的 最 大 與 最 小 值, 在 出 廠 前 將 整 機 的 磁 干 擾 做 歸 零 的 動 作 硬 磁 校 正 ( 圖 片 提 供 Honeywell) 軟 磁 校 正 ( 圖 片 提 供 Honeywell) 近 年 消 費 性 市 場 掀 起 一 陣 旋 風, 任 何 手 持 式 裝 置, 手 機 或 平 板 電 腦 都 會 加 入 電 子 羅 盤 的 功 能, 可 用 來 搭 配 GPS 圖 資 做 導 航 及 方 位 的 辨 識 但 受 限 於 3 軸 電 子 羅 盤 工 作 特 性, 裝 置 在 非 水 平 而 有 傾 角 的 清 況 下, 每 1 度 傾 斜 角 會 造 成 2 度 以 上 的 方 位 角 誤 差
傾 角 對 方 向 角 的 影 響 ( 圖 片 提 供 Honeywell) 所 以 3 軸 的 電 子 羅 盤 必 須 搭 配 3 軸 的 G sensor 做 傾 角 補 償, 如 果 不 想 加 入 G sensor 的 話, 那 就 得 保 證 裝 置 在 使 用 時 永 遠 是 保 持 水 平 的 狀 態 可 參 考 下 圖 Mcu 接 收 到 G sensor 與 compass 的 輸 出 後 透 過 公 式 即 可 算 出 方 向 角 度 並 做 傾 角 補 償 G+M 架 構 ( 圖 片 提 供 Honeywell) 講 到 傾 角 補 償, 就 要 先 討 論 傾 斜 角 度 的 計 算 G sensor 顧 名 思 義 就 是 偵 測 g 力 的 大 小 及 動 作 方 向, 而 將 G sensor 擺 水 平 時, 會 有 1g 的 地 心 引 力 會 在 Z 軸, 隨 著 改 變 裝 置 的 同 時 g 值 會 在 不 同 軸 向 做 變 化, 就 可 以 知 道 姿 態 的 變 換 也 因 為 這 個 特 性, 在 G sensor 靜 止 時, 可 以 藉 由 arcsin/ arccos 的 公 式 去 運 算 出 傾 斜 角 度, 這 個 傾 斜 角 度 可 以 延 伸 出 更 多 的 應 用 G 值 分 佈 在 不 同 軸 向 示 意 圖 ( 圖 片 提 供 Kionix) G 值 轉 換 成 角 度 基 本 公 式 ( 圖 片 提 供 Kionix)
G sensor 雖 然 可 以 偵 測 傾 斜 角 度, 但 是 有 個 先 天 的 特 性, 就 是 0 度 到 60 度 時 解 析 度 很 高 ( 在 12bit ADC 可 達 到 0.1 度 的 解 析 度 ), 但 是 在 60 度 到 90 度 時 解 析 度 就 會 下 降 ( 約 為 1 到 3 度 的 變 化 量 ) G 值 與 角 度 轉 變 表 ( 圖 片 提 供 Kionix) 確 定 G sensor 在 水 平 狀 態, 當 往 X 軸 有 傾 角 變 化 時 相 對 的 Z 軸 也 會 有 變 化 同 理,Y 軸 與 Z 軸 也 有 相 同 作 用 利 用 兩 軸 做 補 償, 透 過 arcsin/ arccos 反 向 推 導 就 可 達 到 高 解 析 度 各 軸 傾 角 變 化 對 應 圖 ( 圖 片 提 供 Kionix) 電 子 羅 盤 方 位 角 的 計 算 方 式 : 其 基 本 原 理 為 讀 取 X 與 Y 軸 的 輸 出, 並 套 入 arctan(y/x) 的 公 式 中, 就 可 以 得 到 方 向 角 但 是 這 是 在 水 平 的 情 況 下, 尚 未 加 入 傾 斜 角 度 的 變 異 數, 得 到 答 案 是 容 易 的
但 是 如 果 把 傾 斜 角 度 的 變 數 加 進 去, 就 會 需 要 用 到 投 射 理 論 將 將 原 本 compass 得 到 的 X 與 Y 及 G sensor 得 到 的 pitch 與 roll 帶 入 以 下 的 公 式 如 此 可 求 得 X' 與 Y', 再 將 其 帶 入 原 本 的 公 式 即 可 求 到 經 過 傾 角 補 償 後 的 值 如 此 一 來, 無 論 使 用 者 怎 麼 的 去 翻 動 手 上 的 裝 置, 電 子 羅 盤 指 針 的 方 向 也 不 會 飄 忽 不 定 指 不 清 東 西 南 北 了 結 論 : 電 子 羅 盤 與 加 速 度 感 測 器 的 搭 配 可 說 是 將 兩 種 物 理 行 為 巧 妙 的 結 合, 也 是 消 費 性 市 場 近 年 來 興 起 的 功 能, 無 論 是 專 業 登 山 客 所 拿 戶 外 用 個 人 導 航 (Outdoor PND) 還 是 年 輕 族 群 人 手 一 台 的 智 慧 型 手 機 (Smart Phone), 或 是 未 來 最 夯 的 慣 性 導 航 (DR) 功 能, 如 再 搭 配 上 陀 螺 儀 (Gyro) 就 可 以 得 知 位 置 變 化, 速 度 變 化 和 姿 態 變 化 及 絕 對 方 向 如 此 一 來 即 可 修 正 GPS 的 誤 差 得 到 最 準 確 的 結 果 總 而 言 之,sensor 是 訊 號 提 供 者, 一 切 創 新 的 應 用 還 是 來 自 於 人, 科 技 始 終 來 自 於 人 性