為了讓生活更加的便利,感測器無所不在,不管在電子產品、交通運輸或醫療照護等,都需要感測器的幫助。(來源:Digitimes)

日常生活中有各式各樣的加速度感測器搭配陀螺儀的應用,例如:手機的賽車遊戲、計步器、室內三維定位等,這些便利讓我們感到習以為常,而忽略了去探所其原理為何。而此主題將分成兩篇文章撰寫,本篇文章將針對感測器的原理作介紹,並於下篇文章中,以實際用於我們生活中的感測器為例,讓讀者更加瞭解到其實這些常被我們所忽略的科技技術,它的原理及應用到底為何?

加速度感測器的物理原理

加速度的感測基本原理相當簡單,這類加速度計是利用特殊矽材料特質而設計出的可移動式結構,它的機械結構包括可移動的質量塊與彈簧連接感測器的相對固定端,分別作為電容的兩極。當外界因加速度而使得質量塊與彈簧固定端發生相對位移時,兩極間的電容量即會產生變化,透過特殊電路可將此變化量轉換成相對應的輸出訊號,進而得到相對加速度值。

但是如果只有一個方向的加速度感測器,在應用方面來說相對較少,因此,為了適用於真實的 3D 世界,我們再進一步將其擴增立體三個方向,也就是三軸加速度感測器,因此其能檢測 X、Y、Z 的加速度資料,並根據三軸資訊來判斷當前的運動狀態,進而推廣出大量的應用端。

陀螺儀感測器的物理原理

陀螺儀是一種用來感測與維持方向的裝置,基於角動量守恆(Angular Momentum)理論的設計。陀螺儀主要是由一個位於軸心且可旋轉的轉子構成,陀螺儀一旦開始旋轉,由於轉子的角動量,讓陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。而這些現象是由於它的兩個基本特性:一為定軸性,另一則為逆動性,這兩種特性都是建立在角動量守恆的原則下。

而現今普遍使用的則是微機電陀螺儀(簡稱 MEMS 陀螺儀)。陀螺儀的 MEMS 內部設計,核心元件是一個經過微加工之機械元件,利用科氏力(Coriolis)原理把角速率轉換成特定感應結構直向位移,進而取得變化量資訊。其工作原理是由相互正交的振動和轉動引起的交變科氏力,振動物體被柔軟的彈性結構懸掛在基底之上。整體動力學系統是二維彈性阻尼系統,在這個系統中振動和轉動誘導的科氏力把正比於角速度的能量轉移到傳感模式。

隨著半導體及微機電技術的進步,讓這些感測器體積變得更小、成本降低,進而可應用在手機、運動手環等隨身裝置上。經過上述文章介紹後,相信各位讀者對加速度感測器以及陀螺儀有了基本的認識與瞭解,接下來,我們將在下篇文章中介紹有關於生活中實際應用感測器的例子。

 

參考資料:

  1. 加速度感測器的原理和應用:手機翻轉、失重檢測、運動檢測、位置識別(2017)。ITW01
  2. MEMS旋風席捲手機:從汽車電子走向消費性應用,MEMS加速度計炙手可熱(2009)。新通訊 2009 年 10 月號 104 期《每月焦點》
  3. 室內定位技術那麼多,想要了解請看這裡(2017)。壹讀

 

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