很多人玩游戲時都會伴隨著游戲畫面的流轉而手舞足蹈、搖頭擺腦。在這時候，手中的鼠標或游戲手柄常被想象成一件游戲道具，縱橫馳騁。
為此，任天堂的Wii游戲主機在人機交互上開創了一個新時代，它可通過多種外設的不同游戲操控方式來模擬真實的場景，為玩家帶來更多的游戲樂趣乃至健身體驗。萬眾矚目的iPhone4手機剛剛推出，而在其眾多的新特性中，也有一項人們陌生的操控新功能—三軸陀螺儀。
蘋果公司稱，三軸陀螺儀操控技術的引入可使手機游戲方面的重力感應特性更加突出和直觀，游戲效果大大提升，其與iPhone原有的感應器結合可讓iPhone4的人機交互功能達到一個新高度。甚至有專家預言，三軸陀螺儀將成為未來游戲設備、便攜設備、手持智能設備的標配，引領技術潮流。什么是陀螺儀呢?三軸陀螺儀又有何奇妙之處，其真能改變游戲世界嗎?
游戲設備進入操控體驗時代
“手是最好用的工具!”Wii的標準控制器Wiimote具備指向定位及動作感應功能，可臨空控制螢幕上的光標、偵測三維空間當中的移動及旋轉，從而實現“體感操作”。此后，多點觸控(Multi-Touch)技術在蘋果公司的推動下，漸成主流。各種多點觸控技術、體感技術除了在觸摸液晶屏中廣泛應用，為人們帶來新奇的操控體驗、游戲體驗外，在鼠標等設備中也開始興起。如蘋果的MagicMouse、雷柏的Tseries都是這樣的代表產品，這類設備表面上看不到任何按鈕，卻具備強勁的操控功能，可充分發揮世界上最靈巧的人手的作用，這不得不讓人感嘆，游戲設備、便攜設備正進入體感操控體驗時代。
陀螺儀正是符合這種趨勢的新的操控體驗技術，什么是陀螺儀技術呢?這還得從陀螺談起。陀螺(top)很多人都玩過，玩時用繩子纏繞陀螺后一拋，待陀螺旋轉后，用繩抽，便可讓其一直維持直立旋轉狀態。而陀螺儀(gyroscope)正是依據陀螺的角動量守恒的力學原理研究而成的一種儀器。陀螺儀做為一種用來傳感與維持方向的裝置，位于軸心可以旋轉的輪子是其核心架構，其一旦開始旋轉，由于輪子的角動量，陀螺儀便具備了定軸性和逆動性兩種特性，陀螺轉子以極高速度旋轉時產生的慣性(定軸性)，具備反抗任何改變轉子軸向的力量，有抗拒方向改變的趨向;并且，陀螺儀天生具備一種反作用力(逆動性)，當外力施加在旋轉軸上時，旋轉軸不會沿施力方向運動，而會順著轉子旋轉向前90°垂直施力方向運動。
陀螺儀能提供準確的慣性、反作用力、方位、速度和加速度等信號，利用陀螺儀的這些特性，用戶可在游戲中體驗到更真實的感覺。例如，利用陀螺儀的定軸性可在飛行游戲中在控制姿態的同時還能獲得真實的滑行或飛行體驗，利用陀螺儀的逆動性可在沖浪、滑板、球類等游戲中讓你更有浪奔浪涌的操控體驗。總之，陀螺儀技術正在成為萬眾矚目的新的體感操控技術，可讓你的“手感”更好。
MEMS陀螺儀基本技術原理
要想將陀螺儀技術應用于手機、MID、手柄、鼠標、數碼相機這樣的小型設備中，將傳統陀螺儀小型化是必然，為此，MEMS陀螺儀正全面走進數碼設備、游戲設備。MEMS是什么呢?MEMS(MicroElectroMechanicalsystems，微電子機械系統)是建立在微米/納米技術基礎上的前沿技術，其是一種可對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一整體單元的微型系統。MEMS產品已被廣泛地應用于噴墨打印頭、微型投影儀(如DMD微鏡陣列)、數碼相機(防抖防震器件，使用MEMS陀螺儀產品即便在持續震動的環境中，也能準確地進行歸零的動作)、筆記本電腦或MID、手機(如加速度計)、MP3/MP4、游戲機等消費電子產品中。陀螺儀利用這種技術，可在硅片上形成微米尺度的精密諧振結構，用來感應角速度的大小和方向。
圖2：以單軸陀螺儀為例，只要陀螺儀的輸入軸一旋轉，陀螺儀就在一個振蕩元件中感知產生的科里奧利力，力的大小和旋轉的角速度成正比。
與傳統的利用角動量守恒原理的陀螺儀相比，MEMS陀螺儀使用了不同的工作原理。傳統的陀螺儀是一個不停轉動的物體，其轉軸的指向不隨承載它的支架旋轉而變化。要把這樣一個不停轉動的沒有支撐的能旋轉的物體用微機械技術在硅片襯底上加工出來，顯然難上加難。為此，MEMS陀螺儀在基于傳統陀螺儀特性的基礎上利用科里奧利力來實現了設備的小型化。什么是科里奧利力呢?科里奧利力(Coriolisforce)也就時常說的哥里奧利力、科氏力，它是對旋轉體系中進行直線運動的質點由于慣性相對于旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述，其來自于物體運動所具有的慣性，由于地球自轉運動而作用于地球上運動質點的偏向力就是這樣的代表，地轉偏向力有助于解釋一些地理現象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。
MEMS陀螺儀是科里奧利力的最常見應用，MEMS陀螺儀利用科里奧利力(旋轉物體在徑向運動時所受到的切向力)，旋轉中的陀螺儀可對各種形式的直線運動產生反映，通過記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進行運動的測量與控制。為了產生這種力，MEMS陀螺儀通常安裝有兩個方向的可移動電容板，“徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動，橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電容變化。”這樣，MEMS陀螺儀內的“陀螺物體”在驅動下就會不停地來回做徑向運動或震蕩，從而模擬出科里奧利力不停地在橫向來回變化的運動，并可在橫向作與驅動力差90°的微小震蕩。這種科里奧利力好比角速度，所以由電容的變化便可以計算出MEMS陀螺儀的角速度。
圖3：三軸角速度與旋轉速率成正比
以意法半導體的MEMS陀螺儀為例，其核心元件是一個微加工機械單元，在設計上按照一個音叉機制運轉(音叉機制的工作原理是通過安裝在音叉基座上的一對壓電晶體使音叉在一定共振頻率下振動，當音叉開關的音叉與被測介質相接觸時，音叉的頻率和振幅將改變，音叉開關的這些變化由智能電路來進行檢測，處理并將之轉換為一個開關信號)。電機驅動部分通過靜電驅動方法，使機械元件前后振蕩，產生諧振，利用科里奧利力把角速率轉換成一個特定感應結構的位移，兩個正在運動的質點向相反方向做連續運動。只要從外部施加一個角速率，就會出現一個力，力的方向垂直于質點的運動方向。產生的力使感應質點發生位移，位移大小與所施加的加速度速率大小成正比，位于旁邊的傳感器就能感應出在定子和轉子之間引起的電容變化，從而實現操控功能。并且，由于在控制電路內部嵌入了先進的電源關斷功能，可以在不需要傳感器功能的時候關閉整個傳感器，或讓其進入深度睡眠模式，便可大幅降低陀螺儀的總功耗。從而像手機等便攜式設備就會由此獲得更長的續航時間。
MEMS陀螺儀技術發展方向
在蘋果公司的iPhone和任天堂公司的Wii游戲機的推動下，“運動傳感”概念深入人心，具備微型化智能化特征的MEMS陀螺儀正成為用戶關注的焦點，正成為消費類電子設備運動傳感的關鍵器件。著名市場研究顧問機構YoleDevelopment最新預測，MEMS陀螺儀、加速度計和磁感應器的銷售額在2013年將達到45億美元的規模。
圖4：在新工藝的支持下MEMS陀螺儀體積越來越小，性能越來越高，功能越來越強大
先進工藝是保障MEMS陀螺儀技術得以走向現實的基礎。MEMS加工除了使用大量傳統的IC工藝外，還需要一些特殊工藝，如雙面刻蝕、雙面光刻等。
通過在晶圓階段整合MEMS晶圓與相對應的CMOS電子電路，目前產品已能將MEMS陀螺儀產品的封裝縮小到mm級，最大厚度也僅為1mm左右，同時還能提供更高的效能、更低的噪聲，與更低的半導體封裝成本。新一代MEMS陀螺儀已普遍具備體積小、功耗低、精度高、成本低等諸多優點。
目前的MEMS陀螺儀產品包含單軸(如Z軸產品，可以由3個Z軸陀螺儀實現三軸功能)、雙軸(如XY雙軸、XZ雙軸，可由1個XY雙軸和1個Z軸陀螺儀實現三軸功能)、三軸(XYZ三軸)，以及三軸MEMS陀螺儀結合三軸MEMS加速度計實現的所謂六軸產品。三軸陀螺儀可以同時測定6個方向的位置、移動軌跡和加速度，單軸陀螺儀要實現同樣的功能需要三個單軸陀螺儀組合。相比單軸或雙軸產品，合三為一或合二為一的三軸陀螺儀具有體積小、重量輕、結構簡單、可靠性好的優點，是MEMS陀螺儀的發展趨勢。單一的三軸產品比組合的三軸產品在集成度和體積上也更適合于消費類電子設備。
圖5：當信號頻率高于0.5Hz時，陀螺儀對傾斜和旋轉運動的測量精度高于加速度計，反之亦然。而通過傳感器融合算法可把加速度計和陀螺儀的數據相結合，便可實現更寬的運動信號頻率覆蓋范圍。
從MEMS陀螺儀的應用方向來看，陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，可與MEMS加速度計(加速計)形成優勢互補，如果組合使用加速度計和陀螺儀這兩種傳感器，設計者就能更好地跟蹤并捕捉三維空間的完整運動，為最終用戶提供現場感更強的用戶使用體驗、精確的導航系統以及其它功能。
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表1不同檔次的陀螺儀適合于不同的需求
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典型應用
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圖像穩定性
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導航
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3D遙航
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游戲控制器
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陀螺儀靈敏度
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20～50mV/dps
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4～15mV/dps
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2mV/dps
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0.5mV/dps及更高
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陀螺儀滿量程范圍
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20～45dps
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50～67dps
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500dps
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2000dps及更高
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為此，應用這方面技術的前沿廠商InvenSense(應美盛)公司的專家認為：“要準確地描述線性和旋轉運動，需要設計者同時用到陀螺儀和加速度計。單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應的旋轉檢測;單純使用加速度計的方案可用于有固定的重力參考坐標系、存在線性或傾斜運動但旋轉運動被限制在一定范圍內的應用。但同時處理直線運動和旋轉運動時，就需要使用陀螺儀和加速度計的方案。”此外，為讓設計和制作的陀螺儀具有較高的加速度和較低的機械噪聲，或為校正加速度計的旋轉誤差，一些廠商會使用磁力計來完成傳統上用陀螺儀實現的傳感功能，以完成相應定位，讓陀螺儀術業有專攻。這表明，混合的陀螺儀、加速度計或磁感應計結合的方案正成為MEMS陀螺儀技術應用的趨勢。InvenSense的營銷總監DougVargha亦為此表示：
“若只使用傳統的加速度計，用戶得到的要么是反應敏捷的但噪聲較大的輸出，要么是反應慢但較純凈的輸出，而如將加速度計與陀螺儀相結合，就能得到既純凈又反應敏捷的輸出。”
MEMS陀螺儀當前市場狀況
目前市場上，單軸、雙軸、三軸的陀螺儀產品都有，其被應用于不同的需求場合。以InvenSense的IXZ-500及IXZ-650雙軸MEMS陀螺儀為例，其是一款整合傾斜X軸及偏移Z軸的兩軸運動處理單芯片，能滿足傳統及超薄的新世代遙控器所有零件在線路板同一平面上的需求。其主要輸出端具高精度的全格感測范圍，亦可滿足高需求數字電視及網絡電視遙控器的需求，并具內建放大器的第二個輸出端來偵測慢速動作的精確指針功能，可良好地滿足家庭影院、機頂盒、個人計算機用3D遙控器與計算機空中鼠標對陀螺儀的需求。而其基于IXZ技術的運動處理方案可實現具計算機鼠標瀏覽能力等級的3D遙控器，將傳統遙控器所需六到十個按鈕的步驟在一個動作以內完成;單手動作即可快速翻閱節目單或可傾斜遙控器來調整適當的音量;當有游戲內容時，具有寬廣的感測范圍的3D遙控器還可配合快速手勢動作來與電視機實現多媒體娛樂互動。
圖6：不同的產品能滿足不同的需求
ST(意法半導體)是公認的消費電子和手機市場MEMS傳感器主要供應商，已推出數十款以低功耗和小封裝為特色的高性能陀螺儀。意法半導體可為客戶提供1軸至3軸、30dps至6000dps靈敏度的各種陀螺儀傳感器，讓系統設計工程師能夠解決不同的應用需求：從圖像穩定器到游戲，從指向裝置到機器人控制。特別值得一提的是，將陀螺儀、加速度計和磁感應計結合，并均衡利用三者各自的優點，ST也可做出解決方案更強大的手機、GPS產品。如其最新的LYPR540AH三軸陀螺儀可進行360°角速度檢測，每個軸都能同時提供兩個輸出信號：用于檢測高精度慢動作的400dps全量程數值，和用于檢測速度非常快的手勢和動作的1600dps全量程數值，使手機、游戲機、個人導航系統等便攜設備具有高精度三維手勢和動作識別功能。與一個3軸加速計配合使用，設計人員能夠研制一種慣性測量單元，追蹤并提供人、車輛以及其他物體的運動類型、速度和方向的全部信息。
圖7：陀螺儀是用來測量物體的角速度的，而加速度計則是測量物體的線性加速度的，兩者的應用領域不同，所以本質上應該是互補關系，而不是相互競爭的關系。如果能將三軸陀螺儀與三軸加速度計整合在一起，則能更完整地傳感出物體的運動狀態，為終端產品提供更好的性能。
在了解MEMS陀螺儀基本特點的同時，廣大讀者更關心的是該產品的市場具體應用狀況。在具體產品應用方面，MEMS陀螺儀最早的成功應用是在DC/DV領域，目前在中高端的數碼相機及主流數碼攝像機產品中，幾乎都內置有陀螺儀用于防抖等。而在游戲方面，任天堂的WiiMotionPlus配件是最早將該技術實用化的例子。
WiiMotionPlus是一個三軸(單軸+雙軸)定位加速度陀螺儀，在主芯片和運算放大器的幫助下可提供三個方向的體感定位能力。而WiiRemote手柄使用的是單個三軸加速計，兩者連接起來后便可形成一個更高檔次的六軸操控體系。
圖8：Wii MotionPlus由一個單軸(圖下方)和雙軸(圖上方)陀螺儀組成三軸陀螺儀
而iPhone4則是全球首支內置MEMS陀螺儀的智能型手機，其采用了來自意法半導體的三軸MEMS陀螺儀，與同樣來自意法半導體的三軸加速度計可以組成更高檔次的六軸操控體系。與以前iPhone中一直存在的加速度計(測定三個軸向上的線性加速度)相比，陀螺儀可更好地測定角速度，兩者結合能夠實現更加完善和精確的動作感應。
圖9：iPhone 4內置的三軸陀螺儀(左)和加速度計(右)
iPhone4現在除了可以感應手機左右的晃動以外還能感受到前后的傾斜，可為手機帶來更強的在線游戲體驗，并提供更強的室內導航、操控能力，通過將手機倒放就能調靜音、搖搖手機就能撥出電話，甚至可用手機直接在半空中“簽名”作為交易憑證。總之，只要手機制造商或程序設計者能想到的功能，其都能實現。正如喬布斯在發布會上的演示那樣，當手持iPhone4身體旋轉一周時，屏幕上的對象也將隨之轉動，這在僅有加速度計動作感應功能的產品上是不可能實現的。
后記
MEMS陀螺儀大有可為體積小、性能強、成本低的MEMS陀螺儀及其配套的MEMS加速度計正成為便攜設備、游戲設備運動處理方案的首選，其可很好地滿足手機、PMP、MID、空中鼠標、游戲控制器、遙控器、電子玩具和便攜導航設備對封裝尺寸和旋轉傳感精度的要求。iPhone4率先在手機中應用三軸陀螺儀，為該器件在手機等設備中的普及化應用吹響了號角，將為用戶手機游戲以及定位服務等功能帶來新花樣。將加速計、陀螺儀和磁感應計結合，并均衡利用三者各自的優點，則可能徹底改變未來便攜設備用戶的操控體驗，可使多種消費電子設備實現更強的運動跟蹤功能，為用戶提供更好的如臨其境的現場感。
Veeramachaneni對此表示：“MEMS陀螺儀技術已成為智能手機開發者討論得最多的話題，預期在明年該技術將成為智能手機的標配，用戶可以通過陀螺儀獲得包含游戲在內的很多新的體驗，例如你可用手機更方便地玩擊劍游戲。”為此，包含ST、InvenSense、Kionix、Bosch、Sensortec、ADI、Freescale等在內的廠商都紛紛投入這一市場，以期在未來的競爭中獲得更多的發言權，這預示著未來的MEMS陀螺儀市場將變得更精彩，MEMS產業的競爭將白熱化，三軸陀螺儀成本全面跌破1美元指日可待。當然，除了在硬件配置上獲得突破性應用外，相關游戲或程序開發廠商如何開發出能充分體現出這種特性應用的程序也是關鍵，這亦將直接決定標配有該功能的產品在市場上的受歡迎程度。
圖10：首款支持三軸陀螺儀功能的游戲“Gun Range”可較完美地實現三軸陀螺儀所特有的3D重力感應特性，玩家只需不斷地晃動iPhone 4機身就能判定手機處在游戲空間中的方位，從而模擬出槍支的射擊動作。
總之，MEMS陀螺儀已不僅是一種技術概念和應用趨勢的炒作，其正實實在在地成為業界關注的焦點和相關廠商獲得突破追求的目標。功能至上，隨著Android3.0系統將最低硬件配置定為：1GHzCPU、512MB內存、3.5英寸顯示屏，超薄正成為普遍的設計目標的狀況下，MEMS陀螺儀這類新功能必將成為類似設備吸引用戶關注的新的殺手級應用。并且，關鍵的一點就是，其只需較低的投入，就能將用戶的體驗大大提升。“哪怕是包含山寨機在內的產品都能應用得起該功能”，未來不具備MEMS陀螺儀及加速度計的中高端手持設備、游戲設備的市場處境可想而知。 |
