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奈米電子–微機電製程 MEMS陀螺儀實現消費性電子產品體感控制

101/10/17 21928

黃承揚｜英商牛津儀器

智慧型手機帶來了便利，但你是不是到哪都低頭滑著你的手機呢？在「低頭族」充斥的社會，我們其實已經因為手機畫面而錯過很多身邊實體景物，甚至影響行車安全。也許有什麼方法可以讓我們在抬頭欣賞眼前美景的同時，還可以操作手機，或是即時記錄此刻畫面?這就是Google發明「Project Glass」的概念。

2012年Google I/O開發大會上，發表最新概念性產品「Project Glass」。外型與重量大約和太陽眼鏡相同，卻具備了視訊攝影機、無線網路連線，可以將拍攝的影片即時在社群網站上播放等功能，相當吸引人。這款集合智能手機、GPRS、相機於一身的眼鏡，其內建的電子裝置包含記憶體、無線通訊裝置、微型攝影鏡頭、重力感測裝置、陀螺儀等等。其中，陀螺儀(gyroscope)可說是奈米電子在近年來重要的明星商品，它是實現手機體感的重要功臣，也是本篇文章要介紹的主角。

陀螺儀是依據角動量守恆(conservation of angular momentum)的理論設計，主要由1個位於軸心(spin axis)可旋轉的輪子(Rotor)構成，另外有平衡環(gimbal)讓陀螺儀保持平衡、陀螺儀骨架(gyroscope frame)等。1850年法國的物理學家萊昂•傅科(J. Foucault)為了研究地球自轉，首先發現高速轉動中的轉子，由於慣性作用使它的旋轉軸永遠指向一固定方向，所以當陀螺儀開始旋轉，轉子的角動量守恆，有抗拒方向改變的趨勢。所以近代陀螺儀多用於導航、定位等系統中。

為何17世紀已發明的玩意，卻在21世紀的今天發光發熱?這全拜奈米電子─微電機系統製造技術所賜，將航空用途如拳頭般大小的傳統陀螺儀，藉由奈米電子製造技術縮小到僅有5mmx5mmx1.5mm的尺寸，此種現代版的陀螺儀稱為微機電陀螺儀晶片(MEMS gyroscope) 。古老版本和現代MEMS版本的陀螺儀基本物理特性是相同的，唯一不同在於MEMS技術將它縮小，讓每個微結構大約只有頭髮直徑的四分之一厚度，整體大約比火柴頭還要小，輕而易舉的放在輕薄的電子產品內。也因為有陀螺儀內埋於3C電子產品中，才讓iPhone、iPad、Project Glass……的操作如此「親民」，當你搖晃手機就能蒐尋朋友，當你轉動手機就能操作電玩賽車轉彎或甩尾，實現體感控制的享受。

要造就如此微小又兼具傳導、震動、移動等機械功能整合於一身的感測器，一般的機械加工方式均無法達成，唯有奈米電子MEMS可以實現微細加工的要求。MEMS即是在１塊晶片(矽和玻璃材料)上使用微加工的技術，例如: 黃光圖形化、刻蝕、金屬電鑄、摻雜等手段，將機械功能(磁性傳感、移動齒輪、加熱)、和電氣功能(梳狀電刷開關、傳導導線)進行整合於1塊晶片上，你可以在電子顯微鏡下看到如針尖一般大小的齒輪在轉動，或是如頭髮直徑一般細小的轉子在轉動中量測到角速度，再將能量轉移成傳感模式，傳到手機中讓操作者感受。

微機電技術是1種重要製程手段，它將所有實體機械架構縮小到奈米(或是微米)的等級，進一步塞進輕薄的iPhone或是Project Glass裡面，實現電子3C產品的實體感操作，讓虛擬與現實空間的觸感結合。還記得古老的經典科幻電影「驚異大奇航」嗎?乘坐縮小的膠囊型船艇航行於人體之中，MEMS已經讓過去的科幻想法落實在現代的生活當中了。（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通｣執行團隊撰稿）

責任編輯：楊谷洋｜國立交通大學電機工程學系

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