石英加速度计将为感测领域带来新风貌

石英加速度计将为感测领域带来新风貌

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）。