攸關消費性電子差異化 3軸加速度感應器應用廣泛

2007-01-24
消費性產品激戰持續之後,接下來的產品差異化,就越來越困難。這樣的差異化往往也逼得業者必須從技術面來思考,有哪些元件可以創造額外的附加價值,或是差異化來提高產品的銷售量。在這樣的前提之下,各種感應器元件的應用,也就隨之浮現。如3軸加速度感應器就廣泛應用在數位相機、筆記型電腦、MP3隨身聽等消費性電子產品中。  

加速度感應器大受歡迎  

從數字來看,或許可以了解更多市場訊息。從2005年到2006年,短短12個月,3軸加速感應器(Acceleration Sensor)的營收,就一口氣翻了好幾倍。從日本矢野經濟研究所的調查數字更得知,三軸加速感應器的出貨量,在2004年為170萬個,2005年則大幅躍升至1,580萬個,幾達9倍。市場需求殷切,競爭廠商蜂擁而入,隨著量產規模,元件價格的滑落速度跟著加速,產品的應用市場也就跟著加大。  

2006年時恩益禧(NEC)推出行動電話產品N702iS,該產品極具創意:就是當行動電話機體傾斜時,液晶畫面內的液體影像也跟著傾斜。這樣一來,就算行動電話傾斜,也依然能夠讓使用者正常操作。這種裝置本體姿勢或是移動的檢測,其實就是仰賴著裝置內部安裝3軸加速元件所帶來的效果。  

加速度感應器的基本道理,乃是因應加速度測定安裝於發條上重量的變動位置量,因應加速度變動的頻率有所不同,而測定變位量的種類,並用來區分加速度感應器元件的類別。  

一般而言,現有數個至數十千赫茲(KHz)的有壓電式、0至數千赫茲的失真量規(Gauge)式、0至百餘赫茲的動電式,以及以半導體製程為主,從0~數千赫茲的微機電(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)感應器等,其中更以微機電最受歡迎。  

微機電感應器席捲天下  

就元件大小來說,幾乎是微機電感應器的天下。而微機電感應器又可再細分成「Low g」形式以及「High g」樣式。  

0千赫茲到數百赫茲的加速度變動,「Low g」形式大約是在±2~10公克的範圍,不過此處所言的0赫茲是指僅有重力加速度的狀態。因此,現在的消費性產品基本上還是以Low g元件為優先。而High g樣式則是約±數個~數百公克之區間,比較適合應用於像工業產業用、工業機器人的控制或汽車業的用途中。  

說來有趣,在90年代初期,微機電加速度感應器的出現在汽車的安全氣囊(Air Bag)的採用算是開先河之例,不過,當時僅是單軸的感應器。  

因應「檢測機構」上的差異,微機電加速度感應器又可以分成3大類:壓電阻抗型(Piezoresistive)、靜電容量型與熱感知型。  

相較之下,日商似乎比較獨鍾於壓電阻抗型的構造,包括松下(Panasonic)、北陸電氣工業(HDK)、日立金屬(Hitachi Ferrite Electronics)等。而歐美在靜電容量型感應器領域較傑出,像是意法半導體(STMicroelectronics)、美商Kionix等。而熱感知型更可說是美新半導體(Memsic)的獨門絕活。  

壓電阻抗型專精小型產品  

既然會有多種形式存在,也就意味著各有各的優點。舉例來說,壓電阻抗型加速度感應器(圖1),一般是採用懸臂式十字型微薄橫樑的構造。當施加了加速度時,重量的移動讓該微薄橫樑產生變形(圖2)。而壓電阻抗就是內建於這個微薄橫樑,隨著變形的大小來更動變化電阻值。製造商通常都是以「體型微加工技術 (Bulk Micro-machineing)」的手法來製造。  

這種壓電阻抗型的方式,比較有利的地方在於其構造的單純,對小型化產品會比較有利。比如說北陸電氣推出的產品HAAM-325B,或是日立金屬的H30CD等,都是小於3.0釐米×3.0釐米×1.0釐米的製品。  

一般來說,壓電阻抗型的感應器的缺點在於,透過流經電流來測定電阻變化,消耗電力比起靜電容量型略遜一籌(圖3),通常低於1毫安培(mA)的產品並不是很多。不過,隨著技術進步,已有改善的實際成績。如前述的H30CD,在3伏特動作環境下,消費電流為0.35毫安培,就算相當卓越。  

此外,壓電阻抗型的感應器還有一個課題,其壓電阻抗會受到溫度的特性而變動。為了解決這個問題,有些元件須要導入溫度感應器,來補償測定的數值。  

靜電容量精準重穩定  

而靜電容量型則是利用靜電容量的變化來捕捉重位的移動量。為了得到必要的靜電容量,在電極部分多會採用櫛齒狀來形成「電極面積」。因此,多數是採用「表面微加工技術」的手法來製造。  

靜電容量型感應器的優勢在於測量的精確度高、消費電流又小,且不容易受到溫度的特性來左右。就構造上來說,其支撐重位的彈簧比較柔軟,即使加速度有微小的變動,也能夠迅速反應。這可以說是優點也是缺陷,這個特性以反面的角度來思考,就是所能忍受雜訊的層次約在0.5毫克前後,而壓電阻抗型的感應器通常是在 2~3毫克的範圍。  

壓電阻抗型的感應器其反應頻率約在數百赫茲,而靜電容量型感應器則大都超過1千赫茲。不過從實際層面來看,需要高頻率加速度變動的測定用途,也不太多。  

靜電容量型感應器的缺點之一就是難以精簡。這種方式在當電極面積與靜電容量等同時,與感度間有權衡折衷的問題存在。不過這個問題也不是無法克服,如Kionix於2006年3月推出的KXPS5,元件尺寸就僅有3.0釐米×5.0釐米×0.9釐米。  

也就是因為靜電容量型感應器多是採用表面微加工技術的手法來製造,在Z軸上變動頻率的上限,往往僅有X、Y軸的一半。而剛才提到KXPS5,則是倚賴Kionix在製程上較其他廠商挖深1.5倍,而確保電極面積。  

無論是壓電阻抗型的感應器,還是靜電容量型感應器,其共通的課題即在於耐衝擊性弱。一般說來,若是加速度的變形量超過它的界限,即可能破壞其內部的檢測機構。因此,現在的新產品都會在檢知機構追加「制止器(Stopper)」,來限制重位的變動。  

這個改良後的結果,靜電容量型製品的耐衝擊性公稱數值為10,000公克;而壓電阻抗型陣營,日商理光(Ricoh)的RN5MS001也有7,000公克的表現,或許已可稱之是當前最高值。耐衝擊性的優劣與其結構有所關聯,RN5MS001感應器本體用玻璃封止,利用樹脂的封裝方式,可以緩和對於內部的衝擊傳達。  

熱感知型耐衝擊性一枝獨秀  

而第三種形式的熱感知型加速感應器(圖4),尤其其內部根本不具有可動的機構部位,耐衝擊性當然最高,約達50,000公克,居上述各項3軸加速度感應器之首。  

因應消費者的需求,業者在熱感知型感應器中央配置熱空氣,當對元件施以加速度,空氣呈現與移動相反方向,就可藉由溫度分布來檢測出加速度(圖5)。由於元件的內部存在加熱器,消耗電流自然不低。而溫度分布在Z軸的精確度以及反應速度,也都是熱感知型感應器的課題。不過,由於其對應頻率約在0~17赫茲,若是單考量一般消費者的正常操作動作,或是應用在機器設備自高處墜落的檢測,也已綽綽有餘。  

掉落保護為應用大宗  

有了以上概念之後,若是從產品應用的角度來觀察以及思考,3軸加速感應器的用途大致上可以細分成5類:  

‧裝置姿勢的確認,例如手機的電子羅盤。  

‧裝置的振動、傾斜動作檢知,包括計步計以及任天堂遊戲機Wii的控制器。  

‧裝置自由落下狀態的檢知。  

‧對裝置施加衝擊的認知。  

‧利用裝置振動的測定,來控制全自動洗衣機的馬達採用範例。  

不過,在實際應用上,幾乎都是以掉落保護為大宗。消費性產品大量生產的最初產品實例,可能是新力(Sony)於2004年7月開始販賣的硬碟內藏型的音樂播放器NW-HD1。該產品在掉落時,XYZ3軸的加速度全部為0公克檢知之際,就會啟動保護硬碟資料的功能。爾後,衍生應用從硬碟MP3隨身聽一路延伸到筆記型電腦、硬碟攝影機、行動電話與外接式硬碟等。  

放眼未來,某些地區限制行動電話必須搭載全球衛星定位系統(GPS)功能。舉例來說,日本政府指示2007年4月以後的新世代行動電話必須搭載GPS功能,以為地磁氣感應器的補償之用。一般預期,既然最終會走向價格戰,或許相關業者在性能上與功能上的妥協,會影響未來的設計方式。  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌72期2月號)  

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