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讓人機互動更完美
新的微加速度計感測元件設計能增進現有產品的表現,像提高數位相機防手震反應能力、投影機的傾斜自動矯正功能等。
 
 
 
一般人也許不知道什麼是「微加速度計感測元件」,但它早已應用在許多事物上,例如數位相機、攝影機的防手振偵測,以及筆記型電腦硬碟的振動、摔落保護偵測。頗受歡迎的 Wii 遊戲機,也是「微加速度計感測元件」應用的成果。

深入認識「微加速度計感測元件」前,必須先了解何謂「加速度」。加速度指的是「單位時間」內的「速度變化」,比方說,當你騎腳踏車在馬路上奔馳時,突然有隻貓跳出,你立刻緊急煞車,當下你整個人感覺到一股往前衝的力道,然後在很短時間內有驚無險地停住腳踏車。這種在很短時間內從高速到靜止的過程,就是一個加速度的現象。

「加速度計」便是一種用來測量「加速度變化量」的裝置,若使加速度計與電腦微處理器結合,就成為一種能夠即時分析物體運動狀態的裝置,讓電腦知道物體此刻正在等速前進、加速前進或正在減速。進一步來看,如果能夠同時偵測物體在三度空間(X軸、Y軸與Z軸)上的加速度變化,就可以畫出這個物體在空間中的運動軌跡。

前面提到的筆記型電腦硬碟振動偵測,便是運用這個原理讓電腦知道當下整台機器在三度空間中的加速度變化,判定機器正在摔落中或彈跳振動中。若超過了某個預先設定的加速度變化值,硬碟「讀取頭」便會離開資料磁區,避免因振動刮傷磁區而損害資料。

「微加速度計感測元件」的運作原理淺顯易懂,但要真正做到「即時監控」、「精準描繪」物體的動作並不容易。例如,當你拿著Wii的控制棒模擬揮棒打擊動作時,遊戲螢幕中虛擬球員做出的動作其實很粗略。若要Wii模擬你「轉動手腕」持拍打桌球的連續動作,便力有未逮,無法真實表現你的動作。

但財團法人工業技術研究院南分院已經有了突破,開發出一種稱為「3D 飛鼠」的人機互動遊戲控制器。該院微系統科技中心何宗哲主任說:「3D 飛鼠比 Wii 感應速度更快、更精準,能夠玩更複雜的虛擬實境遊戲!」

3D 飛鼠的祕密在於提升「感測器靈敏度」與「資料處理速度」。這表示電腦要有區別「動作」與「非動作」(又稱為雜訊)的能耐,接著還需要使感測器「微小化」、「低成本化」,這樣才能大量使用感測器,捕捉、模擬更精細的人體動作。

感測元件創新

何宗哲主任負責領導工研院團隊研發新式微加速度計感測元件,團隊成員許郁文博士表示,傳統的加速度計產品有3種感測機制,分別是電容式、壓阻式與熱耦式,他選擇具有高靈敏度、低雜訊、低電流消耗優點的「電容式加速度計」做為新式裝置的基礎架構。

「電容」(capacitance)是指在兩導體間給定電位差下的「電荷儲藏量」,會因為介電層的材質、相隔距離等因素而有不同的電荷儲存量。許郁文博士設計的「電容式加速度計」,便是利用XYZ三軸空間上超細微彈簧受外力振動會改變電容的特性,偵測「電容變化量」來感知外界的動作變化。

這種新式的三軸微加速度計感測元件在應用上包含兩個系統,一個是「微機電系統」(micro electro mechanical systems, MEMS),另一個是負責邏輯運算功能的「微處理器(central processing unit, CPU)」,兩者合一成為專門處理動作訊號的小型電腦。產品最大的特點是把兩者整合在約米粒般大小的空間內,並擁有低成本、反應靈敏度高的優點。

何宗哲主任解釋,低成本是因為採用我國電子業最常用、技術成熟的互補式金屬-氧化層-半導體(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS)製程來製作微處理器CPU單元,也因為做到「微小化」而能夠降低成本。

「感測元件的創新設計則提高了反應靈敏度」何宗哲主任表示,「關鍵在於增強加速度計在Z軸的靈敏度,同時可以依據使用者的需求調整感測靈敏度」。如此一來,微小化、低成本的加速度計便可布置在物體上,高速、精準地追蹤物體的運動軌跡。

無雜訊 更靈敏

優良的微加速度計感測元件還必須符合另一項要求—處理「雜訊」問題。雜訊來自兩方面,第1種是「機械雜訊」,例如利用超細微彈簧振動引發電容變化時便會產生雜訊,靈敏彈簧可能因其他物理原因而振動,未必是外在動作所導致的。

第2種雜訊來自於外在的「不相關動作資訊」(動作雜訊),例如在實驗者手腕、手指頭上布置加速度感測元件進行「持球拍模擬動作」時,若實驗者手部動作有輕微不自主的顫動現象,當實驗者「自認」正「持拍靜止」時,這完整展現手抖動的現象,是否可視為動作雜訊不予以模擬呢?

以上兩種雜訊的控制攸關感測器元件的表現,工研院研發團隊利用「演算法」幫助微處理器 CPU 去除「機械雜訊」與「動作雜訊」的影響。「演算法」是一種提供微處理器判斷「雜訊標準」的「程式」,比方說,當偵測到一個有固定周期的輕微振動時,微處理器便透過演算法的內建規定,把它判斷為雜訊而不予以模擬,因為那可能只是輕微的手部顫抖動作而已。

「演算法概念很簡單,但寫起來卻頗為困難。」何宗哲主任說。演算法的能力在於對各種狀況的判斷,但狀況千百樣,規劃判斷標準是研究人員最大的挑戰。因此,何主任的團隊花費許多心血在演算法程式的規畫上,針對不同的目標需求(例如玩人機互動遊戲、當作電視遙控器等)設想情況,檢驗判斷成效後不斷修改,完成可用的演算程式。

「演算法內容是我們的優勢,他人難以模仿。」何宗哲主任自信地說。

多樣的應用前景

許郁文博士指出,感測元件設計最大的挑戰,是在有限的尺寸上同時達到「高靈敏度」與「低機械雜訊」的目標,也就是說,縮小感測晶片尺寸與達到性能需求的能力反應了產品技術競爭力。工研院團隊成功地達到這個目標,後續擴散出來的經濟效益不可小覷。

何宗哲主任表示「新一代三軸微加速度計感測元件」應用潛力深厚,除人機互動遊戲外,也能應用在「3D 多媒體互動裝置」,讓使用者以最自然的人體動作取代以往的鍵盤、按鈕輸入方式,與多媒體進行直覺式的互動。

新設計能增進現有產品的表現,像提高數位相機防手振反應能力、慣性導航系統精準度、投影機的傾斜自動矯正功能等。在醫療照護事業上也頗有運用潛力,例如開發「老人跌倒偵測」裝置,或做為「復健訓練」的輔助裝置,讓醫療人員掌握病人的復健動作是否確實有效。

研究團隊所開發的「新一代三軸微加速度計感測元件」共獲得 36 項專利,技術移轉到業界、接受研究委託金額超過2億6千萬元,業界總投資金額預估超過 10 億元。何宗哲主任並協助業界成立「CMOS MEMS 產業策略聯盟」、「動作感知技術創新應用產業聯盟」、「微機電 Lab 使用者聯盟」等多個聯盟,協助業者快速掌握全球最新技術與市場發展主流。這些成就也讓何宗哲主任榮獲「行政院 2009 年傑出科技貢獻獎」的肯定。

「務實研發,大膽創新,使命必達,不達必死」是何宗哲主任的座右銘。但對許多有志於研發工作的人來說,想必也是共同的信念吧!相信這股企圖心帶來的成果,能讓臺灣在國際上綻放更多光亮。

【行政院2009年傑出科技貢獻獎得獎人專訪】
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