前言：多轴动作感应技术并不是什么新奇的玩意，早在多年之前，二轴动作传感器已经被广泛应用在汽车电子领域中，而三轴动作传感器则是已经应用在高阶笔记本电脑，担任硬盘防震与数据保护的作用，并且也被数字相机大厂采用作为防手震系统的基础技术之一。
图说：高阶数字相机中，镜头常以内建陀螺仪达到机械式防手震，效果较光学式防手震为佳。（数据源：Pentax）
至于在目前最火热的次世代主机话题中，三轴感应技术就分别担当了Wii与PS3这两大主角的控制应用方式，进而提供了玩家更为多变的操控方式。除此之外，作为状态识别也是此类动作感应技术的主流发展方向。比如说目前就已经有多家厂商研究在手机之中加入动作感应技术，并藉由解读使用者的动作来进行不同工能的实现。虽然在计算机上，此类的概念已经被广泛的应用于网络浏览器的手势辨识等，藉由特定动作来下达各种不同的指令，这项功能的加入，也可望为陷入窠臼手机发展带来不同的想象空间以及市场客群。
图说：Wii内建了三轴加速计，可侦测倾斜动作以及加速动作。（数据源：任天堂）
多样化的应用方式
除了作为输入指令的另一种方式以外，国外也有使用动作感应技术来识别产品用户的身份，其理论基础为每个人的走路方式与步伐节奏都各有不同，甚至可以如同指纹一般具有独特姓，因此使用内建此技术的产品时（例如说手机），只要硬件侦测到特定时期的步伐动作有所改变，便会自动锁定，避免被非法使用，虽然开发者可能没想到万一脚受伤或者是路况改变可能会带来的麻烦，不过动作感应来作为安全管理的概念若是能够发扬光大，那会是相当有趣的一件事（想象一下，要使用手机前必须先拿着手机摆出假面骑士的动作，手机才会解锁…..）。
除了以上这些已经或将来会出现的应用以外，动作感应技术也被普遍使用于商业、医疗设备以及安全管理等不同的领域。而在技术提供厂商方面，竞争也显得相当激烈，除了ADI、Freescale以及STMicroelectronics等知名大厂以外，Bosch Sensortec、Kionix、HitachiMetals、OkiElectric等公司也都相继投入这块市场，2006年在市场上已经有超过10家公司提供具备动作感应技术的芯片产品，动作感应一时之间变成了兵家的必争之地。
动作感应技术的架构与应用
动作感应技术基本上是加速度计的应用方式之一，以目前的技术来说，微机电（Micro Electro Mechanical Systems；MEMS）方式设计的加速度计是主流的架构。MEMS加速度计还可搭配陀螺仪架构成惯性量测系统，虽然最初是由导弹控制、机器人等军事或非军事系统所采用，但后来随着系统的成熟与稳定，这样的技术也逐渐流入普通消费市场，从车辆的安全器囊传感器、倾斜传感器以及防死锁系统等等，已经成为目前最为主流的应用。而随着3C产业的发达，惯性量测系统也逐渐的被大量应用，比如说投影机的画面自动回馈补正功能（Autokeystone Correction）、智能型手机的电子罗盘补正（3D Compass）以及个人追迹系统（Person Tracking Unit）等等。不用说，最热门的自然是当前的次世代主机中所用到的体感控制方式，在这方面可分为加速度计与陀螺仪两大类。
随着MEMS技术的发展，加速度计成为动作感测组件中最热门的一环。加速度计是基于牛顿第二理论基础之下的应用技术，根据机本的物理原则，处在一个系统内部，速度是无法进行测量的，不过其加速度却可以测量出来。如果初速度已知，那么可以通过积分计算出线性速度，进而可以计算出直线位移。如果结合陀螺仪（用来测角速度），还可以进一步对物体进行精确定位。根据此一原理，人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船，飞机和航天飞机的导航，近年来，这项技术更是普遍用于汽车的自动驾驶和导弹的导航。而就如前文所提到的，汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用方向，并且逐渐扩及至其他领域。
■加速度计的技术与沿革
图说：加速度计芯片图。（数据源：Silicondesigns）
加速度计的工作原理其实相当简单：当加速度计连同外界物体（该物体的加速度就是待测的加速度）受到外力一起进行加速运动时，惯性质量就受到惯性力的作用向相反的方向运动。而惯性质量发生的位移将会受到弹簧和阻尼器的限制，这两者之间的关系相当密切，当外界加速度固定时，惯性质量将会具有确定的位移，而外界加速度变化时（只要变化不是很快），惯性质量的位移也发生相应的变化。另一方面，当惯性质量发生位移时，传感器之间的电容就会发生相应的变化；如果测得传感器输出电压的变化，就等同于测得了惯性质量的位移。因此透过输出电压的感测就能得知外界的加速度。
传统的加速度计包括了压阻式、压电式、电容式和光学式等，且多为单轴向力量测加速度计；在多轴向力量测方面，大多是应变计与压阻式传感器设计，架构上多为十字形结构设计，对于应变计式的多轴向加速度计来说，需使用为数相当多的应变计，一般体积皆过于偏大，于接触式加速度计而言其接触面常与组件面同为同一面，易造成表面污染与破坏。对于多轴向力的量测，靠单一方向的传感器已不敷所需，若使用多个传感器量测将增加系统误差与量测成本。因此，采用硅制程的MEMS微机械加速度计就成了目前流行的解决方案。
利用硅制程技术，设计接触式与非接触式多轴向力微传感器，将数量不等的压电微感测结构设计于单一芯片上，利用压电组件在薄膜上的位置分布与薄膜的结构设计，来量测不同轴向的讯息，以构成具备小体积的多向力微机械加速度计，改变以往单向的讯号量测以及体积过大的缺点，并可增加量测精准度与节省量测成本，对于一般接触面与组件线路面为同一面之设计亦逐步做出改良，有效避免感测面受污染与降低联机受接触性机械破坏，进而大幅提高传感器使用寿命。
传统指插电容式侦测结构加速度计
过去在汽车电子应用最广泛的是指插电容式侦测结构（Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer）。当指叉式结构承受到加速度时，中间的惯性质量（Proof Mass）将拉深及压缩分置于两侧的平衡扭动结构（Tether），此时连结于惯性质量的指叉电极，与两侧固定电极之间的间隙将随加速度产生变化，从而造成电容量的改变，将加速度的感应，转化成电讯号输出。
不过这样的设计有其缺陷，那就是在高加速度冲击之下，惯性质量很有可能会与固定电极碰触，产生黏着现象，而使得加速感测组件失效。而另一个问题则是，由电容来判定加速度的话，可能会造成传输讯号极有可能会受到线路寄生电容的影响而影响到组件可靠度，因此在设计时必需要缩短与讯号处理系统之间的接线长度。而封装时组件中留存的气体，可能会因为工作温度的改变，使得结构产生变形，造成输出的数值不稳定。
热对流式加速度计
图说：ADI的ADXL330三轴加速度计是标准的热对流感应加速计。（数据源：ADI）
热对流式加速度计是基于单芯片 CMOS制程的完整的加速度量测系统。它是以可移动的热对流气团作为惯性质量，通过测量由加速度引起的硅槽内气团位置的变化来测量加速度。这与传统的实体惯性质量相比具有很大的优势，由于不存在电容式架构的黏着、易受工作温度影响等问题，同时能抵抗高达50,000G 的冲击力量。这使得热对流式加速度计的良品率大大提高，从而有效降低生产成本。此外，无实体惯性质量的设计，也能有助于降低故障率的发生。
热对流式加速度计的结构其实相对简单，芯片内部深蚀刻出凹槽，称为硅槽（cavity），内部的空间充填气体，并且利用多晶硅沈积出Cross Bar的结构，悬臂四周布置由铝和硅所结合而成的温度传感器，并且将硅槽密封。当Cross Bar被加热时，硅槽内部便会形成温度梯度场，也就是热气团，这个热气团将会悬浮在硅槽的正中央。当加速计静止时，热气团也呈现均匀分布的静止状态，四周Cross Bar附近的温度传感器将会接收到对称的温度分布。而当加速计感应到加速时，热气团将会往移动相反方向偏移，硅槽内的温度平衡就会破坏，因此温度传感器的输出电压就会产生变化。
热对流式加速规设计重点在于平衡密闭空间中气体因密度差造成之浮力与气体之黏滞力，否则将因热对流扩散，而使密闭空间中气体在悬臂加热时迅速达到热平衡，而使分布之温度传感器无法分辨讯号，理想气体的假设下，密闭气体压力与其密度成正比，因此可藉由提高气体压力，使组件能侦测到更低之加速度，从而提高组件灵敏度。
依热对流式加速度计的工作原理，芯片内部组件无任何可动部件的结构，因此其耐冲击性相对其他传统结构来说，要来的较强，理论上最高可达50,000g，远超过指叉式结构之加速度计；由于采用非电容式感测结构，因此也没有寄生电容耦合之干扰；至于在组件灵敏度、分辨率及其噪音位准方面，则与指叉式结构均相当。而在响应频率上，由于热对流式感应原理，利用气体密度差作为挠性阻尼，而指叉式感应结构则是由金属结构构成的挠型阻尼，其刚性较大，因此其响应频率差别极大，此为热对流式加速度计性能较为弱势之处。
■陀螺仪的技术概观
图说：360度陀螺仪架构图。（数据源：ADI）
陀螺仪是一种角度或角速度感测组件，用以量测载具的姿态与方向，是稳定控 制、 惯性导引与姿态量测重要组件，目前在包含卫星、飞机、 舰、船与车辆被广泛的使用。陀螺仪的主类可以概分为转子式陀螺仪、光学式陀螺仪以及振动陀螺仪，其中振动陀螺仪构造简单，是借着结构组件的振动来感测角速度，由于是以组件振动方式感测，故无转子式陀螺仪的启动时间限制、耗能与轴承损耗等缺点。另外在微加工技术日益进步的今日，振动陀螺仪也因为构造简单而成为微机械应用的主要对象之一。
振动陀螺仪系一应用科氏力效应感测角速度的陀螺仪，因其以结构体之共振模态驱动，故其耗能极低，可瞬时起动。又因其无旋转组件故避掉轴承磨耗及运转寿命限制，且可利用微机电加工将其制成微小组件。振动陀螺仪虽有各式各样不同类型，然均具振子、支撑、驱动、感测及外壳等机构。
虽然陀螺仪乍看之下与加速器是处于互相竞争的局面，而加速器已经逐渐普及于3C应用产品中，陀螺仪气势显得稍弱，但是陀螺仪也可以与加速计合并使用，在PS3与Wii中，便都是这种混合架构，因此两者的控制器都同样可以进行加速度感测以及倾斜角度感测等不同操控动作，合并式的设计可以提供更全面的操控应用体验。
各大厂针对动作感测市场的解决方案
ADI的iMEMS架构成功的把热对流式加速计MEMS单元与外围电路整合为单一芯片，依此技术开发出来的ADXL330具备有功耗低、封装小以及极为强大的抗冲击能力，而其采用的BiCMOS制程技术，也能确保高产量与低成本可以兼具。而因其技术优势，任天堂也采用ADI公司的MEMS加速计技术，作为Wii主机的动态感应控制器核心。
而从2001年开始涉足加速计市场的Freescale公司，其产品封装尺寸非常小，因此只需较小的板卡空间便可安置，另外还提供快速启动和休眠模式，非常适用于需要电池供电的行动设备，因此Freescale公司将MP3、手机等应用作为目标市场，不过汽车电子也是其注重目标之一。韩国三星公司业已推出多款相关行动多媒体产品。至于STMicroelectronics公司所推出的产品，则是以低功耗、高分辨率为诉求，并针对硬盘保护机制与运动感测装置等市场应用着手。
Melexix公司所推出的Triaxis技术，可进行360度非接触式侦测以及可程序化的应用，依此技术所开出来的芯片产品可应用于汽车电子与工业应用中关于角度定位的诸多工作。诸如加速器、剎车踏板的定位、油门/方向盘定位感册、高度感测、水面感测、非接触性电位计以及马达定位等等。Triaxis技术结合了汽车混合信号CMOS技术以及瑞士Sentron公司的Integrated?Magneto-Concentrator?（IMC)技术，具备了高精确度，并且可衡量传统霍尔技术所不易察觉的IC表面并行磁场效应，并能有效微缩芯片面积，进一步加大产量并降低成本。
广泛应用造就动作传感器需求加剧
消费性电子、通讯电子产品，如手机、PDA、MP3、PMP、行动DVD、数字相机、笔记本电脑等必须具备一定的抗冲击或抗跌落能力。制造商要求其产品必须通过1.2或1.3公尺的自由掉落测试，从1.2m自由跌落至大理石地面将对机器产生大约50,000g的冲击力。如果除去外壳和印刷电路板的缓冲作用，施加到加速度计上的冲击加速度也将超过5,000g。
图说：内建加速度计的ECU肩负着汽车安全气囊的触动。（数据源：Infineon）
为了抵御这种强大的冲击力道，制造商要求产品设计师在产品中设计缓冲系统，并且采用多轴加速度计侦测掉落时的加速度，当发现突发的加速度时，系统便会根据加速度计所传来的信息，在第一时间关闭不耐震的电子组件的电源，避免在与地面接触时该电子组件仍持续运转，造成更大的实体伤害，这些不耐震的电子组件包含了如高速旋转的硬盘机、光驱等具有可动部分的组件。
图说：加速计在笔记本电脑中的线路设计。（数据源：www.hope.com.tw）
加速度计在手机上的应用将会成为手机新增功能的潮流，如应用它能感知手机的左右摇晃，并可通过MCU控制手机上的LED发光次序，在摇晃的瞬间，便会出现由光点组成的文字，即所谓「闪讯」功能，藉由挥动手机，便可在空中显示出用户自行编辑的文字。 对流式加速度计还可用于手持设备中的遥控器、手持操纵器的左／右、前／后方向（或加／减速）的控制，或在手持产品中加入计步器功能，或帮助照相手机、数字相机、PMP的LCD／TFT显示屏幕图像自动修正。并能检测手持设备的振动／晃动幅度，当振动／晃动幅度过大时，则会利用马达对镜头进行微动调整，以补偿手晃动的影响，实现防手震拍照。
至于在流行的GPS导航系统中，加入了动作感测组件，便可以在无讯号的地区利用动作感应侦测移动的距离，进而计算出在地图上相对应的地址，这对于在高楼大厦林立之处，或者是深山隧道中有着相当大的帮助，使用导航装置时，也不会因为收不到讯号而直接给个错误讯息便撒手不理。
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