改变操控的力量,陀螺仪技术寻根问底

很多人玩游戏时都会伴随着游戏画面的流转而手舞足蹈，摇头摆脑。在这时候，手中的鼠标或游戏手柄常被想象成一件游戏道具，纵横驰骋。为此，任天堂的Wii游戏主机在人机交互上开创了一个新时代，它可通过多种外设的不同游戏操控方式来模拟真实的场景，为玩家带来更多的游戏乐趣乃至健身体验。万众瞩目的iPhone4手机刚刚推出，而在其众多的新特性中，也有一项人们陌生的操控新功能——三轴陀螺仪。

苹果公司称，三轴陀螺仪操控技术的引入可使手机游戏方面的重力感应特性更加突出和直观，游戏效果大大提升，其与iPhone原有的感应器结合可让iPhone 4的人机交互功能达到一个新高度。甚至有专家预言，三轴陀螺仪将成为未来游戏设备，便携设备，手持智能设备的标配，引领技术潮流。什么是陀螺仪呢?三轴陀螺仪又有何奇妙之处，其真能改变游戏世界吗?

游戏设备进入操控体验时代

“手是最好用的工具!”Wii的标准控制器Wiimote具备指向定位及动作感应功能，可临空控制萤幕上的光标、侦测三维空间当中的移动及旋转，从而实现“体感操作”。此后，多点触控(Multi-Touch)技术在苹果公司的推动下，渐成主流。各种多点触控技术、体感技术除了在触摸液晶屏中广泛应用，为人们带来新奇的操控体验、游戏体验外，在鼠标等设备中也开始兴起。如苹果的Magic Mouse、雷柏的T senes是这样的代表产品，这类设备表面上看不到任何按钮，却具备强劲的操控功能，可充分发挥世界上最灵巧的人手的作用，这不得不让人感叹，游戏设备、便携设备正进人体感操控体验时代。

陀螺仪正是符合这种趋势的新的操控体验技术，什么是陀螺仪技术呢?这还得从陀螺谈起。陀螺(top)很多人都玩过，玩时用绳子缠绕陀螺后一抛，待陀螺旋转后，用绳抽，便可让其一直维持直立旋转状态。而陀螺仪(gyroscope)正是依据陀螺的角动量守恒的力学原理研究而成的一种仪器。陀螺仪做为一种用来传感与维持方向的装置，位于轴心可以旋转的轮子是其核心架构，其一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪便具备了定轴性和逆动性两种特性，陀螺转子以极高速度旋转时产生的惯性(定轴性)，具备反抗任何改变转子轴向的力量，有抗拒方向改变的趋向；并且，陀螺仪天生具备一种反作用力(逆动性)，当外力施加在旋转轴上时，旋转轴不会沿施力方向运动，而会顺着转子旋转向前90°垂直施力方向运动。

陀螺仪能提供准确的惯性、反作用力、方位、速度和加速度等信号，利用陀螺仪的这些特性，用户可在游戏中体验到更真实的感觉。例如，利用陀螺仪的定轴性可在飞行游戏中在控制姿态的同时还能获得真实的滑行或飞行体验，利用陀螺仪的逆动性可在冲浪、滑板、球类等游戏中让你更有浪奔浪涌的操控体验。总之，陀螺仪技术正在成为万众瞩目的新的体感操控技术，可让你的“手感”更好。

MEMS陀螺仪基本技术原理

要想将陀螺仪技术应用于手机、MID、手柄、鼠标、数码相机这样的小型设备中，将传统陀螺仪小型化是必然，为此，MEMS陀螺仪正全面走进数码设备、游戏设备。MEMS是什么呢?MEMS(Micro Electro Mechanical systems，微电子机械系统)是建立在微米／纳米技术基础上的前沿技术，其是一种可对微米／纳米材料进行设计，加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一整体单元的微型系统。MEMS产品已被广泛地应用于喷墨打印头、微型投影仪(如DMD微镜阵列)、数码相机(防抖防震器件，使用MEMS陀螺仪产品即便在持续震动的环境中，也能准确地进行归零的动作)、笔记本电脑或MID、手机(如加速度计)、MP3／MP4、游戏机等消费电子产品中。陀螺仪利用这种技术，可在硅片上形成微米尺度的精密谐振结构，用来感应角速度的大小和方向。

与传统的利用角动量守恒原理的陀螺仪相比，MEMS陀螺仪使用了不同的工作原理。传统的陀螺仪是一个不停转动的物体，其转轴的指向不随承载它的支架旋转而变化。要把这样一个不停转动的没有支撑的能旋转的物体用微机械技术在硅片衬底上加工出来，显然难上加难。为此，MEMS陀螺仪在基于传统陀螺仪特性的基础上利用科里奥利力来实现了设备的小型化。什么是科里奥利力呢?科里奥利力(Coriolis force)也就时常说的哥里奥利力、科氏力，它是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述，其来自于物体运动所具有的惯性，由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力就是这样的代表，地转偏向力有助于解释一些地理现象，如河道的一边往往比另一边冲刷得更厉害。

MEMS陀螺仪是科里奥利力的最常见应用，MEMS陀螺仪利用科里奥利力(旋转物体在径向运动时所受到的切向力)，旋转中的陀螺仪可对各种形式的直线运动产生反映，通过记录陀螺仪部件受到的科里奥利力可以进行运动的测量与控制。为了产生这种力，MEMS陀螺仪通常安装有两个方向的可移动电容板，“径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动，横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化。”这样，MEMS陀螺仪内的“陀螺物体”在驱动下就会不停地来回做径向运动或震荡，从而模拟出科里奥利力不停地在横向来回变化的运动，并可在横向作与驱动力差90°的微小震荡。这种科里奥利力好比角速度，所以由电容的变化便可以计算出MEMS陀螺仪的角速度。

以意法半导体的MEMS陀螺仪为例，其核心元件是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制运转(音叉机制的工作原理是通过安装在音叉基座上的—对压电晶体使音叉在一定共振频率下振动，当音叉开关的音叉与被测介质相接触时，音叉的频率和振幅将改变，音叉开关的这些变化由智能电路来进行检测，处理并将之转换为一个开关信号)。电机驱动部分通过静电驱动方法，使机械元件前后振荡，产生谐振，利用科里奥利力把角速率转换成一个特定感应结构的位移，两个正在运动的质点向相反方向做连续运动。只要从外部施加一个角速率，就会出现一个力，力的方向垂直于质点的运动方向。产生的力使感应质点发生位移，位移大小与所施加的加速度速率大小成正比，位于旁边的传感器就能感应出在定子和转子之间引起的电容变化，从而实现操控功能。并且，由于在控制电路内部嵌入了先进的电源关断功能，可以在不需要传感器功能的时候关闭整个传感器，或让其进入深度睡眠模式，便可大幅降低陀螺仪的总功耗。从而像手机等便携式设备就会由此获得更长的续航时间。

MEMS陀螺仪技术发展方向

在苹果公司的iPhone和任天

堂公司的wii游戏机的推动下，“运动传感”概念深入人心，具备微型化智能化特征的MEMS陀螺仪正成为用户关注的焦点，正成为消费类电子设备运动传感的关键器件。著名市场研究顾问机构Yole Development最新预测，MEMS陀螺仪、加速度计和磁感应器的销售额在2013年将达到45亿美元的规模。

先进工艺是保障MEMS陀螺仪技术得以走向现实的基础。MEMS加工除了使用大量传统的IC工艺外，还需要一些特殊工艺，如双面刻蚀、双面光刻等。通过在晶圆阶段整合MEMS晶圆与相对应的CMOS电子电路，目前产品已能将MEMS陀螺仪产品的封装缩小到mm级，最大厚度也仅为1mm左右，同时还能提供更高的效能、更低的噪声，与更低的半导体封装成本。新一代MEMs陀螺仪已普遍具备体积小、功耗低、精度高、成本低等诸多优点。

目前的MEMS陀螺仪产品包含单轴(如Z轴产品，可以由3个Z轴陀螺仪实现三轴功能)、双轴(如XY双轴、XZ双轴，可由1个XY双轴和1个z轴陀螺仪实现三轴功能)、三轴(XYZ三轴)，以及三轴MEMS陀螺仪结合三轴MEMs加速度计实现的所谓六轴产品。三轴陀螺仪可以同时测定6个方向的位置、移动轨迹和加速度，单轴陀螺仪要实现同样的功能需要三个单轴陀螺仪组合。相比单轴或双轴产品，合三为一或合二为一的三轴陀螺仪具有体积小、重量轻、结构简单、可靠性好的优点，是MEMS陀螺仪的发展趋势。单一的三轴产品比组合的三轴产品在集成度和体积上也更适合于消费类电子设备。

从MEMS陀螺仪的应用方向来看，陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，可与MEMS加速度计(加速计)形成优势互补，如果组合使用加速度计和陀螺仪这两种传感器，设计者就能更好地跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。

为此，应用这方面技术的前沿厂商InvenSense(应美盛)公司的专家认为：“要准确地描述线性和旋转运动，需要设计者同时用到陀螺仪和加速度计。单纯使用陀螺仪的方案可用于需要高分辨率和快速反应的旋转检测；单纯使用加速度计的方案可用于有固定的重力参考坐标系、存在线性或倾斜运动但旋转运动被限制在一定范围内的应用。但同时处理直线运动和旋转运动时，就需要使用陀螺仪和加速度计的方案。”此外，为让设计和制作的陀螺仪具有较高的加速度和较低的机械噪声，或为校正加速度计的旋转误差，一些厂商会使用磁力计来完成传统上用陀螺仪实现的传感功能，以完成相应定位，让陀螺仪术业有专攻。这表明，混合的陀螺仪、加速度计或磁感应计结合的方案正成为MEMS陀螺仪技术应用的趋势。InvenSense的营销总监Doug Vargha亦为此表示：“若只使用传统的加速度计，用户得到的要么是反应敏捷的但噪声较大的输出，要么是反应慢但较纯净的输出，而如将加速度计与陀螺仪相结合，就能得到既纯净又反应敏捷的输出。”

MEMS陀螺仪当前市场状况

目前市场上，单轴、双轴、三轴的陀螺仪产品都有，其被应用于不同的需求场合。以InvenSense的IXZ-500及IXZ-650双轴MEMS陀螺仪为例，其是一款整合倾斜x轴及偏移z轴的两轴运动处理单芯片，能满足传统及超薄的新世代遥控器所有零件在线路板同一平面上的需求。其主要输出端具高精度的全格感测范围，亦可满足高需求数字电视及网络电视遥控器的需求，并具内建放大器的第二个输出端来侦测慢速动作的精确指针功能，可良好地满足家庭影院、机顶盒、个人计算机用3D遥控器与计算机空中鼠标对陀螺仪的需求。而其基于IXZ技术的运动处理方案可实现具计算机鼠标浏览能力等级的3D遥控器，将传统遥控器所需六到十个按钮的步骤在一个动作以内完成，单手动作即可快速翻阅节日单或可倾斜遥控器来调整适当的音量；当有游戏内容时，具有宽广的感测范围的3D遥控器还可配合快速手势动作来与电视机实现多媒体娱乐互动。

ST(意法半导体)是公认的消费电子和手机市场MEMS传感器主要供应商，已推出数十款以低功耗和小封装为特色的高性能陀螺仪。意法半导体可为客户提供1轴至3轴、30dps至6000dps灵敏度的各种陀螺仪传感器，让系统设计工程师能够解决不同的应用需求：从图像稳定器到游戏，从指向装置到机器人控制。特别值得一提的是，将陀螺仪、加速度计和磁感应计结台，并均衡利用三者各自的优点，ST也可做出解决方案更强大的手机、GPS产品。如其最新的LYPR540AH三轴陀螺仪可进行360°角速度检测，每个轴都能同时提供两个输出信号：用于检测高精度慢动作的400dps全量程数值，和用于检测速度非常快的手势和动作的1600dps全量程数值，使手机、游戏机、个人导航系统等便携设备具有高精度三维手势和动作识别功能。与一个3轴加速计配合使用，设计人员能够研制一种惯性测量单元，追踪并提供人、车辆以及其他物体的运动类型、速度和方向的全部信息。

在了解MEMS陀螺仪基本特点的同时，广大读者更关心的是该产品的市场具体应用状况。在具体产品应用方面，MEMS陀螺仪最早的成功应用是在DC／DV领域，目前在中高端的数码相机及主流数码摄像机产品中，几乎都内置有陀螺仪用于防抖等。而在游戏方面，任天堂的Wii MotionPlus配件是最早将该技术实用化的例子。Wii MotionPlus是一个三轴(单轴+双轴)定位加速度陀螺仪，在主芯片和运算放大器的帮助下可提供三个方向的体感定位能力。而Wii Remote手柄使用的是单个三轴加速计，两者连接起来后便可形成一个更高档次的六轴操控体系。

而iPhone 4则是全球首支内置MEMS陀螺仪的智能型手机，其采用了来自意法半导体的三轴MEMS陀螺仪，与同样来自意法半导体的三轴加速度计可以组成更高档次的六轴操控体系。与以前iPhonc中一直存在的加速度计(测定三个轴向上的线性加速度)相比，陀螺仪可更好地测定角速度，两者结合能够实现更加完善和精确的动作感应。iPhone 4现在除了可以感应手机左右的晃动以外还能感受到前后的倾斜，可为手机带来更强的在线游戏体验，并提供更强的室内导航、操控能力，通过将手机倒放就能调静音、摇摇手机就能拨出电话，甚至可用手机直接在半空中“签名”作为交易凭证。总之，只要手机制造商或程序设计者能想到的功能，其都能实现。正如乔布斯在发布会上的演示那样，当手持iPhone 4身体旋转一周时，屏幕上的对象也将随之转动，这在仅有加速度计动作感应功能的产品上是不可能实现的。

后记，MEMS陀螺仪大有可为

体积小、性能强、成本低的MEMS陀螺仪及其配套的MEMS加速度计正成为便携设备、游戏设备运动处理方案的首选，其可很好地满足手机、PMP、MID、空中鼠标、游戏控制器、遥控器、电子玩具和便携导航设备对封装尺寸和旋转传感精度的要求。iPhone 4率先在手机中应用三轴陀螺仪，为该器件在手机等设备中的普及化应用吹响了号角，将为用户手机游戏以及定位服务等功能带来新花样。将加速计、陀螺仪和磁感应计结合，并均衡利用三者各自的优点，则可能彻底改变未来便携设备用户的操控体验，可使多种消费电子设备实现更强的运动跟踪功能，为用户提供更好的如临其境的现场感。

智能手机大厂HTC技术顾问Jidesh Veeramachaneni对此表示：“MEMS陀螺仪技术已成为智能手机开发者讨论得最多的话题，预期在明年该技术将成为智能手机的标配，用户可以通过陀螺仪获得包含游戏在内的很多新的体验，例如你可用手机更方便地玩击剑游戏。”为此，包含ST、InvenSense、Kionix、Bosch Sensortee、ADI、Freescale等在内的厂商都纷纷投入这一市场，以期在未来的竞争中获得更多的发言权，这预示着未来的MEMS陀螺仪市场将变得更精彩，MEMS产业的竞争将白热化，三轴陀螺仪成本全面跌破1美元指日可待。当然，除了在硬件配置上获得突破性应用外，相关游戏或程序开发厂商如何开发出能充分体现出这种特性应用的程序也是关键，这亦将直接决定标配有该功能的产品在市场上的受欢迎程度。

总之，MEMS陀螺仪已不仅是一种技术概念和应用趋势的炒作，其正实实在在地成为业界关注的焦点和相关厂商获得突破追求的目标。功能至上，随着Android 3.0N统将最低硬件配置定为：IGHz CPU、512MB内存、3.5英寸显示屏，超薄正成为普遍的设计目标的状况下，MEMS陀螺仪这类新功能必将成为类似设备吸引用户关注的新的杀手级应用。并且，关键的一点就是，其只需较低的投入，就能将用户的体验大大提升。“哪怕是包含山寨机在内的产品都能应用得起该功能”，未来不具备MEMS陀螺仪及加速度计的中高端手持设备、游戏设备的市场处境可想而知。