淺談陀螺儀

生活科學趣談

移動的物體在不受外力或合力為零的條件下,具有保持其移動狀態的慣性,這稱為動量守恆;旋轉的陀螺或飛輪在所受合力矩為零的情況下,也具有保持其轉動狀態的慣性,這稱為角動量守恆

旋轉的陀螺或飛輪倘若受到一個力矩,就會產生角動量的變化而形成 進動(Precession)

陀螺儀即為基於角動量守恆的理論而設計用來維持或感測方向的裝置

那麼陀螺儀要如何塞進手機呢?這是藉由 微機電系統Microelectromechanical Systems,MEMS)的小封裝技術

並且運用傅科擺的概念

因為在轉動的座標系會產生一種偏向的 科氏力,力的方向垂直於物體的運動方向,使感測質量發生位移。由於位移大小與旋轉的角速率成正比,感測的動電極會與固定電極之間發生額外的距離變化量,從而讓二者之間的電容值產生偏差,因此施加在手機內部陀螺儀元件的旋轉角度就能轉化成一個電路可以檢測的資訊了!

順便來聊聊手機的另一個MEMS元件 – 磁感測器。就如同手機內的陀螺儀並非將傳統陀螺儀縮小後塞入,手機中的磁感測器也不是把一個可以繞軸旋轉的磁針塞進去(雖然螢幕上仍是呈現指北針的外觀),磁信號還是得先轉化成為電路可以處理的電信號才行。中學的物理課上到電磁時,有提到電流磁效應與電磁感應…

不過由於感應線圈的靈敏度與單位長度內的線圈匝數成正比,因此零件難以微小化,而這也是電感很少封裝在IC內的原因之一(另外也可避免干擾MOS元件)。工業上常見的磁感應裝置是霍爾效應傳感器(Hall sensor),它可應用在汽車的ABS系統中

它的量測範圍可從 10 nT ~ 20 T , 雖然台灣的水平地磁強度從最北端的35810 nT(宜蘭縣釣魚台)到最南端的40530 nT(高雄市旗津區太平島)均處於 Hall sensor 的可量測範圍內,但是可量測範圍大就意味著不夠靈敏(就如同拿體重計去秤化學藥品劑量)。因此,具有較高靈敏度的磁電阻效應傳感器(100 pT ~ 100 mT)是做為地磁感測器的首選方案。

磁電阻效應(Magnetoresistance)是指材料之電阻隨著外加磁場的變化而改變的效應,其中的異向磁阻(Anisotropic magnetoresistance, AMR)則是指某些材料中的電阻變化與「磁場和電流之間的夾角」有關,造成這種 磁性各向異性 的機制和材料的 電子自旋與軌道角動量耦合 (spin-orbital coupling)效應有關。一種由高磁導率合金(Fe-Ni)所製成的薄膜電阻於是被用來製作手機中的磁感測器,其不僅比 Hall sensor 靈敏,所讀取的磁北角度也可以精確到 1° 的誤差範圍內

電路的設計則是將4個相同的磁電阻連接成惠斯同電橋的形式,由於流經各電阻的電流相同,若電阻變小會造成電阻兩端的電位降也變小,所以下圖中左端的電位就會高於右端。因此只要再加上一個方向隨時間振盪的磁場,即可與其對照來得出地磁方向

在微機電系統(MEMS)的小封裝技術下,薄膜電阻的製程已從早期的熱蒸鍍改成目前常用的濺鍍與蝕刻,磁感測器也朝向靈敏度比 AMR 高出數百倍的 GMRTMR 的方向發展。或許在不久的將來,這種微型模組可望成為智慧眼鏡的元件之一 → “Recent Developments of Magnetoresistive Sensors for Industrial Applications

延伸閱讀

Applications of Magnetic Position Sensors