在PND、智慧型手機與遊戲機等終端裝置陸續加入加速度計與陀螺儀等元件以後，各式重力感測之應用環境也不斷延伸。由於動作模式之不同，感測器與應用方式也大異其趣，因而帶來包括車輛駕駛、硬碟保護與人機介面等領域的當紅。
雖然微機電系統(MEMS)技術已被應用在安全氣囊及汽車壓力感測器上超過20年，不過此技術因被任天堂(Nintendo)Wii及蘋果(Apple)iPhone極具特色的動作感測使用者介面所採用，進而使得慣性感測器所具備的能力再次受到廣泛矚目。
至今仍然有一定程度的觀念會堅持慣性感測器主要是在終端產品須要偵測加速度及減速度的狀況下使用。就純科學的角度來說確實是如此。然而這樣的想法將會喪失許多微機電加速度計及陀螺儀的延伸使用性，其中包括如是醫療裝置、工業設備、消費性電子裝置與汽車電子裝置等領域。
在動作感測五種模式之中的每一種模式，都有可能大幅擴展其選項，使其超越現今的高容量微機電應用裝置。此五種模式分別為加速度(包括如位置與方向之類的平移運動)、震動、衝擊、傾斜及旋轉(圖1)。
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舉例來說，當裝置在沒有移動或是振動的情況下而呈現閒置狀態時，具有主動式偵測功能的加速度計可以使該裝置進入最低電力耗損模式，藉以實現電源管理的技巧。複雜的控制及實體按鈕可以藉由以手指輕敲來加以控制的姿勢辨識(Gesture-recognition)介面所取代。在其他的使用狀況中，終端產品的運作將會變得更為精密，例如指南針在手持狀態下會對其傾斜角度進行補償。
本文將對先進的商業用微機電加速度計及陀螺儀，設定成透過五種型態的動作感測以轉變出各種不同領域產品的方法進行討論。
動作感測無所不在 微機電系統開展全新應用
在一般的動作感測中，可分為加速度、震動、衝擊、傾斜及旋轉。而除了旋轉之外，其餘動作實際上都是在不同時間區間中加速度的不同表現型式。然而，由於不能直接將這些動作感測就當成是加速度/減速度的變化，因此分別考慮每一種模式，將有助於更多可能性的開展。
加速度/震動/衝擊/傾斜屬加速度應用
包含了平移運動在內的加速度，主要量測單位時間內的速度變化。速度的計量方式是以每秒所行公尺(m/s)來表示，而且包括位移速率及運動方向。加速度的量測則是以每秒平方所行公尺(m/s2)來表示。負值的加速度如當駕駛人踩下煞車，使汽車速度減慢，即為減速度。
接下來探討在不同時間區間的加速度。震動可以被當成是以週期性型態快速發生的加速度與減速度。與其類似的衝擊則是突然發生的加速度。但是與震動不同的是，衝擊是一種只會發生一次的非週期性函數。
而若把時間的長度再次加以延伸，當一個物體因為移動而改變傾斜度或是斜角時，就會牽涉到與重力有關的位置變化。與震動和衝擊相較之下，這種移動的發生較為緩慢。
由於前述這四種動作感測的模式都包含有一項特定方面的加速度，因此它們都可以利用重力施加於地球上之物體的力量單位(G-force)來加以量測，在此時，1g等於9.8m/s2)。微機電加速度計可以藉由量測加速度計軸上之重力加速度的效應，進而偵測出傾斜度。以一組三軸加速度計為例，三組個別的輸出所量測的是沿著X、Y以及Z軸動作的加速度。
目前擁有最高市占率的加速度計採用差動電容器來量測重力，然後將其轉換為伏特或是位元(使用數位化輸出加速度計時)並傳送至微處理器後執行特定動作。比以往具有更廣頻寬的低g與高g感測範圍之微型微機電加速度計，由於最近在技術方面的進步已經使其得以生產，進而大幅的增加了潛在應用領域的範疇。低g感測範圍意指低於20g，而且是處理人類所能產生的動作。高g則是用於針對機械或是汽車等動作感測。一般來說，高g是人類所無法產生的動作。
旋轉不具加速度特性
目前多探討線性速度(Linear Rate)動作--包含加速度、震動、衝擊及傾斜的動作類型。旋轉乃是對於角速度動作的量測。這個模式與其他的模式不同，原因是旋轉的發生可能不會有加速度的改變。
為了解這是如何運作的，可以畫出一組三軸慣性感測器。假設感測器的X與Y軸與地球表面平行；而Z軸則是指向地球的中心點。在這個位置上，Z軸測得1g，而X與Y軸則指示為0g。現在旋轉此感測器，使其只沿著Z軸移動。X與Y平面只有旋轉，量測結果持續為0g，而Z軸也仍然測得1g。
微機電系統陀螺儀就是用來感測這種旋轉動作的。由於某些終端產品除了其他形式的動作之外還必須量測旋轉動作，因此陀螺儀可以被整合至已經嵌入一組多軸陀螺儀及多軸加速度計的慣性量測單元(IMU)當中。
移動判定開關與否 加速度偵測有助電源管理
前文述及了加速度會對移動與位置的偵測產生影響，這對於使用微機電加速度計以便在裝置被拿起以及放下時能夠發出通知的機制創造了可能性，而這些動作被偵測到之後會產生一組能夠自動將功能予以啟始或關閉的判定。不同的功能組合可以維持在啟動狀態，或是進入可能的最低電力狀態。藉由移動而加以驅動的開/關特點對於人類而言是較易於使用的，因為這些特點可以將使用者端的重複性動作消除掉。而這些特點還能夠更進一步的強化電源管理，使裝置在重新充電或是更換電池前可以使用得更久。具有背光液晶顯示器(LCD)的智慧型遠端控制也是潛在方案之一。
另一種使用加速度計來感測移動及產生中斷的方式，就是軍用或公共安全人員的無線電。一般的情況下，為了要保持通訊安全，當無線電處於沒有被配戴或是攜帶的情況時，在允許使用者存取之前必須要經過重新確認。注意到實際上對於可攜式或是小尺寸的設計而言，上述兩種使用情況都會依據加速度計進行判定，而這些加速度計只會汲取少量的電流--最多數個微安培(μA)。
移動感測的另一個應用領域則是使用於如自動體外電擊器之類的醫療設備當中。典型的自動體外電擊器都是被設計成提供電擊，藉以使病患的心臟再次的跳動。當此行動失敗時，就必須執行手動的心肺復甦術(CPR)。經驗較淺的急救人員可能無法對病患的胸部施加足夠的擠壓，以便達成有效率的CPR。嵌入於自動體外電擊器胸墊中的加速度計，可以量測出胸墊移動的距離，進而為急救人員提供擠壓量是否適當的反饋。
加速度感測有效管理維護資產
在震動方面的輕微改變，會被視為是包括工業設備在內的機械裝置發生了軸承磨損、機械零件偏移及其他問題的領先指標。而具有非常寬廣頻寬的極小微機電加速度計很適合使用於監測馬達、風扇與壓縮機內的震動。能夠執行預防性的維護將可以使生產公司避免昂貴儀器的損壞，同時免於須要耗費大量成本的生產力所損失的故障。
對設備中震動特徵的改變加以量測，也可以用來偵測該機械是否已經被調校至能夠以具有能源效益的方式進行運作。在正常的情況下，除非調校正確，否則這種無效率的作業可能會對公司在綠色生產上的努力造成傷害，並且增加其電費帳單的金額，或者最終導致設備的損壞。
在許多筆記型電腦中所使用的磁碟機保護功能，就是目前受到最廣泛採用衝擊感測的應用領域之一。安裝於此類電腦中的加速度計，會偵測微量的重力，該重力會指示出筆記型電腦目前正在下落或是掉落，而這正是撞擊地板的前兆。配有重力感測的終端設備，將可在數毫秒內由系統對磁碟機下達指令，將讀寫頭收回固定。將讀寫頭收回固定可以使其在衝擊發生時不會與磁碟片有所接觸，進而使磁碟機避免損壞與造成資料的損失。
慣性感測開啟操作新紀元
姿勢辨識介面乃是此類型慣性感測中大有可為的全新用途。經過定義的姿勢如輕敲、雙敲擊或搖動等，能讓使用者啟用不同的功能或是調整作業的模式。姿勢辨識使得原本採用實體按鈕與開關所難以操控的裝置能夠更易於使用。無按鈕的設計除了能夠改善終端產品的耐用性，例如水中照相機上的開放式按鈕會讓水滲漏至相機本體之外，也可以降低整體系統成本。
對於以加速度計驅動之姿勢辨識的應用領域而言，小尺寸的消費性電子裝置產品並非其唯一應用方式。拜極小的低電力微機電加速度計所賜，輕觸式介面成為了耐用植入式醫療裝置如藥物輸送泵(Medication Delivery Pumps)及助聽器等的良好配件。
傾斜感測適用於精密作業
傾斜感測在姿勢辨識介面上同樣具有龐大的潛力。舉例來說，在如建築或工業檢驗設備的應用領域中，單手作業可能會比較好。而沒有操作裝置的另一隻手則用來控制作業員所站立的吊籃或平台，或者用來抓住繫繩以策安全。作業員可以只旋轉探針或是裝置即可調整其設定。
在以下所述的狀況下，三軸加速度計會將「旋轉」感測為「傾斜」：在有重力加速度出現的斜面上量測低速度的變化、偵測重力向量上的變化，以及判定其方向究竟為順時針還是逆時針。傾斜偵測也能夠與輕敲(搖動)辨識加以結合，使作業員能夠只使用單手就可以控制更多的功能。
對一個裝置的位置進行補償，這是傾斜量測極具用途的另一個重要領域。將電子式指南針放入全球衛星定位系統(GPS)或是行動電話中時，若是指南針沒有完全擺放至與地球表面平行，所顯示的指向結果就會產生錯誤。
工業用磅秤則是另外一個例子。在這種應用裝置中，負載用吊籃相對於地表的傾斜度必須要納入計算，以便正確的讀出其重量。壓力感測器如使用於汽車與工業機械中的也同樣容易受到重力的影響。這些感測器都具有膜片，其偏斜度會依據其附著於感測器之位置而有所變化。在以上的這些情況下，微機電加速度計會執行必要的傾斜度量測，以便對誤差進行補償。
加速度計結合陀螺儀應用多元
如同先前曾經提到過的，當旋轉與其他形式的慣性感測加以結合時，微機電技術在真實世界的應用就會具有更多的好處。實際上這須要使用加速度計及陀螺儀。 前文提及的慣性量測單元，其中包含有一組多軸加速度計、多軸陀螺儀，以及為了進一步增加指向正確性的多軸地磁儀。慣性量測單元還額外提供了完整的6自由度(DoF)。這可以為醫療影像設備、外科手術用儀器、先進的義肢及工業用車輛的自動導航等應用裝置帶來超精細的解析度。除了高精密度的作業之外，選用慣性量測單元的另一項優點則是其所具有的多樣功能，可以由感測器生產廠商進行預先測試和預先校正。
慣性量測單元也可以被使用在精密度需求不顯著的場合。眾多範例的其中之一就是智慧型高爾夫球桿，這些球桿會追蹤與記錄每一個揮桿的動作，如此將使得高球選手的技術更加精進。球桿內的加速度計會量測加速度與揮動的平面，而陀螺儀則量測內轉(Pronation)，或是高球選手在揮桿時手腕的扭轉度。高爾夫球桿會記錄比賽或是練習時所蒐集到的資料，以便稍後可以在電腦上進行分析。
從以上各種應用與環境的需求可以看出，無論是針對易於使用的特點、電力耗損最小化、消除實體按鈕與控制、對重力與位置加以補償，或是更聰明的作業方式，以微機電系統為基礎的慣性感測都為各種動作感測提供了豐富的選項。
而業者們也透過推出新一代動作訊號處理產品線，引領下一波訊號處理中所需要加速度計以及陀螺儀的開發。持續擴展的動作感測應用領域範圍，將會由於這些IC解決方案所提供小尺寸、高解析度、低電力耗損、高可靠度、訊號調節電路以及整合式的功能而獲益良多。
(本文作者任職於亞德諾)